CIGS薄膜太陽能電池

1、CIGS薄膜太陽能電池介紹薄膜太陽能電池介紹二、二、銅銦硒（銅銦硒（CIS）薄膜太陽能電池介紹）薄膜太陽能電池介紹三、三、銅銦鎵硒（銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池介紹）薄膜太陽能電池介紹 學術界和產業(yè)界普遍認為太陽能電池的發(fā)展已經進入了第三代。第一代為單晶硅太陽能電池，第二代為多晶硅、非晶硅等太陽能電池，第三代太陽能電池就是銅銦鎵硒CIGS(CIS中摻入Ga)等化合物薄膜太陽能電池及薄膜Si系太陽能電池。 銅銦鎵硒薄膜太陽能電池是多元化合物薄膜電池的重要一員，由于其優(yōu)越的綜合性能，已成為全球光伏領域研究熱點之一。按制備材料的不同硅基太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池有機聚合物太陽能電池納米

2、晶太陽能電池主要:GaAs CdS CIGS目前,綜合性能最好的薄膜太陽能電池硅基太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池有機聚合物太陽能電池硅基太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池納米晶太陽能電池有機聚合物太陽能電池硅基太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池納米晶太陽能電池有機聚合物太陽能電池硅基太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池納米晶太陽能電池有機聚合物太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池硅基太陽能電池納米晶太陽能電池有機聚合物太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池硅基太陽能電池納米晶太陽能電池有機聚合物太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池硅基太陽能電池納米晶太陽能電池有機聚合物太陽能電池多元化合物薄膜太陽能

3、電池目前,綜合性能最好的薄膜太陽能電池主要:GaAs CdS CIGS目前,綜合性能最好的薄膜太陽能電池主要:GaAs CdS CIGS目前,綜合性能最好的薄膜太陽能電池硅基太陽能電池納米晶太陽能電池有機聚合物太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池主要:GaAs CdS CIGS目前,綜合性能最好的薄膜太陽能電池一、一、第三代太陽能電池第三代太陽能電池二、銅銦硒（二、銅銦硒（CIS）薄膜太陽能電池介紹）薄膜太陽能電池介紹簡介簡介 銅銦硒太陽能薄膜電池（簡稱銅銦硒電池）是在玻璃或其它廉價襯底上沉積若干層金屬化合物半導體薄膜，薄膜總厚度大約為23微米，利用太陽光發(fā)電。銅銦硒電池具有成本低、性 能穩(wěn)定、

4、抗輻射能力強等特性，光電轉換效率目前是各種薄膜太陽電池之首，正是由于其優(yōu)異的性能被國際上稱為下一時代的廉價太陽能電池，吸引了眾多機構及專家進行研究開發(fā)。但因為銅銦硒電池是多元化合物半導體器件，具有復雜的多層結構和敏感的元素配比，要求其工藝和制備條件極為苛刻，目前只有美國、日本、德國完成了中試線的開發(fā)，但尚未實現規(guī)?；a。突出特點：突出特點：CIS 太陽電池有轉換效率高、制造成本低、電池性能穩(wěn)定三大突出的特太陽電池有轉換效率高、制造成本低、電池性能穩(wěn)定三大突出的特點。點。轉換效率高轉換效率高CIS薄膜的禁帶寬度為1.04eV，通過摻入適量的通過摻入適量的Ga（鎵）以替代部分（鎵）以替代部分In

5、，成為Cu In1= xGaxSe2 (簡稱CIGS) 混溶晶體，薄膜的禁帶寬度可在1.041.7 eV 范圍內調整，這就為太陽電池最佳帶隙的優(yōu)化提供了新的途徑。所以, C IS (C IGS)是高效薄膜太陽電池的最有前途的光伏材料。美國NREL 使用三步沉積法制作的C IGS 太陽能電池的最高轉換效率為19.5%，是薄膜太陽電池的世界紀錄。制造成本低制造成本低吸收層薄膜CuInSe2是一種直接帶隙材料，光吸收率高達105量級，最適于太陽電池薄膜化，電池厚度可以做到23Lm，降低了昂貴的材料消耗。CIS 電池年產1. 5MW，其成本是晶體硅太陽電池的1/ 21/3，能量償還時間在一年之內，遠遠

