薄膜太陽能電池及制造工藝ppt課件

1、薄膜太陽能電池及制造工藝薄膜太陽能電池及制造工藝1.地球天然資源有限，物以稀為貴，原油價格將持續(xù)飚漲地球天然資源有限，物以稀為貴，原油價格將持續(xù)飚漲世界和中國主要常規(guī)能源儲量預(yù)測世界和中國主要常規(guī)能源儲量預(yù)測I.I.太陽能電池技術(shù)及光伏產(chǎn)業(yè)背景知太陽能電池技術(shù)及光伏產(chǎn)業(yè)背景知識識2全球能源短缺，而且分布不均勻，尤其是發(fā)展中國家能源匱乏。全球能源短缺，而且分布不均勻，尤其是發(fā)展中國家能源匱乏。NASA拍攝的地球夜晚衛(wèi)星圖片拍攝的地球夜晚衛(wèi)星圖片319281928年與年與20042004年阿根廷的冰川消退對照年阿根廷的冰川消退對照 溫室效應(yīng)使地球平均氣溫持續(xù)升高溫室效應(yīng)使地球平均氣溫持續(xù)升高4京都

2、議定書的實(shí)施，世界各國降低溫室氣體排放，實(shí)行減碳京都議定書的實(shí)施，世界各國降低溫室氣體排放，實(shí)行減碳措施，重視地球環(huán)保，開發(fā)潔凈新能源刻不容緩。措施，重視地球環(huán)保，開發(fā)潔凈新能源刻不容緩。520062006年中國一次能源消費(fèi)構(gòu)成年中國一次能源消費(fèi)構(gòu)成能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不合理能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不合理煤炭比例過高煤炭比例過高6中國未來電力發(fā)展的預(yù)測（中國電力科學(xué)院）中國未來電力發(fā)展的預(yù)測（中國電力科學(xué)院）電力缺口逐年增加電力缺口逐年增加7人類未來人類未來50年面臨的十大問題，以年面臨的十大問題，以“能源能源”問題為首。問題為首。8我我們們可以怎可以怎樣樣解決能源解決能源危機(jī)危機(jī)？1. 增加及改善能源 (煤、石

3、油、天然氣)的生產(chǎn) 2. 節(jié)約及保護(hù)能源3. 利用其它能源(可再生能源)9缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：有限資源；價格昂貴；環(huán)境破壞。非再生能源非再生能源( (Non-renewable energy) )A. 煤煤B. 石油石油C. 天然氣天然氣10節(jié)約及保護(hù)能源節(jié)約及保護(hù)能源 把不需要的電器用品關(guān)掉。 減少在夏季使用冷氣的機(jī)會。 盡量使用公共交通工具。 使用節(jié)省能源的汽車或機(jī)器。11尋找新型清潔能源是解決問題的唯一途徑尋找新型清潔能源是解決問題的唯一途徑可再生能源可再生能源 不斷補(bǔ)充（Constantly replenishing） 用之不竭（Inexhaustible）分類分類 太陽能、風(fēng)能、生物能、地?zé)?/p>

4、能、水利發(fā)電、氫能、 海洋能12使用其它能源使用其它能源(再生再生動動力力資源資源) 水力發(fā)電水力發(fā)電 (H.E.P) 風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電 (Wind Power)13 地?zé)崮馨l(fā)電地?zé)崮馨l(fā)電 太陽能發(fā)電太陽能發(fā)電14 潮汐發(fā)電潮汐發(fā)電15可再生能源的優(yōu)點(diǎn)可再生能源的優(yōu)點(diǎn) 環(huán)保（環(huán)保（Environmental benefits） 可持續(xù)（可持續(xù)（Sustainability） 能源安全（能源安全（Energy security）16太陽給地球太陽給地球1.5天提供的能量相當(dāng)于全球可天提供的能量相當(dāng)于全球可 供開采石油的總量（供開采石油的總量（3萬億桶）。萬億桶）。太陽給地球太陽給地球1小時的能量

5、可供全球人類使用小時的能量可供全球人類使用 一年。一年。 太陽提供給地球太陽提供給地球1秒鐘的能量，相當(dāng)于秒鐘的能量，相當(dāng)于2008 年汶川年汶川8.0級地震所釋放的能量。級地震所釋放的能量。1、數(shù)量巨大：太陽能夠給地球提供驚人的能量。、數(shù)量巨大：太陽能夠給地球提供驚人的能量。太陽能的優(yōu)點(diǎn)：太陽能的優(yōu)點(diǎn)：太陽能：唯一的兆兆瓦量級再生能源！太陽能：唯一的兆兆瓦量級再生能源！地球上幾乎所有地方都能使用太陽能。地球上幾乎所有地方都能使用太陽能。17世界能源發(fā)展趨勢世界能源發(fā)展趨勢2 2、時間長久：、時間長久： 太陽能發(fā)電在全球未來能源結(jié)構(gòu)中扮演著重要的地位。太陽能發(fā)電在全球未來能源結(jié)構(gòu)中扮演著重要的

