CIGS薄膜太阳能电池研究现状与发展前景
摘要：太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源正在得到迅速的发展与应
用，目前在世界各国都得到了广泛的研究。本文介绍了太阳能电池发展的背景、太阳能电池分类；并着重介绍了CIGS薄膜太阳能电池的制备工艺方法，分析总结了其研究发展现状与发展前景。
关键词：太阳能电池；CIGS；薄膜；发展前景
0引言
能源是人类社会经济发展的重要物质基础，是生产力飞跃的主要动力源泉0。随着传统化石能源逐渐耗尽引起的能源危机，以及化石燃料燃烧引起的温室气体、氮氧化物等环境污染的日趋严重。从人类社会可持续发展的角度考虑，能源产业出现了两大发展趋势：其一是在传统能源中寻找清洁、高效的能源利用方式，但是这并不能从根本上解决世界能源短缺的问题；其二是积极寻找并开发、使用新能源和可再生能源，这是人类能源可持续发展的最终选择。理想的新能源和可再生能源要同时符合两个条件：一是蕴藏丰富不会枯竭；二是安全、干净，不会威胁人类和破坏环境。
太阳能是最理想的新能源。它是各种可再生能源中最重要的基本能源。生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能。太阳能存在许多优点：太阳能随处可得，数量巨大，无需运输；取之不尽，用之不竭的可再生性；既清洁又安全、无污染，也不会影响生态环境。太阳能发电可以将太阳光能直接转化为电能，是太阳能利用研究中最重要的研究领域之一。0
太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，全球年能量消耗的总和只相当于太阳40分钟内投射到地球表面的能量。为了保证人类发展所需能源的持久供应，减轻环境污染、生态破坏对人类日益加剧的危害，使经济、社会走上可持续发展之路，世界各国特别是发达国家对于光伏发电技术十分重视，将其摆在可再生能源开发的首位，制定规划，采取措施，增加投入，大力发展0。我国也在这方面非常重视，发展新能源和可再生能源，并把光伏发电作为未来能源的希望。
1.太阳电池的工作原理及光谱吸收
1.1太阳能电池工作原理
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半导体太阳电池的工作原理是半导体的光生伏特效应，如0所示。用适当波长的光照射到半导体系统上时，系统吸收光能后两端产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。例如，当光照射到由p型和n型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的p-n结上时，在一定条件下，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡截流子—电子和空穴。由于p-n结势垒区存在着较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴，或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运动，离开势垒区，结果使p区电势升高，n区电势降低，p-n结两端形成光生电动势，这就是p-n结的光生伏特效应。
图1.1 光生伏特效应
由于光照产生的非平行载流子各向相反方向漂移，从而在内部构成自n区流向p区的光生电流，在p-n结短路情况下构成短路电流密度Jsc。在p-n结开路情况下，p-n结两端建立起光生电势差，这就是开路电压。如将p-n结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路，p-n结起了电源的作用，这就是光电池的基本工作原理（见0）。显然，光电池之所以能在光照下形成电流密度J、短路电流密度Jsc、开路电压Voc，都是由于材料内部存在内建静电场或有效力场的缘故。
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图1.2
半导体太阳电池工作原理
所以光伏电池工作的首要条件是入射光和半导体对光的吸收，其次是半导体内存在内建静电场或有效力场，使非平衡载流子漂移从而产生电动势。
1.2半导体中的光吸收
透射光在半导体中能被吸收，这种吸收是由于光子激发了占据较低能态的电子，使它跃迁到较高能态所致。因为半导体价带中有大量的被电子占据的能态，导带中有大量空着的能态，所以当入射光子的能量大于禁带宽度时，入射的光子将大部分被吸收。半导体中的本征吸收是光电池中的一种重要的光吸收过程，它是指价带中的电子受光子激发跃迁到导带，在价带中产生一个空穴，同时光子湮没的过程。要发生本征吸收，光子的能量须等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg，因而对每一种半导体材料，均有一个本征吸收的长波限：
?0?1.24(?m)EgEg （错误！文档中没有指定样式的文字。-1）
式中，单位取eV。在这个跃迁过程中，能量和动量必须守恒。由于半导