6、低于晶體硅太陽電池。電池性能穩(wěn)定電池性能穩(wěn)定美國波音航空公司曾經制備91cm2的C IS 組件，轉換效率為6.5%。100MW/cm2光照7900 h 后發(fā)現電池效率沒有任何衰減，西門子公司制備的CIS電池組件在美國國家可再生能源實驗室(NREL ) 室外測試設備上，經受7年的考驗仍然顯示著原有的性能。三、銅銦鎵硒（三、銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池介紹）薄膜太陽能電池介紹 以銅銦鎵硒為吸收層的高效薄膜太陽能電池，簡稱為銅銦鎵硒電池CIGS電池。其典型結構是：Glass/Mo/CIGS/ZnS/ZnO/ZAO/MgF2。（多層膜典型結構：金屬柵/減反膜/透明電極/窗口層/過渡層/光吸收層/

7、背電極/玻璃） CIGS薄膜電池組成可表示成Cu(In1-xGax)Se2的形式，具有黃銅礦相結構，是CuInSe2和CuGaSe2的混晶半導體。 CIGS的晶體結構的晶體結構CuInSe2黃銅礦晶格結構lCuInSe2復式晶格:a=0.577,c=1.154l直接帶隙半導體，其光吸收系數高達105/cm量級l通過摻入適量的Ga以替代部分In，形成CulnSe2和CuGaSe2的固熔晶體lGa的摻入會改變晶體的晶格常數，改變了原子之間的作用力,最終實現了材料禁帶寬度的改變，在1.04一1.7eV范圍內可以根據設計調整，以達到最高的轉化效率非晶硅薄膜太陽能電池的優(yōu)點非晶硅薄膜太陽能電池的優(yōu)點 低

8、成本低成本 能量返回期短能量返回期短 大面積自動化生產大面積自動化生產 高溫性好高溫性好 弱光響應好弱光響應好( (充電效率高充電效率高) ) 其他其他 低成本低成本 單結晶硅太陽電池的單結晶硅太陽電池的厚度厚度0.5um0.5um。 主要原材料是生產高純多晶硅過程中使用的主要原材料是生產高純多晶硅過程中使用的硅烷硅烷，這種氣體，這種氣體，化學工業(yè)可大量供應，且十分便宜，制造一瓦非晶硅太陽能化學工業(yè)可大量供應，且十分便宜，制造一瓦非晶硅太陽能電池的原材料本約電池的原材料本約RMB3.5-4RMB3.5-4（效率高于（效率高于6%6%） 且晶體硅太陽電池的基本厚度為且晶體硅太陽電池的基本厚度為2

9、40-270um240-270um，相差，相差200200多倍，多倍，大規(guī)模生產需極大量的半導體級，僅硅片的成本就占整個太大規(guī)模生產需極大量的半導體級，僅硅片的成本就占整個太陽電池成本的陽電池成本的65-70%65-70%，在中國，在中國1 1瓦晶體硅太陽電池的硅材料瓦晶體硅太陽電池的硅材料成本已上升到成本已上升到RMB22RMB22以上。以上。 從原材料供應角度分析，人類大規(guī)模使用陽光發(fā)電，最終的從原材料供應角度分析，人類大規(guī)模使用陽光發(fā)電，最終的選擇只能是非晶硅太陽電池及其它薄膜太陽電池，別無它法！選擇只能是非晶硅太陽電池及其它薄膜太陽電池，別無它法！ 能量返回期短能量返回期短 轉換效率為

10、轉換效率為6%6%的非晶硅太陽電池，其生產用電約的非晶硅太陽電池，其生產用電約1.91.9度電度電/ /瓦，由它發(fā)電后返回的時間約為瓦，由它發(fā)電后返回的時間約為1.5-21.5-2年，這是晶硅太陽電年，這是晶硅太陽電池無法比擬的。池無法比擬的。 大面積自動化生產大面積自動化生產 目前，世界上最大的非晶硅太陽電池是目前，世界上最大的非晶硅太陽電池是Switzland UnaxisSwitzland Unaxis的的KAI-1200 PECVD KAI-1200 PECVD 設備生產的設備生產的1100mm1100mm* *1250mm1250mm單結晶非晶單結晶非晶硅太陽電池，起初是效率高于硅太