6、地位。太陽能：取之不盡，用之不竭！太陽能：取之不盡，用之不竭！183 3、普照大地、普照大地 太陽輻射能“送貨上門”，既不需要開采和挖掘，也不需要運(yùn)輸。普天之下，無論大陸或海洋，無論高山或島嶼，都一視同仁“。既無”專利“可言，也不可能進(jìn)行壟斷，開發(fā)和利用都極為方便。世界太陽能資源地圖世界太陽能資源地圖陽光對地球各個地區(qū)的供應(yīng)比其他資源的供應(yīng)公平得多。陽光對地球各個地區(qū)的供應(yīng)比其他資源的供應(yīng)公平得多。194 4、清潔安全、清潔安全對防止地球溫暖化，減輕對地球環(huán)境的貢獻(xiàn)從太陽能發(fā)電系統(tǒng)排放的二氧化碳，即使是考慮其生產(chǎn)過程的排放量，也絕對少于傳統(tǒng)的燃料發(fā)電設(shè)備，是防止地球溫暖化的環(huán)保設(shè)備。同時在發(fā)電

7、時，不排放氧化硫，氧化氮等污染物, 減輕了對環(huán)境的壓力。 太陽能素有太陽能素有“干凈能源干凈能源”和和“安全能源安全能源”之稱。它不僅毫無污染，遠(yuǎn)比常規(guī)之稱。它不僅毫無污染，遠(yuǎn)比常規(guī)能源清潔；也毫無危險，遠(yuǎn)比原子核能安全。能源清潔；也毫無危險，遠(yuǎn)比原子核能安全。20例例:3:3W W太陽能發(fā)電系統(tǒng)對環(huán)境污染物的削減量太陽能發(fā)電系統(tǒng)對環(huán)境污染物的削減量石油替代量:729L/年減排放CO2能力:540kg-C/年森林面積換算:5544m221對能源和節(jié)能的貢獻(xiàn)對能源和節(jié)能的貢獻(xiàn)太陽能電池2.2年的發(fā)電量即可收回制造太陽能電池時使用的電力22三分之二的國土面積年日照小時數(shù)在三分之二的國土面積年日照小

8、時數(shù)在22002200小時以上小時以上年太陽輻射總量大于每平方米年太陽輻射總量大于每平方米50005000兆焦。兆焦。中國太陽能資源分布情況中國太陽能資源分布情況23中國有中國有12%12%國土面積為沙漠或戈壁灘，這些地區(qū)年日照小時數(shù)在國土面積為沙漠或戈壁灘，這些地區(qū)年日照小時數(shù)在32003200小時以上，如果在這些地區(qū)全部安裝太陽能電池發(fā)電，其電力小時以上，如果在這些地區(qū)全部安裝太陽能電池發(fā)電，其電力足于供給全球使用。其發(fā)展?jié)摿h(yuǎn)遠(yuǎn)沒有挖掘出來。足于供給全球使用。其發(fā)展?jié)摿h(yuǎn)遠(yuǎn)沒有挖掘出來。中國沙漠戈壁分布情況中國沙漠戈壁分布情況24太陽能的利用太陽能的利用 太陽能的利用可以分為兩種：即光光

9、- -熱轉(zhuǎn)化熱轉(zhuǎn)化利用和光光- -電轉(zhuǎn)化電轉(zhuǎn)化利用。 太陽能集熱器太陽能熱水系統(tǒng) 暖房 太陽能熱水器太陽能熱水器太陽能灶太陽能灶25太陽能電池原理太陽能電池原理 太陽能電池（英文為Solar Cell）是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片。它只要被光照射，瞬間就可輸出電流。在物理學(xué)上稱為光伏（Photovoltaic）。 簡單的說，太陽光電的發(fā)電原理，是利用太陽電池吸收一定波長的太陽光，將光能直接轉(zhuǎn)變成電能輸出的一種發(fā)電方式。 26太陽能電池技術(shù)發(fā)展：太陽能電池技術(shù)發(fā)展： 第一代太陽能電池：結(jié)晶硅類，單晶硅、多晶硅太陽能電池。第一代太陽能電池：結(jié)晶硅類，單晶硅、多晶硅太陽能電池。 第二代太

10、陽能電池：薄膜太陽能電池，如硅基薄膜電池，第二代太陽能電池：薄膜太陽能電池，如硅基薄膜電池，CIGS 薄膜等。薄膜等。 第三代太陽能電池：量子點(diǎn)型新概念，新結(jié)構(gòu)的電池，如染料第三代太陽能電池：量子點(diǎn)型新概念，新結(jié)構(gòu)的電池，如染料 敏化電池，有機(jī)薄膜電池，納米結(jié)構(gòu)電池敏化電池，有機(jī)薄膜電池，納米結(jié)構(gòu)電池 等。等。第四代太陽能電池：熱電子型。第四代太陽能電池：熱電子型。 27太陽能電池轉(zhuǎn)換效率世界記錄太陽能電池轉(zhuǎn)換效率世界記錄28高效太陽電池榜高效太陽電池榜29技術(shù)路線技術(shù)路線實(shí)驗(yàn)室最高實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率批量生產(chǎn)批量生產(chǎn)效率效率組件成本組件成本（美元（美元/W/W）優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)晶體硅太晶體

