梁骏吾
2009年全世界光伏电池中薄膜电池产量为1.9GW，占世界光伏电池总产量的19.8%，比2008年1.04GW产量上升了82.7%。其中First Solar公司的CdTe薄膜电池的产量超过所有生产晶硅和其它薄膜电池的厂家，取得世界第一。2009年世界CdTe电池产量占全部薄膜电池产量的62%。造成 CdTe 电池占市场主要份额的原因是多方面的，其中，薄膜电池材料的性质是必需着重分析的。
a-Si:H是重要的薄膜材料。1976和1977年相继得到η 2%和η 5%的a-Si:H电池，这结果引发对a-Si:H电池的重视。a-Si:H是长程无序的材料，电子跃迁不受准动量守恒限制，所以光吸收系数很大，（当入射光能量大于Eg时，α大于102cm-1），于是可以用很薄的a-Si:H吸收层，从而降低硅材料成本。非晶硅可以用H、B、C、P、Ge的掺杂量以及生产参数的变化来调节和控制Eg，导电类型和相变。由于相变的限制，Eg的上限为1.9eV。 Ge加入可以降低Eg，但同时a-SiGe:H中的缺陷增加，从而使a-SiGe:H的Eg下限为1.3eV。在这范围内，可以设计多种叠层或多结电池，从而扩大波长响应范围，提高电池的转换效率。2010年已有转换效率14.8%的记录。然而大规模生产的效率却仅为6-8%。
a-Si:H的缺陷密度高。悬键有D0、D-和D+ 状态。高的隙态密度导致a-Si:H的扩散长度低，所以a-Si:H电池用pin或nip结构，靠电场来增强载流子的收集，收集效率以漂移迁移率与寿命（µτ）乘积来描述。a-Si:H中的µτ与电池的η关联。当前者从2·10-9cm2/V上升至 5·10-7cm2/V时，电池的η可以由1%上升至10%。
a-Si:H中有SW效应——光照后后材料的光电导和暗电导下降。电池使用后其转换效率下降。单结、叠层和三结电池的η可分别下降18-13%、12-20%和12-17%。所以长期稳定性是人们担心的问题。
a-Si:H电池生产线更新快，而且价格昂贵，这样就抵消了节约硅材料的好处。
CdTe 和Cu(In,Ga)Se2材料的带隙分别为1.45eV和1.04—2.4eV。（ CIGS电池最佳η对应Eg为1.12eV。） 两种材料都是直接带隙，都适于做太阳电池，世界光伏界对它们寄以很大的希望。
CIGS可以用多种方法制备，但结果最好的是元素共蒸发法： 在550oC生长而且当Ga/(Ga+In) = 0.2—0.3时得到电池的效率为18.8%。这一结果特别引人注目。
四元材料CIGS要十分注意控制其成分控制。生长时要有富Cu阶段，这样可以增大晶粒尺寸。材料的整体是富铟，这样可以得到好的电学性能。 为了提高薄膜性能，还应掺入第五组份——Na。 Na可提薄膜电导，减少VSe施主浓度。生长时使用Mo覆盖的含Na玻璃,这样可以引入Na。Na提高电池性能。 CIGS材料可以容忍很大的等化学比偏离——（In+Ga）/ (In+Ga+Cu) = 0.52—0.64范围变化，均可得到η ＞14%的电池。在PV器件级的P型CIGS材料中主要受主是VCu,，其能级是 Ev+30mev。而补偿施主是VSe和InCu。 在CuInSe2中的本征缺陷数目多达12种——VCu, VIn, VSe, Cui, Ini, Sei, InCu, CuIn, SeCu, CuSe, SeIn, 和InSe。显然四元系将有更多的本征缺陷种类。所以材料难度大。
CIGS生长后在空气中退火可以使O 原子钝化VSe 施主,有利于提高器件效率。 CIGS组件的效率在生产中可达 12%，以共蒸发生长的结果最好。
二元化合物CdTe比四元化合物CIGS简单，它只有二种间隙缺陷—Cdi,和 Tei，二种空位缺陷—VCd, 和,VTe和两种反位缺陷—CdTe和TeCd。所以CdTe比四元化合物容易处理。
CdTe中的Cd和Te之间有很高的结合能—5.75eV, 不容易被破坏，与非晶材料相比，多晶CdTe材料是热力学稳定的，所以不存在性能衰退问题。
CdTe材料可以用多种简单而有效方法生长，而在低压惰性气体下的窄间隔升华法取得了极好的效果。 升华源用CdTe, 加热到600oC时释放等量的Te 和 Cd ，并在400oC-500oC 的玻璃/TCO/CdS衬底上 结合为接近等化学比的CdTe薄膜。 p-CdTe 材料中的 VCd 是主要的受主。 在六方n-CdS和立方p-CdTe 之间虽然失配高达9.7%，但仍然可以得到高效率的太阳能电池。
p-CdTe/n-CdS 结形成后进行CdCl2 活化，活化温度400oC，活化后CdS/CdTe电池效率可以由2%提高到16%。 所以CdCl2 活化工艺对提高CdTe电池效率具有神奇的效果。活化有三种作用：1，使CdTe 晶粒长大，从而提高收集效率。2，CdTe 和CdS 互扩散，从而降低CdTe/CdS 晶间的失配影响，3，使CdTe 中的寿命值提高，从而提高光生电子的收集效率。
器件级CdTe材料的τe和τh可以达到2ns, µe和µh分别为800cm2/Vs和60cm2/Vs，则扩散长度分别为: Le=2.0um和 Lh=0.56um. 所以CdTe中有较好的光生载流子收集效率。
由于CdTe光伏电池可以用价廉有效的方法生产，生长的 CdTe 材料能接近等化学配比，缺陷少，稳定性好，规模生产 效率 达11%, 而且用的是单结电池结构。设备投资低。这些因素使得成本降低。于是 First Solar在2008年突破$1/Wp 的生产成本壁罍。到2010年2季度生产成本降至 $0.76/Wp。
CdTe生产要用有毒性的Cd ，但可以回收90%的半导体材料，用于制造新电池，90%的玻璃回收后移作它用。Te在地壳中的含量仅10-7%,，大规模应用CdTe电池可能有资源问题
光伏电池的胜出是与 材料问题成功解决密切联系的，由此予测CuInGaSe2 光伏电池也将随着CIGS材料问题的解决而将扩大其生产。
总之，半导体材料问题是太阳能电池的关键部分，开发先进的工艺和设备，生产稳定而优良性能的材料是极其重要的任务。