11、陽電池，起初是效率高于9%9%。其穩(wěn)定輸出功率接近。其穩(wěn)定輸出功率接近80W/80W/片。片。 商品晶體硅太陽電池還是以商品晶體硅太陽電池還是以156mm156mm* *156mm156mm和和125mm125mm* *125mm125mm為為主。主。 短波響應優(yōu)于晶體硅太陽電池短波響應優(yōu)于晶體硅太陽電池 上海尤力卡公司曾在中國甘肅省酒泉市安裝一套上海尤力卡公司曾在中國甘肅省酒泉市安裝一套65006500瓦非晶瓦非晶硅太陽能電站，其硅太陽能電站，其每千瓦發(fā)電量為每千瓦發(fā)電量為1300KWh1300KWh，而，而晶體硅太陽晶體硅太陽電池每千瓦的年發(fā)電量約為電池每千瓦的年發(fā)電量約為1100-120

12、0KWh1100-1200KWh。非晶硅太陽電池。非晶硅太陽電池顯示出其極大的使用優(yōu)勢。下圖為該電站的現場照片，第一顯示出其極大的使用優(yōu)勢。下圖為該電站的現場照片，第一代非晶硅太陽電池的以上優(yōu)點已被人們所接受。代非晶硅太陽電池的以上優(yōu)點已被人們所接受。20032003年以來年以來全世界太陽能市場需求量急劇上升，非晶硅太陽電池也出現全世界太陽能市場需求量急劇上升，非晶硅太陽電池也出現供不應求的局面。供不應求的局面。非晶硅太陽能電池存在的問題非晶硅太陽能電池存在的問題 效率較低效率較低 單晶硅太陽能電池，單體單晶硅太陽能電池，單體效率為效率為14%-17%(AMO)14%-17%(AMO)，而柔性

13、基體，而柔性基體非晶硅太陽電池組件（約非晶硅太陽電池組件（約10001000平方厘米）的平方厘米）的效率為效率為10-12%10-12%，還存在一定差距。還存在一定差距。 相同的輸出電量所需太陽能電池面積增加，對于對太陽能電相同的輸出電量所需太陽能電池面積增加，對于對太陽能電池占地面積要求不高的場合尤其適用，如農村和西部地區(qū)。池占地面積要求不高的場合尤其適用，如農村和西部地區(qū)。 我國目前尚有約我國目前尚有約2800028000個村莊、個村莊、700700萬戶、大約萬戶、大約30003000萬農村人萬農村人口還沒有用上電，口還沒有用上電， 60% 60%的有電縣嚴重缺電；光致衰減效應也的有電縣嚴

14、重缺電；光致衰減效應也可在電量輸出中加以考慮，我們認為以上缺點已不成為其發(fā)可在電量輸出中加以考慮，我們認為以上缺點已不成為其發(fā)展的障礙，非晶硅太陽能電池已迎來新的發(fā)展機遇。展的障礙，非晶硅太陽能電池已迎來新的發(fā)展機遇。 穩(wěn)定性問題穩(wěn)定性問題 非晶硅太陽能電池的非晶硅太陽能電池的光致衰減光致衰減，所謂的，所謂的W-SW-S效應，是影效應，是影響其大規(guī)模生產的重要因素。目前，柔性基體非晶硅響其大規(guī)模生產的重要因素。目前，柔性基體非晶硅太陽能電池穩(wěn)定效率已超過太陽能電池穩(wěn)定效率已超過10%10%，已具備作為空間能源，已具備作為空間能源的基本條件。的基本條件。 成本問題成本問題 非晶硅太陽能電池投資額

15、是晶體硅太陽能電池的非晶硅太陽能電池投資額是晶體硅太陽能電池的5 5倍左倍左右右，因此項目投資有一定的資金壁壘。，因此項目投資有一定的資金壁壘。且，成本回收且，成本回收周期較長，昂貴的設備折舊率是大額回報率的一大瓶周期較長，昂貴的設備折舊率是大額回報率的一大瓶頸。頸。非晶硅太陽電池的市場非晶硅太陽電池的市場 大規(guī)模地成本發(fā)電站大規(guī)模地成本發(fā)電站 19961996年美國年美國APSAPS公司在美國加州建了一個公司在美國加州建了一個400400千瓦的非晶硅電千瓦的非晶硅電站站, ,引起光伏產業(yè)振動。引起光伏產業(yè)振動。 MassMass公司公司( (歐洲第三大太陽能系統公司歐洲第三大太陽能系統公司)