体能带结构不同，所以表现出有两种不同形式的本征吸收——直接跃迁和间接跃迁。对应于这两种跃迁的半导体材料，分别称为直接带隙半导体和间接带隙半导体。
直接带隙半导体导带和价带的极值对应于相同的波矢K。因为一般半导体所
吸收的光子的动量远小于能带中电子的准动量hK，所以，在跃迁过程中电子的准动量基本上是守恒的，即跃迁前后电子的波矢K保持不变。由于能量守恒，末
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态和初态电子的能量差等于被吸收光子的能量，对于球形等能面近似的半导体材料有：
h2k211h??Eg?(*?*) （错误！文档中没有指定样式的文
2mnmp字。-2）
*mmn式中，、分别为电子和空穴的有效质量，可见，随着入射光子能量的
*p增大，吸收光子发生跃迁的电子的准动量值也增大，因此，跃迁前后价带和导带中电子的能量离开价带顶和导带底的距离也增大。理论分析直接跃迁的吸收系数与光子能量的关系为：
?(h?)?A(h??Eg)12,h??Eg （错误！文档中没有指定样式的文
字。-3）
式中A为常数。
间接带隙半导体的导带和价带的极值并不对应于相同的波矢例如Ge、Si一类半导体，价带顶位于K空间原点，导带底则不在K空间原点。这种半导体中的电子在吸收光子发生跃迁时，还伴随有声子的吸收或发射。当价带中波矢为K
'的电子吸收光子后跃迁到导带中波矢为K的能态时还将吸收或发射一个准动量
'为hk?hk的声子。跃迁前后电子的能量差?E满足关系下式
h???E?Ep （错误！文档中没有指定样式的文字。-4）
E式中，p为具有上述准动量的一个声子的能量，“+”号表示发射声子，“－”号表示吸收声子。使电子由价带跃迁到导带的光子能量的最小值为
h???E?Ep （错误！文档中没有指定样式的文字。-5）
E这表示电子除吸收能量为h?的光子外，还需吸收一个能量为p的声子，才
能由价带顶跃迁到导带底。因为间接带隙半导体中的光吸收过程要有声子参与，所以间接带隙半导体光吸收的几率比直接带隙半导体的要小得多，亦即它的吸收系数比较小，入射光透入半导体传播较大的距离后才被吸收。
当当
h??Eg?Ep时，吸收声子和发射声子的跃迁均可发生；
时，只能发生吸收声子的跃迁。
Eg?Ep?h??Eg?Ep另外，光吸收也能使电子在允带和杂质能级间发生跃迁形成所谓杂质吸收，是不产生电子－空穴对的吸收过程。当半导体光电池某区域中存在着强电场时，长波限将向低能方向移动，称为Franz-Keldysh效应，这相当于禁带宽度减小。
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当掺杂浓度很高时，也会发生禁带宽度的收缩，同样也影响长波方向的吸收限，使之向低能方向移动。
用间接带隙半导体材料制作光电池时，由于吸收系数比较小，因而要有效地吸收入射光，材料的厚度要比较厚。这样，材料中少数载流子的寿命和扩散长度要比较长才能使光生载流子在到达结区前不会被复合。要能有效地吸收太阳光谱的辐射，典型厚度为20-50μm，而对直接带隙半导体材料来说，只要l-3μm的厚度就能充分吸收入射的光。
设波长为?的光，单位时间入射到半导体单位表面上的光强为?0(?)，材料的反射系数为?(?)，吸收系数为?(?)，设?为量子产额，即每吸收一个能量大E于g的光子产生的电子－空穴对数，则距半导体表面为x处的单位体积内光生载流子的产生率为：
G(x,?)???0(?)?1??(?)??(?)e??(?)x （错误！文档中没有指定样式
的文字。-6）
设半导体材料厚度为W，对所有波长的入射光积分，得到单位时间单位面积内各个波长入射光子产生的总的光生载流子（电子---空穴）数。
太阳电池对不同波长辐射的响应是不同的，因此了解太阳光谱分布的精确值是很有必要的。
2.太阳能电池的分类
自1954年美国的贝尔实验室研制成转换效率6%的实用型单晶硅太阳电池以来0，光伏发电技术飞速发展，仅仅经过50多年的时间，已成为空间卫星的基本电源和地面无电、少电地区及特殊领域的重要电源，并进一步发展成为21世纪世界能源舞台上的主要组员之一。
太阳电池按材料及工作原理可分为：硅系太阳能电池、化合物薄膜太阳能电池、量子点太阳能电池。 2.1硅系列太阳电池
硅系列太阳能电池主要包括单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳电池。目前多晶硅电池实验室效率达到20.3％，多晶硅组件产品最高效率也达到了15.7％。现阶段，晶硅电池和组件以接近90％的份额仍然占据着光伏产品的绝对统治地位。
硅系列太阳电池中，以单晶硅太阳电池转换效率最高，技术也最为成熟。在大规模应用和工业生产中，单晶硅太阳电池仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，单晶硅成本价格居高不下，若要大幅度降低其成本是非常困难的。
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