https://scientific-jl.com/luch/
Часть-40_ Том-1_ Март-2025
128
ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЁНОК НА ОСНОВЕ CIGS С
МЕТОДОМ ОСАЖДЕНИЯ В ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ТЕХНОЛОГИЯХ
Иброхимова Машхура
студент кафедры «альтернативных источников энергии»
Атажонов Мухиддин
доцент кафедры «альтернативных источников энергии»
Андижанского машиностроительного института, Андижан,
Узбекистан.
Аннотация: В работе рассматриваются тонкие пленки на основе
селенида меди, индия и галлия (CIGS) как перспективные материалы для
фотоэлектрических
технологий.
CIGS-пленки
обладают
высокой
эффективностью преобразования солнечной энергии и позволяют создавать
гибкие, легкие модули, которые могут использоваться на различных
поверхностях. В аннотации анализируются основные методы осаждения и
выращивания CIGS-пленок, такие как химическое осаждение из паровой
фазы и молекулярно-лучевая эпитаксия, а также их влияние на
кристаллическую структуру и фотоэлектрические характеристики
материала.
Особое
внимание
уделяется
методам
повышения
эффективности и стабильности CIGS-пленок, в том числе улучшению
межслойных переходов и добавлению буферных слоев.
Ключевые слова: CIGS, химическое осаждение из паровой фазы (CVD),
молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE), межслойные переходы, буферные
слои, стабильность, экологическая безопасность
https://scientific-jl.com/luch/
Часть-40_ Том-1_ Март-2025
129
Введение
Фотоэлементы на основе кристаллических пленок III-V групп
Полупроводниковые материалы на основе соединений групп III (Al, Ga,
In) и V (N, P As, Sb) известны с 1950 года, а в начале 1960-х годов были
созданы и первые фотоэлементы на основе арсенида галлия, которые тут же
нашли применение в космических исследованиях благодаря устойчивости к
космическому излучению и высокой эффективности фотопреобразования. Из
всех соединений групп III-V наиболее широко применяются InP и GaAs,
поскольку они имеют почти идеальную ширину запрещенной зоны в 1,4 эВ.
Наибольшая эффективность на структурах с одним переходом была
достигнута на тонкопленочных устройствах, сформированных методом
газофазной эпитаксии: 25,8% для GaAs и 21,9% для InP [1].
Недостатком устройств на пленках соединений III-V групп является
высокая стоимость подложек, обеспечивающих эпитаксиальный рост этих
материалов. Кроме этого, эффективность фотопреобразования пленок очень
чувствительна к примесям и структурным дефектам, что не позволяет
упростить технологию их осаждения и снизить стоимость производства
ячеек. Выход их этой ситуации: использовать ячейки с несколькими
переходами, обеспечивающими более полное поглощение солнечного
спектра, а также использовать концентрирование солнечной энергии с
большой площади на небольшой фотоэлемент. В этом случае вместо
дорогостоящего фотоэлемента используется существенно более дешевое
концентрирующее устройство, например, линза Френеля. В результате
стоимость
фотоэлемента
снижается
пропорционально
степени
концентрирования
солнечного
излучения.
Современный
рекорд
эффективности фотопреобразования, достигнутый на структуре с тремя
переходами при концентрировании в 364 раза, составляет 41,6% (см. рис. 1).
Увеличение количества гетеропереходов больше 3 приводит к
https://scientific-jl.com/luch/
Часть-40_ Том-1_ Март-2025
130
значительному удорожанию фотоэлемента, поэтому основной рынок для
высокоэффективных устройств с четырьмя и более гетеропереходами –
аэрокосмическая промышленность [1, 3].
Среди различных направлений в области возобновляемой энергетики
фотоэлектрические технологии играют одну из ведущих ролей, и спрос на
солнечные модули с высокой эффективностью и доступной себестоимостью
постоянно растет. В последние годы тонкопленочные материалы стали
привлекать особое внимание благодаря их уникальным свойствам и
перспективам для создания компактных и гибких солнечных элементов.
Одним из наиболее эффективных и изучаемых тонкопленочных материалов
является селенид меди, индия и галлия (CIGS), который обладает высоким
коэффициентом поглощения солнечного света и возможностью создания
тонких слоев, что позволяет значительно снизить потребление материалов и
удешевить производство [2, 5-7].