16、 )去年從中國進口約去年從中國進口約5MWp5MWp的非晶硅太陽能電池。的非晶硅太陽能電池。 日本日本CANECACANECA公司年產公司年產25MWp25MWp的非晶硅太陽能電池大部分輸往的非晶硅太陽能電池大部分輸往歐洲建大型發(fā)電站歐洲建大型發(fā)電站( (約每座約每座500KWp-1000KWp)500KWp-1000KWp)。 德國德國RWESCHOOTTRWESCHOOTT公司也具有公司也具有30MWp30MWp年產量年產量, ,全部用于建大規(guī)模全部用于建大規(guī)模太陽能電站。太陽能電站。CIGS電池的發(fā)展歷史及研究現狀電池的發(fā)展歷史及研究現狀70年代Bell實驗室Shaly等人系統研究了三元

17、黃銅礦半導體材料CIS的生長機理、電學性質及在光電探測方面的應用 1974年，Wagner利用單晶ClS研制出高效太陽能電池,制備困難制約了單晶ClS電池發(fā)展1976年，Kazmerski等制備出了世界上第一個ClS多晶薄膜太陽能電池80年代初，Boeing公司研發(fā)出轉換效率高達9.4%的高效CIS薄膜電池80年代期間，ARCO公司開發(fā)出兩步(金屬預置層后硒化)工藝，方法是先濺射沉積Cu、In層，然后再在HSe中退火反應生成CIS薄膜，轉換效率也超過10% 1994年，瑞典皇家工學院報道了面積為0.4cm效率高達17.6%的ClS太陽能電池90年代后期，美國可再生能源實驗室(NREL)一直保持

18、著CIS電池的最高效率記錄，并1999年，將Ga代替部分In的CIGS太陽能電池的效率達到了18.8%，2008年更提高到19.9% 薄膜太陽能電池發(fā)展的歷程CIGS的光學性質及帶隙的光學性質及帶隙CISCIS材料是直接帶隙材料，材料是直接帶隙材料，Cu(In,Ga,Al)SeCu(In,Ga,Al)Se2,2,其帶隙在其帶隙在1.02eV-2.7eV1.02eV-2.7eV范圍范圍變化，覆蓋了可見太陽光譜變化，覆蓋了可見太陽光譜lIn/GaIn/Ga比的調整可使比的調整可使CIGSCIGS材料的帶隙范圍覆蓋材料的帶隙范圍覆蓋1.01.0一一l.7eVl.7eV，CIGSCIGS其帶隙值隨其帶

19、隙值隨GaGa含量含量x x變化滿變化滿足下列公式其中，足下列公式其中，b b值的大小為值的大小為0.150.15一一0.24eV0.24eVlCIGS的性能不是Ga越多性能越好的，因為短路電流是隨著Ga的增加對長波的吸收減小而減小的。l當x=Ga/(Ga+In)0.3時，隨著x的增加，Eg減小，Voc也減小。l G.Hanna等也認為x=0.28時材料缺陷最少，電池性能最好。CIGS薄膜太陽能電池的結構薄膜太陽能電池的結構金屬柵電極減反射膜(MgF2)窗口層ZnO過渡層CdS光吸收層CIGS金屬背電極Mo玻璃襯底低阻AZO高阻ZnO金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜(MgF2)

20、金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS光吸收層CIGS過渡層CdS光吸收層CIGS過渡層CdS光吸收層CIGS窗口層ZnO過渡層CdS光吸收層CIGS金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射

21、膜(MgF2)金屬柵電極金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬背電極Mo光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬

22、柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬背電極Mo光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬背電極Mo光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極玻璃襯底金屬背電極Mo光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極CIGS薄膜太陽能電池的結構薄膜太陽能電池的結構結構原理結構原理l減反射膜：增加入射率lAZO： 低阻，高透，歐姆接觸li-ZnO：高阻，與CdS構成n區(qū)lCdS： 降低帶隙的不連續(xù)性，緩 沖晶格不匹配問題lC

23、IGS： 吸收區(qū)，弱p型，其空間電 荷區(qū)為主要工作區(qū)lMo: CIS的晶格失配較小且熱膨 脹系數與CIS比較接近銅銦鎵硒（銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池制備主要設備及主要測試設備：）太陽電池制備主要設備及主要測試設備：磁控濺射設備：磁控濺射設備：制備Mo電極、CuInGa合金預制層、本征i-ZnO和攙雜AL-ZnO(ITO)透明導電層、上電極硒化裝置：硒化裝置：對CuInGa合金預制層進行硒化，形成型的吸收層CuInxGa1-xSe2水浴反應槽：水浴反應槽：制備過渡層CdS或ZnS測試設備主要有：測試設備主要有：臺階儀，SEM，XRD, RAMAN、分度光透射儀、I-V分析系統等銅銦鎵硒（銅銦鎵

