中国粉体网讯 目前，光伏市场主要由传统晶体硅太阳能电池组成，实验室最高效率已经非常接近其理论最高值，进一步提高效率从而降低成本变得越来越难；而且，目前硅电池组件存在易碎、易产生隐形裂纹、重量大、携带不便、抗震能力差等潜在缺点。
无机半导体薄膜太阳能电池，使用极薄（约几个微米）的薄膜作为吸收层，不仅能有效克服上述缺点，而且大大节省了原料使用成本。比如，铜铟镓硒（Cu（In，Ga）Se2，CIGS）薄膜可以直接沉积在各种基材上，衬底材料除可以使用廉价的苏打-石灰玻璃衬底外，也可以使用其他柔性金属衬底，如不锈钢箔、金属钛箔、钼箔、铜带、铝箔和聚酰亚胺等，这比生长和切片硅所需的能量更低。
CIGS薄膜太阳能电池结构示意图
CIGS太阳能电池典型结构由钠钙玻璃/Mo背电极/CIGS/CdS/i-ZnO/TCO(ZnO,Al)/MgF2/镍铝电极组成。玻璃衬底通常使用钠钙玻璃，其次在玻璃衬底上沉积一层Mo作为背电极，Mo金属薄膜具有高光反射性和低电阻特性，有利于提升器件性能。缓冲层CdS可用来缓解ZnO与CIGS吸收层之间能带上的不连续。透明导电膜要求低电阻、高透光率，但ZnO本身是高电阻材料，因此外加铝掺杂氧化锌(ZnO,Al)层改善其电学性能。MgF2为减反层，用来减少太阳光的反射，增加透射。最后，镀上镍／铝金属作为顶层电极。
CIGS薄膜作为吸收层是CIGS太阳能电池的关键材料，但是由于四种元素组成，对元素配比敏感，由于多元晶格结构、多层界面结构、缺陷及杂质等增加了制备技术的难度。
CIGS薄膜在450-600ºC之间生长，以获得高质量的吸收层。尽管沉积方法种类繁多，但在实验室小面积和大规模生产中占主导地位的方法很少。这些沉积方法可分为三大类，即（a）共蒸发，（b）磁控溅射金属预制层后硒化/硫化，（c）非真空沉积技术。
多元共蒸发法是沉积CIGS薄膜使用最广泛也是最成功的方法，用这种方法成功地制备了高效率CIGS太阳电池。Cu、In、Ga和Se蒸发源提供成膜时需要的四种元素。原子吸收谱和x射线荧光等技术分别用来实时在线监测蒸发源的蒸发速率及薄膜成分等，对薄膜生长进行精确控制。
磁控溅射金属预制层后硒化法是在覆有Mo电极的玻璃上磁控溅射沉积Cu-In-Ga金属预制层，硒化处理得到p型CIGS吸收层。硒化工艺是金属预制层形成CIGS薄膜的晶体生长过程。由于薄膜的形貌、晶粒大小、组分和结晶度几乎都是在这一步中决定的，因此精确控制温度、气压、保温时间和气体浓度等工艺参数对于获得具有理想的薄膜至关重要。
对于实验室小面积电池，重点是精确控制CIGS薄膜成分和电池效率。对于工业生产来说，除了效率之外，低成本、重现性、高产出和工艺兼容度都是非常重要。
薄膜太阳电池生产对设备的精度和稳定性要求较高，且设备复杂昂贵，尤其是关键设备，更是高达上千万美元，长期以来一直被欧洲、美国和日本的企业垄断，国内产业化瓶颈较为明显。
目前，CIGS薄膜太阳能电池商业化的主要挑战是将实验室技术扩大到工业生产，同时保持高效率。此前，最大的实验室效率（23.35%）与商业组件效率（19.2%）这两者之间存在较大差距。
2021年，经美国国家可再生能源实验室（NREL）测试证实，中国建材集团所属凯盛科技德国Avancis公司生产的30x30平方厘米铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池组件的光电转换效率达到19.64%，打破了铜铟镓硒太阳能电池组件光电转换效率的世界纪录，标志着凯盛科技不断突破CIGS薄膜组件的系列技术瓶颈，不断提高组件界面工程技术水平，为工业化量产和规模化生产打下了坚实的基础。
近日，据媒体报道，中建材玻璃新材料研究总院所属德国阿旺西斯公司生产的30×30平方厘米铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池组件，以20.3%的光电转换效率再次刷新世界纪录，成为世界首个突破光电转换效率20%水平的薄膜光伏组件。
中建材玻璃新材料研究总院有关负责人说，20.3%的光电转换效率筑牢了中国铜铟镓硒太阳能电池组件在全球新能源领域的领先地位，将为世界范围内的可再生能源转型作出重要贡献。
参考来源：
陶加华等：铜铟镓硒薄膜太阳电池研究进展和挑战
丁苏莹等：铜铟镓硒太阳能电池性能提升方法
凯盛科技、蚌埠日报。
（中国粉体网编辑整理/平安）
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