Тонкие
пленки
CIGS
демонстрируют
высокие
показатели
фотоэлектрического преобразования, достигая КПД порядка 22% в
лабораторных условиях, что делает их конкурентоспособными с
традиционными кремниевыми солнечными элементами. При этом CIGS-
пленки обладают гибкостью, что позволяет применять их для изготовления
портативных и гибких солнечных модулей, а также использовать на сложных
поверхностях и в устройствах с ограничениями по весу.
Однако для массового внедрения CIGS в солнечную энергетику
необходимо решить ряд задач, связанных с оптимизацией их структуры,
повышением долговечности и стабильности, а также снижением
производственных затрат. В связи с этим, исследования направлены на
разработку более экономичных и эффективных методов осаждения тонких
пленок CIGS, улучшение качества межслойных переходов и повышение
стойкости к воздействию внешних факторов [3].
https://scientific-jl.com/luch/
Часть-40_ Том-1_ Март-2025
131
Целью данного исследования является комплексный анализ свойств,
методов производства и перспектив применения тонкопленочных CIGS-
покрытий в фотоэлектрических преобразователях.
Постановка задачи
В условиях глобального перехода на возобновляемые источники
энергии актуальность создания высокоэффективных и экономичных
фотоэлектрических технологий стремительно возрастает. Одним из
перспективных решений в данной области являются тонкопленочные
солнечные элементы на основе селенида меди, индия и галлия (CIGS). Эти
материалы обладают рядом преимуществ, включая высокую эффективность
преобразования солнечной энергии, низкую себестоимость и возможность
создания гибких и легких модулей [4-5].
Целью исследования является анализ и оптимизация свойств тонких
пленок CIGS для применения в солнечной энергетике. Для этого необходимо
решить следующие задачи:
1. Изучение структуры и свойств CIGS-пленок: исследование
кристаллической структуры, состава и толщины пленок, а также их влияния
на фотоэлектрические свойства материала.
2. Анализ методов осаждения и выращивания CIGS-пленок: изучение
различных методов осаждения, таких как химическое осаждение,
молекулярно-лучевая эпитаксия, соосаждение, и их влияние на качество
пленок и себестоимость производства.
3. Повышение эффективности преобразования: исследование
межслойных переходов, буферных слоев и контактных областей для
снижения потерь энергии и повышения КПД фотоэлектрических
преобразователей.
4. Увеличение стабильности и долговечности устройств: разработка
методов для повышения устойчивости CIGS-пленок к воздействию
https://scientific-jl.com/luch/
Часть-40_ Том-1_ Март-2025
132
окружающей среды (влажность, температура, ультрафиолетовое излучение)
и улучшение их эксплуатационных характеристик.
5. Экологическая и экономическая оценка: анализ экологической
безопасности использования CIGS в солнечных элементах, а также
определение экономических преимуществ и ограничений в массовом
производстве.
Методы
Методы осаждения тонких пленок на основе селенида меди, индия и
галлия (CIGS) играют ключевую роль в получении высококачественных
фотоэлектрических преобразователей. Они позволяют контролировать
кристаллическую структуру и толщину пленок, что критически важно для
эффективности и стабильности солнечных элементов [6]. Наиболее
распространенные методы осаждения CIGS-пленок включают:
1. Химическое осаждение из паровой фазы (Chemical Vapor Deposition,
CVD)
- Описание: CVD — один из самых широко используемых методов
для получения тонких пленок. В ходе процесса испаренные химические
вещества вступают в реакцию на поверхности подложки, где образуется
тонкий слой CIGS.
- Преимущества: высокая точность контроля толщины пленок,
высокая однородность и низкая себестоимость для массового производства.
- Недостатки: сложность контроля состава и высокого уровня
чистоты; требуются точные условия для предотвращения образования
побочных продуктов.
2. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии (Molecular Beam Epitaxy,
MBE)
https://scientific-jl.com/luch/
Часть-40_ Том-1_ Март-2025
133
- Описание: MBE осуществляется путем испарения каждого
компонента (Cu, In, Ga, Se) в вакууме и осаждения на подложке. Процесс
позволяет получать кристаллы с высокой степенью чистоты.
- Преимущества: высокий контроль над кристаллической структурой
и чистотой пленок, возможность создания лабораторных образцов с высокой
эффективностью.
- Недостатки: высокая стоимость оборудования и невысокая скорость
осаждения, что затрудняет использование в массовом производстве.