24、硒（CIGS）太陽電池制造工藝路）太陽電池制造工藝路線線 清潔基膜單元或多元磁控濺射沉積硒化防護膜隨機檢測印刷切割檢測組裝檢測包裝。CIGS薄膜太陽能電池的制備薄膜太陽能電池的制備CIGS薄膜太陽能電池的底電極Mo和上電極n-ZnO一般采用磁控濺射磁控濺射的方法,工藝路線比較成熟最關鍵的吸收層的制備有許多不同的方法，這些沉積制備方法包括:蒸發(fā)法、濺射后硒法、電化學沉積法、噴涂熱解法和絲網印刷法補充:磁控濺射1.襯底溫度保持在約350 左右，真空蒸發(fā)In，Ga，Se三種元素，首先制備形成(In，Ga)Se預置層。2.將襯底溫度提高到550一580，共蒸發(fā)Cu，Se，形成表面富Cu的薄膜。3.保持

25、第二步的襯底溫度不變，在富Cu的薄膜表面再根據需要補充蒸發(fā)適量的In、Ga、Se，最終得到的薄膜。三步共蒸發(fā)法 現在CIGS組件處于產業(yè)化初級階段，主要是美國、德國和日本等發(fā)達國家公司。其工藝各具特色，主要采用的都是真空濺射技術，區(qū)別主要是制備CIGS吸收層的部分工藝差別。下表給出了主要公司生產工藝比較?？梢钥闯觯钪髁餍问绞菫R射金屬預制層后硒化工藝。該工藝對濺射設備防腐要求低，維護簡單，生產過程更容易控制。也有采用四元化合物靶直接濺射CIGS的研究，由于設備防腐要求高，吸收層存在缺陷，濺射后仍需要熱退火處理，這種方法現階段沒有表現出產業(yè)化優(yōu)勢。 CIGS國內發(fā)展現狀國內發(fā)展現狀經過近20年的

26、努力,我國在光伏發(fā)電技術的研究方面，開發(fā)儲備了一定的技術基礎,先后在實驗室制備出了晶硅高效電池，多晶硅電池，非晶硅電池，以及CdTe和CIGS等等。國內最早開展CIGS研究的是南開大學，先后承擔了國家“十五”“863”等重點課題。在“銅銦硒太陽能薄膜電池實驗平臺與中試線”和天津市的支持下，南開大學光電子薄膜器件與技術研究所的研究取得了關鍵性突破，其采用共蒸發(fā)法制備的CIS薄膜電池效率在2003年達到了12.1%。2008年12月，位于天津濱海新區(qū)的“國家863銅銦硒薄膜太陽電池中試基地”研制出2936cm2的CIGS太陽電池組件，轉換效率達到7%。最近幾年，國內也有一些單位，如清華大學、北京大

27、學、華東師范大學等，也在開展CIS、CIGS薄膜太陽能電池制備工藝方面的研究工作,但是整體水平與國外的差距是非常大的。3、CIGS薄膜太陽能電池應用展望薄膜太陽能電池應用展望CIGS薄膜太陽能電池的底電極Mo和上電極n-ZnO一般采用磁控濺射的方法，工藝路線比較成熟。最關鍵的吸收層的制備必須克服許多技術難關，目前主要方法包括：共蒸發(fā)法、濺射后硒化法、電化學沉積法、噴涂熱解法和絲網印刷法等?，F在研究最廣泛、制備出電池效率比較高的是共蒸發(fā)和濺射后硒化法，被產業(yè)界廣泛采用。本征缺陷、雜質、錯配等均可影響CIGS材料的性能。制備性能優(yōu)良的CIGS太陽能電池，要盡量提高電池器件短路電流、開路電壓、包括填充因子等。由于CIGS吸收層優(yōu)異的光電特性，其短路電流一般可達3040mA/cm2，決定短路電流的另一個主要因素就是電池器件的串聯電阻，主要由上下電極的體電阻，各層接觸電阻構成。制備器件工藝中，主要需要優(yōu)化Mo電極、低阻ZnO的制備工藝，包括各層之間的匹配。作為異質結薄膜太陽能電池，控制其結特性將是制備高效電池核心。制備性能優(yōu)良CIGS薄膜太陽能電池的關鍵是提高器件的開路電壓。主要是盡可能減少器件的短路現象(漏電)。關鍵是要提高器件的并聯電阻。影響并聯電阻的主要因素有：電池內部缺陷、晶粒小、導致晶界過多、晶粒排