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□ 周少雄 方 玲

  摘 要近年来,CuInS2作为太阳能电池光吸收材料,由于其优异的综合特征已经引起人们的广泛关注.文章介绍了CuInS2太阳能电池的发展历史和研究现状,综述了有关CuInS2材料结构与特性,制备方法和反应动力学,元素掺杂和后处理工艺对电池性能的影响以及窗口材料等方面的研究成果,评述了CuInS2太阳能电池的产业化进展及基于电沉积-硫化方法制备CuInS2薄膜太阳能电池的低成本产业化技术,展望了CuInS2太阳能电池的发展前景.
  关键词太阳能电池, 光伏,CuInS2薄膜
  
  1 引言
  
  太阳能是人类取之不尽用之不竭的清洁可再生能源.在太阳能的有效利用中,光伏发电是近些年来发展最快、最具活力的研究领域.目前,在大规模应用和工业生产中,晶体硅太阳能电池占据主导地位,但由于受晶体硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响,其生产成本居高不下.因此,人们将目光投向低成本、高稳定性的CuInS2(CIS)薄膜太阳能电池.
  CuInS2材料的性质、制备方法以及电池结构与目前得以广泛研究的黄铜矿结构的CuInSe2光吸收材料相似,均具有吸收系数高、本征缺陷自掺杂、易于选择窗口材料、结构缺陷电中性等特点.但又具有其独特的特性[1].CuInS2材料的禁带宽度接近太阳能电池材料所需的最佳禁带宽度值,因此不需要添加其他元素来调整其禁带宽度,从而简化了生产过程,提高了生产的稳定性.目前的主要问题是如何促进CuInS2太阳能电池产业化进程,并在此基础上提高电池的光电转换效率和降低电池的生产成本.另外,薄膜的生长机理和缺陷形成机制及其对电池光电转换效率的影响等理论方面的研究还有待深入.
  
  2 CuInS2电池的研究状况
  
  2.1 CuInS2材料的微观结构与特性
  CuInS2是重要的ⅠB-ⅢA-ⅥA族化合物半导体材料,为直接带隙半导体材料,禁带宽度为1.55eV,且禁带宽度对温度的变化不敏感,非常适合作为太阳能电池的光吸收材料. CuInS2材料的吸收系数高达105cm-1数量级,以其作为太阳能电池的光吸收层,厚度仅需1—2μm.在室温下,CuInS2的晶体结构为黄铜矿结构,这种结构可以看作是由两个面心立方晶格套构而成.一个为阴离子S组成的面心立方晶格,另一个为阳离子(Cu,In)对称分布的面心立方晶格.CuInS2的晶体结构属正方晶系,晶格常数a=0.5545nm,c=1.1084nm,其c/a随着材料制备工艺的不同会有少许变化[2].当CuInS2化合物成分偏离化学剂量比时就会产生点缺陷,Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物的本征点缺陷如空位、间隙和位错的种类达12种[3],这些点缺陷会在禁带中产生新能级,因此,CuInS2具有本征缺陷自掺杂特性,不需要其他元素的掺杂,仅通过调整自身元素的成分就可以获得不同的导电类型.另外,CuInS2允许成分偏离化学计量比范围较宽,即使严重偏离化学剂量比依然具有黄铜矿结构以及相似的物理及化学特性.由于CuInS2半导体材料不必借助外加杂质,因此其抗干扰、抗辐射性能稳定,制成的光伏器件的使用寿命长,并且适于空间应用.
  2.2 CuInS2电池的发展历程
  20世纪70年代人们开始关注CuInS2作为太阳能电池吸收材料的研究.1974年,美国贝尔实验室最早采用CuInS2作为太阳能电池吸收材料制备CIS/CdS电池.1977年,Wagner[4]等也成功地制备了p\|CuInS2/n\|CdS结构的电池.1984年,Hodes[5]等采用电镀合金预制薄膜,然后用H2S硫化方法制备CIS薄膜.1992年,Walter[6]等采用共蒸发方法制备CuIn(Se,S)2 /CdS 电池,其光电转换效率达到10%.图1显示了CIS薄膜太阳能电池光电转换效率的发展,目前实验室水平达到12.5%.
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摘自:物理 2007年第11期  
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