3. Соосаждение (Co-evaporation)
- Описание: в этом методе элементы Cu, In, Ga и Se испаряются
одновременно или последовательно и осаждаются на подложке. Можно
регулировать состав пленки, управляя скоростью испарения компонентов.
- Преимущества: высокий контроль над составом пленки и
эффективное использование материалов, подходящих для промышленного
производства.
- Недостатки: требуется точный контроль температуры и
соотношения компонентов для обеспечения равномерного осаждения.
4. Реактивное распыление (Sputtering)
- Описание: частицы материала выбиваются с поверхности мишени
путем воздействия ионов, создавая осаждение на подложке. В этом методе
используются металлические мишени Cu, In и Ga, а селен добавляется путем
последующей селенизации [7].
- Преимущества: широкое распространение, возможность работы с
разными подложками, низкие температуры обработки.
- Недостатки: возможность возникновения дефектов из-за высокого
уровня энергии частиц, требуются дополнительные этапы для селенизации.
5. Электроосаждение (Electrodeposition)
https://scientific-jl.com/luch/
Часть-40_ Том-1_ Март-2025
134
- Описание: осаждение пленки происходит путем погружения
подложки в раствор электролита и подачи электрического тока. При этом
ионы Cu, In и Ga осаждаются на подложке, а затем происходит селенизация.
- Преимущества: экономичность и простота оборудования,
возможность контролировать толщину и состав пленок [8].
- Недостатки: требуется дальнейшая селенизация для завершения
процесса, и может быть сложным контроль за однородностью покрытия.
6. Осаждение из раствора (Solution-based deposition)
- Описание: в данном методе раствор с комплексами элементов CIGS
наносится на подложку, после чего происходит нагревание, и образуется
тонкий слой.
- Преимущества: низкая стоимость, возможность нанесения на гибкие
подложки, подходит для массового производства.
- Недостатки: ограниченный контроль над составом и качеством
пленок, что может привести к снижению эффективности преобразователя.
Выбор метода осаждения
Каждый из перечисленных методов имеет свои преимущества и
ограничения в зависимости от целей исследования или производства. Для
массового производства применяют методы, сочетающие экономичность и
высокую производительность, такие как CVD или соосаждение. Для
лабораторных исследований и создания образцов с высоким КПД часто
применяют более дорогостоящие методы, такие как молекулярно-лучевая
эпитаксия [9].
Постоянное
улучшение
этих
методов позволяет
создавать
высокоэффективные солнечные элементы на основе CIGS, делая их всё более
доступными для массового рынка [10].
Преимущества гибких модулей на основе CIGS
https://scientific-jl.com/luch/
Часть-40_ Том-1_ Март-2025
135
Высокий коэффициент поглощения:
CIGS обладает высоким
коэффициентом поглощения света, что позволяет использовать тонкие слои
материала без значительной потери эффективности. Это делает модули более
легкими и удобными для использования на поверхностях со сложной
формой.
Гибкость и прочность:
Гибкие модули на основе CIGS могут
наноситься на полимерные и металлические подложки, что позволяет им
быть устойчивыми к изгибам и деформации. Такие модули легко
интегрировать в материалы зданий, автомобили, текстиль и другие объекты
[9-11].
Высокая эффективность преобразования:
КПД тонкопленочных
CIGS-модулей может достигать 20%, что делает их конкурентоспособными с
традиционными кремниевыми солнечными панелями. При этом они лучше
работают при недостатке освещения и могут сохранять высокий уровень
эффективности в условиях слабого солнечного освещения или частичного
затенения.
Легкость и удобство установки:
Гибкие солнечные панели на основе
CIGS легче традиционных кремниевых, что снижает затраты на
транспортировку и упрощает процесс установки. Это особенно важно для
портативных решений, где важны вес и удобство использования [12].
Широкий спектр применения:
Гибкость и легкость таких модулей
позволяет применять их в строительстве, на транспорте, в мобильных
устройствах и даже в военных и космических технологиях, где особенно
важны компактность и устойчивость к механическим воздействиям [13].
