Солнечный элемент CIGS — тонкопленочное фотоэлектрическое устройство, использующее полупроводниковые слои селенида меди-индия-галлия (CIGS) для поглощения солнечного света и преобразования его в электричество. Хотя солнечные элементы CIGS считаются находящимися на ранних стадиях крупномасштабной коммерциализации, они могут быть произведены с помощью процесса, который имеет потенциал для снижения стоимости производства фотоэлектрических устройств. По мере улучшения характеристик, однородности и надежности продукции на основе CIGS эта технология может значительно расширить свою долю на рынке и в конечном итоге стать «разрушительной» технологией. Кроме того, учитывая опасность добычи и использования кадмия, солнечные элементы CIGS представляют меньшую угрозу для здоровья и окружающей среды, чем солнечные элементы на основе теллурида кадмия, с которыми они конкурируют.
Солнечные элементы CIGS представляют собой тонкую пленку из селенида индия меди и селенида галлия меди и незначительного количества натрия. Пленка CIGS выступает в качестве полупроводника с прямой полосой пропускания и образует гетеропереход, поскольку полосы пропускания двух различных материалов неравнозначны. Тонкопленочный элемент наносится на подложку, например, содовое стекло, металл или полиамидную пленку, для формирования контакта задней поверхности. Если в качестве подложки выбран непроводящий материал, то в качестве проводника используется металл, например молибден. Передняя поверхность контакта должна быть способна проводить электричество и быть прозрачной, чтобы свет попадал в ячейку. Для обеспечения омического контакта используются такие материалы, как оксид индия-олова, легированный оксид цинка или, в последнее время, современные органические пленки на основе наноинженерного углерода.
Ячейки устроены таким образом, что свет проникает через прозрачный передний омический контакт и поглощается слоем CIGS. Там образуются электронно-дырочные пары. На гетеропереходе материалов p- и n-типа на легированной кадмием поверхности ячейки CIGS образуется «область обеднения». Это отделяет электроны от дырок и позволяет им генерировать электрический ток (см. также солнечный элемент). В 2014 году в лабораторных экспериментах был получен рекордный КПД в 23,2 процента для ячейки CIGS с модифицированной структурой поверхности. Однако коммерческие ячейки CIGS имеют более низкий КПД, большинство модулей достигают конверсии около 14 процентов.
В процессе производства осаждение пленок CIGS на подложку часто происходит в вакууме с использованием испарительного или напылительного процесса. Медь, галлий и индий осаждаются поочередно и отжигаются с парами селенида, в результате чего образуется конечная структура CIGS. Осаждение можно проводить без вакуума, используя наночастицы или гальваническое покрытие, однако эти методы требуют более глубокого развития, чтобы быть экономически эффективными в крупных масштабах. В настоящее время разрабатываются новые подходы, которые больше похожи на технологии печати, чем на традиционное производство кремниевых солнечных батарей. В одном случае принтер наносит капли полупроводниковых чернил на алюминиевую фольгу. Последующий процесс печати наносит дополнительные слои и передний контакт поверх этого слоя; затем фольга разрезается на листы.
Солнечные элементы CIGS можно изготавливать на гибких подложках, что делает их пригодными для различных применений, для которых не подходят современные кристаллические фотоэлектрические элементы и другие жесткие продукты. Например, гибкие солнечные элементы CIGS предоставляют архитекторам более широкие возможности для стилизации и дизайна. Солнечные элементы CIGS весят в разы меньше кремниевых и могут быть изготовлены без стекла, чтобы быть устойчивыми к ударам. Они могут быть интегрированы в транспортные средства, такие как тракторные прицепы, самолеты и автомобили, поскольку их низкий профиль минимизирует сопротивление воздуха, и они не добавляют значительного веса.
