銅銦化合物

銅銦化合物主要是指銅銦硒（CIS）和銅銦嫁硒（CIGS）等銅基化合物。由於這類化合物具有極高的光電轉化效率、低的製造成本以及穩定的性能，從而成為了薄膜太陽能電池領域中最有代表性的多元化合物半導體光伏器件，即將成為下一代有競爭力的商品化薄膜太陽電池材料。

基本介紹

• 中文名：銅銦化合物
• 外文名：Copper-indium compound
• 主要種類：銅銦硒（CIS）銅銦鎵硒（CIGS）
• 主要成分：Cu、In、Ga、Se、Cd
• 主要特點：光電轉化效率高、成本低
• 主要套用領域：薄膜太陽能電池

主要分類

銅銦化合物作為薄膜太陽能吸收層材料，主要分為指銅銦硒（CIS）和銅銦嫁硒（CIGS）銅銦鋁硒（CIAS）等銅基化合物，後兩者是在銅銦硒（CIS）的基礎上發展起來的。銅銦硒的兩種原子結構如圖1所示：（a）黃銅礦結構；（b）CuAu結構。

圖1 銅銦硒原子結構

發展過程

銅銦硒（CIS）太陽能電池最早是在1974年由美國貝爾實驗室的Wanger等人研製的單晶CISe/CdS異質結光電探測器。兩年後，緬因大學首次報導了CISe/CdS薄膜太陽能電池，效率達到了5%。至1981年，波音公司製備出效率達9.4%的多晶CISe薄膜太陽能電池，據該方向的領先位置。1988年，ARCO公司取得重大突破，將電池效率提高至14.1%。其採用的“濺射後頻化”和“多元共蒸發”工藝以及對電池器件結構的設計被沿用至今，成為主流技術。

銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池是由其母體銅銦硒（CIS）發展而來的。通過Ga和S元素的摻入形成的銅銦鎵硒薄膜，提高了吸收層銅銦硒（CIS）的禁頻寬度，可以使器件效率得到提高。波音公司於1989年報導了效率達12.9%的銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池之後，銅銦鎵硒（CIGS）電池得到了飛速的發展。

如今，在小面積銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池領域，美國的國家可再生能源實驗室（NREL）和德國的氧和可再生能源實驗室（ZSW）—直保持著該領域的世界頂尖水平。2013年底，由ZSW研製的銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池的小塊器件效率達到了20.8%。

性能特點

銅銦鎵硒（CIGS）被選作為高效太陽能電池的吸收層是由於其材料本身具有很多優點。首先，通過調節Ga的含量，可以使銅銦鎵硒（CIGS）的禁頻寬度在1.04~1.67eV內連續調整，以得到所需要的吸收層材料。再者，銅銦鎵硒（CIGS）是一種直接帶隙半導體，其可見光吸收係數高達數量10^5 cm^-1級。相較於Si薄膜需要200μm以上的厚度，銅銦鎵硒（CIGS）只需要2~3μm的厚度即可，節省了原料成本。不但如此，戶外長期穩定性測試實驗表明銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池的穩定性好，使用壽命長”，這也大幅減低了其能量償還時間。此外，銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池還具有抗福射能力強和弱光特性好等特點，也使其包括在太空中或室內的套用前景更具想像力。

主要套用

銅銦鎵硒作為銅銦化合物的代表，其主要套用領域為薄膜太陽能電池。銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的典型結構為多層膜結構（如圖2所示），包括金屬柵電極Al、視窗層n+ -ZnO、異質結n型層i-ZnO、緩衝層或過渡層CdS、光吸收層CIGS、背電極Mo、玻璃襯底等。

圖2 銅銦鎵硒薄膜太陽能電池典型結構

銅銦鎵硒（CIGS）作為吸收層是CIGS薄膜太陽能電池的關鍵材料。CIGS材料有優良的光學性能，光電轉換率很高，但是由於銅銦鎵硒（CIGS）由四種元素組成，對元素配比敏感，由於多元晶格結構、多層界面結構、缺陷以及雜質等的存在增加了製備技術的難度，而且對設備的精度和穩定性要求較高，因此目前還沒有實現大規模工業化生產。