Основные межслойные переходы в CIGS-солнечных элементах
Межслойные переходы в тонкопленочных структурах на основе
селенида меди, индия и галлия (CIGS) играют критически важную роль в
повышении
эффективности
и
стабильности
фотоэлектрических
https://scientific-jl.com/luch/
Часть-40_ Том-1_ Март-2025
136
преобразователей. Качество межслойных переходов существенно влияет на
основные параметры солнечных элементов, такие как коэффициент
заполнения, напряжение холостого хода и ток короткого замыкания [14]. В
этой связи межслойные переходы между CIGS и другими слоями —
например, буферными и контактными слоями — являются ключевыми
компонентами для оптимизации фотоэлектрических характеристик.
1. Переход CIGS/буферный слой:
- Буферный слой — это переходный слой между активной CIGS-
пленкой и прозрачным оксидным слоем. Он обычно состоит из материалов с
широкой запрещенной зоной, таких как CdS, ZnO или Zn (S,O).
- Функции буферного слоя: Буферный слой снижает поверхностные
дефекты и рекомбинацию носителей заряда на границе CIGS и прозрачного
слоя. Он улучшает сбор носителей и стабилизирует рабочие характеристики
солнечного элемента.
- Проблемы и решения: Традиционный буферный слой на основе CdS
часто заменяют на безкадмиевые материалы, такие как Zn (O,S) или In2S3,
чтобы избежать токсичности кадмия и улучшить пропускание света.
2. Переход буферный слой/прозрачный проводящий слой (TCO):
- Прозрачный проводящий слой (обычно ZnO:Al или ITO) служит
фронтальным электродом и обеспечивает передачу света к активному слою,
а также выводит ток из солнечного элемента.
- Оптимизация перехода: Толщина и кристаллическая структура
этого переходного слоя должны быть тщательно настроены для минимизации
потерь энергии и улучшения прозрачности и проводимости TCO-слоя.
3. Переход CIGS/задний контакт:
- Задний контакт, обычно состоящий из молибдена (Mo), формирует
обратную поверхность солнечного элемента и отвечает за эффективное
отражение света обратно в активный слой.
https://scientific-jl.com/luch/
Часть-40_ Том-1_ Март-2025
137
- Влияние заднего контакта: Качество адгезии между CIGS и задним
контактом важно для стабильности устройства. В некоторых случаях
добавляют промежуточные слои (например, MoSe2), которые улучшают
проводимость и уменьшают потери носителей.
4. Границы зерен внутри CIGS-пленки:
- Границы зерен в структуре CIGS также действуют как межслойные
переходы и могут служить как барьеры для носителей заряда, повышая
вероятность рекомбинации. Управление структурой CIGS — такие как
оптимизация температуры осаждения и условий роста кристаллов —
способствует улучшению фотоэлектрических характеристик.
- Решения: Использование добавок, таких как натрий (Na), может
улучшить кристаллическое качество CIGS-пленок, уменьшив количество
дефектов и повысив концентрацию носителей заряда.
Методы улучшения межслойных переходов в CIGS-структурах
1. Оптимизация толщины и состава слоев: Точный контроль толщины
и состава каждого слоя помогает минимизировать потери энергии на
межслойных переходах и увеличивает эффективность солнечного элемента.
2. Введение допирующих элементов: Натрий (Na), рубидий (Rb) и
другие элементы могут вводиться в CIGS для уменьшения количества
рекомбинационных центров и улучшения пропускания границ зерен.
3. Плазменная обработка: Поверхностная обработка слоя плазмой
помогает улучшить адгезию между слоями и увеличить контактную
поверхность, уменьшая контактное сопротивление.
4. Защитные покрытия и барьерные слои: Применение барьерных слоев
между CIGS и другими компонентами защищает от диффузии
нежелательных элементов и увеличивает долговечность и стабильность
устройств.
https://scientific-jl.com/luch/
Часть-40_ Том-1_ Март-2025
138
Межслойные переходы в CIGS-солнечных элементах оказывают
значительное влияние на их эффективность и стабильность. Продолжаются
исследования в области оптимизации этих переходов путем подбора
материалов, улучшения адгезии, введения новых буферных слоев и
применения различных методов обработки. Улучшение межслойных
переходов позволяет создавать более эффективные и долговечные солнечные
элементы на основе CIGS, что делает их более перспективными для
применения в фотоэлектрических технологиях.
Заключение
Каждый из методов имеет свои преимущества и ограничения, и выбор
подходящей технологии зависит от требований к качеству пленки, стоимости
и доступности оборудования. Для промышленного производства чаще всего
используются методы соосаждения и испарения с последующим
селенированием, так как они обеспечивают высокое качество и стабильность
материалов для солнечных элементов.
