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一、课题的目的和意义

当前，人类社会赖以发展的能源近80%是不可

再生的化石能源。面对日益严重的能源危机和大

量使用化石能源所带来的环境污染，开发清洁的

可再生能源已成为人类必须解决且受到广泛关注

的问题。水能、风能、核能、地热能、太阳能等

都具有一定的发展空间，其中太阳能除了具备无

污染、用之不竭的基本特点外，相比其他清洁的

可再生能源，还具有地域限制小、能量来源简单

等特点，是最具希望的能源之一。图1、铜铟镓硒薄膜太阳能电池结构示意

实现太阳能的实际利用，要求保证能量转换效率，且必须尽可能降低太阳能电池的制

造成本。薄膜太阳能电池可以极大减少价格相对昂贵的半导体材料，同时电池材料制备和

电池形成同时完成，节省了制作工序，故其在节约成本方面有较大优势。目前，薄膜太阳

能电池有硅薄膜太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池等多种类

别。本课题研究的CIGS电池是一种多元化合物电池，相比而言，其具有成本低、性能稳定、

抗辐射能力强、光电转换效率高的综合优势，是最有前途的太阳能电池之一。[1]

CIGS电池的核心是铜铟镓硒薄膜，其制备目前主要有多元分步共蒸发法和金属预置层

后硒化法两种技术路线，本课题围绕多元分布蒸发法的基本蒸发过程展开研究，力图探明

影响蒸发过程的各种因素及其对蒸发过程造成影响的规律，给实际制备高质量的铜铟镓硒

薄膜提出理论支持与指导，从而有效提高电池光电转换效率。由于未来可能的批量化生产

将可能使用大面积的基底，在这种情况下需要综合考虑均匀度和产率两个因素，因此本课

题还具有丰富的实际意义。

二、课题研究状况

从20世纪70年代起，CIGS电池材料的研究在世界范围内获得迅速发展。以共蒸发法

制造CIGS电池，各个元素比例可以在蒸发过程中调节，薄膜材料晶相结构好。2006年，

美国NREL以共蒸发工艺研制的CIGS单体电池转换效率达19．5％，已能够与硅光电池转

换效率相比，创下了薄膜太阳电池的世界纪录。瑞典、日本、韩国的有关研究机构由此方

[2]

法制备的CIGS电池效率均已超过17％。而共蒸发法的技术难点则在于要求精确控制每种

元素蒸发速率及蒸发量，对于实现工业化还需要保证大面积沉积的均匀性。

由于CIGS电池被视为最具前途的太阳能电池之一，高效的CIGS电池将带来巨大的经

济效益，故其生产的核心技术在国际上目前处于保密状态。同国际水平相比，无论是研发

时间与历史、研究力量、研究公司的数量，还是实际达到的光电转换效率以及成品率，国

内均存在较大差距，目前达到的实验室最高转换效率仅为13%左右。同时，国内相关的基

础研究水平较低，影响基本蒸发过程的各种因素及其影响规律仍没有得到充分阐明，精确

控制蒸发过程还存在较大的技术难度。

三、课题主要内容与基本思路，难点和创新点

要提高太阳能电池的效率，主吸收层铜铟镓硒（CIGS）的质量至关重要。理想的CIGS

层应做到厚度、各元素配比均匀，并且如果能做到元素比例在厚度方向的差异（一般采用调

节Ga/（Ga+In）实现），形成禁带宽度的纵向梯度，则可以在更大范围内吸收太阳光，大幅

[3]

提高太阳能电池的效率。CIGS的特性决定了其广阔的发展空间，同时也决定了其制作工

艺的复杂性。本课题的主要研究内容就在于结合具体的设备情况，利用经典的气体分子理论，

研究蒸发过程的特点，摸索蒸发过程的控制方法，从而提高CIGS薄膜的质量，最终提高太

阳能电池的效率。

（一）、要保证薄膜的均匀性，则必须了解蒸发过程中

各种因素对于蒸发速率分布的影响。研究表明，对于满足特

殊条件的理想蒸发源（KnudsenCell），蒸发物质流量将满足

余弦分布率。而对于实际的圆筒蒸发源，其流量的分布将正

比于cosnθ，其中θ为测量位置和喷嘴连线与对称轴的夹

[4]

角，如图2所示。实际生产过程中，对应于不同条件下的

n都是未知的，需要实验测量。结合实验设备，考虑共蒸发

过程，对n产生影响的因素可能包括温度、物质种类、蒸发图2、圆筒喷嘴形成的蒸发强度分

源的几何参数、蒸发源的倾角等，此外由于随着蒸发的进行，