文 献 综 述

1．CIS薄膜太阳能电池概述

能源危机日益严重的今天，太阳能电池作为一种新能源器件越来越引入注目。目前，对其吸收层、窗口层等关键层材料的制备与组装的研究正成为国际学术界研究的热点。CulnS2作为一种I-III-VI族化合物半导体，环境友好，化学稳定性高，带隙在1.4~1.6 eV范围内，光学吸收系数高达10^-5/cm，允许成分偏离其化学计量比的范围也比较宽，而且易于选择窗口层材料与其匹配，是极具潜力的太阳能电池吸收层材料。本文针对目前CIS薄膜太阳能电池研究中关键材料即CIS吸收层和CdS缓冲层材料进行研究，旨在探索大面积、高质量CIS和CdS薄膜制备工艺路线，为CIS薄膜电池器件的开发奠定基础。

2．CIS薄膜太阳能电池的结构

CIS薄膜太阳能电池是以p型半导体CIS作为吸收层，以n型半导体材料作为窗口层的薄膜型太阳能电池，其结构见图1-1。

图1-1

吸收层：CIS属于I-Ⅲ-Ⅵ族化合物，室温下为黄铜矿结构。CIS是直接带隙半导体材料，77K时的带隙为Eg=l.04eV，300K时Eg=1.02eV，其带隙对温度的变化不敏感。CIS中引入Ga部分替代In形成CIGS，通过Ga含量的多少可以使其带隙在1.04~1.68eV间调节，从而获得与太阳光谱更加吻合的带隙。CIS吸收系数高达10^-5/cm，是至今报道过的半导体中光吸收系数最高的，如此高的吸收系数，对于太阳能电池基区光子的吸收、少数载流子的收集非常有利，CIS(CIGS)吸收层的厚度只要I～2um就可以获得理想的转换效率，降低了昂贵原材料的消耗，有利于太阳能电池器件的薄膜化。

缓冲层：是太阳能电池的重要组成部分，它与CIS吸收层的匹配程度是影响电池效率的重要因素之一。CIS的缓冲层通常采用CBD法(Chemical Bath deposition．CBD)制备的硫族化合物。通常认为，缓冲层的作用主要有两方面：其一，作为吸收层和窗口层的过渡中间层，减小二者间的晶格失配和异质节界面失配；其二，在制备流程中，作为吸收层的保护层，避免后续工艺对吸收层的影响，同时抑制窗口层与吸收层的界面反应。对于无缓冲层ZnO/CIS电池，由于ZnO和CIS反应生成ZnSe、In₂O₃，形成混合界面层，造成异质结界面元素化学比出现较大的偏离；此外，二者晶格匹配不好、ZnO与CIS层的禁带宽度相差太大导致异质结界面晶格和带隙失配等问题也使其效率至今仍不如有CdS等缓冲层的电池。

窗口层：CIS电池的窗口层多是由ZnO:AI叠层或ZnO:ITO组成。制备的方法研究较多的有磁控溅射、MOCVD。目前以磁控溅射为主。

3．吸收层CIS薄膜的制备方法

CIS薄膜的制备方法大至可以分为直接合成法和硒化法两种，这两种方法中最具典型的分别是共蒸发法和金属前驱体薄膜硒化法。共蒸发法是指利用不同的源，在真空室内同时或者分步蒸发，沉积成CIS薄膜。按照所用源的数目可以分为单源、双源及三源真空蒸发法。由于各源蒸发速率上的差别，采用多元蒸发工艺可以对各源分别控制，能较好的控制薄膜的晶体质量和电学性质。虽然用这种方法可以实现小面积薄膜成分的精确控制，但是大面积的均匀沉积将是一个难题。金属前驱体薄膜硒化法是指首先利用蒸发、溅射或电化学沉积技术制备金属前驱体薄膜，然后在H₂S气氛或硒气氛中热处理硒化来制备CIS薄膜的技术。该方法简单、快捷，能够实现较高的薄膜沉积速率，但是对成分的控制相当困难，还会容易在薄膜中生成Cu_2-xS杂相，存在于薄膜表面或晶界处，增加载流子的界面复合，降低了电池的光电转换效率。此外，为了更进一步的调节表面薄膜的禁带宽度，还可以增加硫化工艺，利用部分Se替代S，生成CuIn_xGa_l-x(S,Se)₂(CIGSSe)薄膜。

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