Литературы
1.
https://www.prosolar.ru/articles/fotoelementy-na-osnove-tonkih-
plenok-poluprovodnikov/
2.
Muhiddin Atajonov. Development of technology for the development
of highly efficient combinations of solar and thermoelectric generators
.
(2024) AIP
Conf. Proc. 3045, 020011,
https://doi.org/10.1063/5.0197733
3.
M.O. Atajonov., S.J. Nimatov., A.I. Rahmatullayev.
Formalization
of the dynamics of the functioning of petrochemical complexes based on the
theory of fuzzy sets and fuzzy logic. Computer and Systems Engineering
(2023)
|Conference paper| p.050014-1-050014-5.
https://doi.10.1063/5.0112403
https://scientific-jl.com/luch/
Часть-40_ Том-1_ Март-2025
139
4.
S.T. Yunusova., D.A. Halmatov., M.O. Atajonov. Malaysia,
Formalization of the Cotton Drying Process Based on Heat and Mass Transfer
Equations // IIUM Engineering Journal. (2020) –Vol.21. № 2. p.256–265:
https://doi.org/10.31436/iiumej.v21i2.1456.
5.
Muhiddin Atajonov., Qudrat Mamarasulov., Odiljon Zaripov. Study
of Solar Photoelectric Plant in Matlab (Simulink) Package. (2024) MPASE-2024.
Pp.12.
6.
Касимахунова А.М., Атажoнов М.О, Абдуллаева М.П.
«
Исследование технологий изготовления пленочных термоэлементов (bi
2
te
3
)
и (sb
2
te
3
) в современных термоэлектрических технологиях», Международная
научно-практическая
конференция
«проблемы
рационального
использования
природных
ресурсов
и
современные
технологии
переработкиугля»,
посвященная
90-летиюд.т.н.,
профессора
А.С.
Джаманбаева. Киргизия 2023. 30-01.12.2023г
7.
Касимахунова А.М., Атажoнов М.О, Абдуллаева М.П.
«Перспективы развития создания комбинированных преобразователей
альтернативной
энергии»,
Международная
научно-практическая
конференция «проблемы рационального использования природных ресурсов
и современные технологии переработки угля», посвященная 90-летиюд.т.н.,
профессора А.С. Джаманбаева. Киргизия 2023. 30-01.12.2023г.
8.
Атажонов.M.О.
Новые
конструкции
солнечных
воздухонагревателей. Международная научно-практическая конференция
посвященная 80 - летию Академии наук Узбекистана. Андижан – 2023. Ст.
200-203.
9.
Атажонов.M.О. Исследование гибридных фототермогенераторов
и их перспективы. Международная научно-практическая конференция
посвященная 80 - летию Академии наук Узбекистана. Андижан – 2023. Ст.
265-268.
https://scientific-jl.com/luch/
Часть-40_ Том-1_ Март-2025
140
10.
Атажонов.M.О. Улучшение эффективности фототермоэлемента.
«Критические проблемы использования возобновляемых энергетических
ресурсов, применения искусственного интеллекта и цифровых технологий в
повышении эффективности энергосберегающих устройств» научно-
техническая конференция. Ст. 496-498.
11.
М.О
Атажонов
Исследование
темогенераторов
как
альтернативных источников энергии. НамМТИ, Международная научно-
практическая конференция. 2023г май, 3-4, 2-том.Ст. 118-122.
12.
I.H. Sidikov M.O. Atajonov., S.T. Yunusova., M.F. Sherboyev
Adaptive Control System of Uncertain Dynamic Objects No Stationary
Parametrically. International Journal of Scientific & Technology Research Volume
8, Issue 12, December 2019. 1846-1849.
13.
М.О Атажонов. Нанокомпозитные пленки на основе системы
ZITO (ZnO In
2
O
3
-SnO
2
): перспективы термоэлектрического преобразования.
Prospects For Thermoelectric Conversion. Research and implementation, 2(3),
(2024) 152–157.
https://doi.org/10.5281/zenodo.10775304
14.
М.О Атажонов. Нанопроволочные солнечные элементы нового
поколения. “Research and implementation” Том 2 № 3 (2024)
DOI:10.5281/zenodo.10805267