11、硅太陽能電池陽能電池單晶硅單晶硅24.70%24.70%17%17%2.292.29硅耗大、成本高硅耗大、成本高多晶硅多晶硅20.30%20.30%16%16%2.252.25硅耗大、成本高硅耗大、成本高薄膜太陽薄膜太陽能電池能電池非晶硅薄膜電非晶硅薄膜電池池12.80%12.80%6%-7%6%-7%1.0-1.51.0-1.5硅耗小、投資大、有衰硅耗小、投資大、有衰減減其他其他聚光太陽能電池聚光太陽能電池40.70%40.70%30%30%3 3效率高、成本高效率高、成本高三種主要光伏發(fā)電技術(shù)比較三種主要光伏發(fā)電技術(shù)比較30太陽能光伏術(shù)語：太陽能光伏術(shù)語： 光伏 (Photovoltaic

12、, PV)光能到電能的直接轉(zhuǎn)換 太陽能電池（Solar cells）太陽能電池模組（Solar modules）太陽能電池板（Solar panels）建筑光伏一體化（Building Integrated Photovoltaics，BIPV）非晶硅（amorphous Silicon, a-Si ）多晶硅（polycrystalline silicon, p-Si）單晶硅（crystalline silicon, c-Si）銅銦鎵硒（Copper Indium Gallium Diselenide, CIGS）31電池電池模組模組陣列陣列32TUVTUV：德國萊茵技術(shù)監(jiān)護(hù)顧問公司的簡稱，它

13、的總部位于德國，是專門測試電子：德國萊茵技術(shù)監(jiān)護(hù)顧問公司的簡稱，它的總部位于德國，是專門測試電子產(chǎn)品安全的研究機(jī)構(gòu)，產(chǎn)品安全的研究機(jī)構(gòu)，TUVTUV的測試依據(jù)是按照的測試依據(jù)是按照IECIEC與與VDEVDE所訂的安規(guī)測試規(guī)范條例所訂的安規(guī)測試規(guī)范條例測試，因其產(chǎn)品必須先取得測試，因其產(chǎn)品必須先取得TUVTUV的安全認(rèn)證后，才能在歐洲市場上銷售。的安全認(rèn)證后，才能在歐洲市場上銷售。ULUL是英文保險商試驗(yàn)所（是英文保險商試驗(yàn)所（ Underwriter Laboratories Inc. Underwriter Laboratories Inc. ）的簡寫。）的簡寫。 ULUL安全安全試驗(yàn)所是

14、美國最有權(quán)威的，也是界上從事安全試驗(yàn)和鑒定的較大的民間機(jī)構(gòu)。它試驗(yàn)所是美國最有權(quán)威的，也是界上從事安全試驗(yàn)和鑒定的較大的民間機(jī)構(gòu)。它是一個獨(dú)立的、非營利的、為公共安全做試驗(yàn)的專業(yè)機(jī)構(gòu)。在美國，對消費(fèi)者來是一個獨(dú)立的、非營利的、為公共安全做試驗(yàn)的專業(yè)機(jī)構(gòu)。在美國，對消費(fèi)者來說說ULUL就是安全標(biāo)志的象征。全球，就是安全標(biāo)志的象征。全球， ULUL是制造廠商最值得信賴的合格評估提供者是制造廠商最值得信賴的合格評估提供者之一。之一。 33“CECE”標(biāo)志是一種安全認(rèn)證標(biāo)志，被視為制造商打開并進(jìn)入歐洲市場的護(hù)照。標(biāo)志是一種安全認(rèn)證標(biāo)志，被視為制造商打開并進(jìn)入歐洲市場的護(hù)照。CECE代代表歐洲統(tǒng)一（表歐

15、洲統(tǒng)一（CONFORMITE EUROPEENNE）。凡是貼有）。凡是貼有“CECE”標(biāo)志的產(chǎn)品就標(biāo)志的產(chǎn)品就可在歐盟各成員國內(nèi)銷售，無須符合每個成員國的要求，從而實(shí)現(xiàn)了商品在歐盟可在歐盟各成員國內(nèi)銷售，無須符合每個成員國的要求，從而實(shí)現(xiàn)了商品在歐盟成員國范圍內(nèi)的自由流通。在歐盟市場成員國范圍內(nèi)的自由流通。在歐盟市場“CECE”標(biāo)志屬強(qiáng)制性認(rèn)證標(biāo)志，不論是歐標(biāo)志屬強(qiáng)制性認(rèn)證標(biāo)志，不論是歐盟內(nèi)部企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，還是其他國家生產(chǎn)的產(chǎn)品，要想在歐盟市場上自由流通，盟內(nèi)部企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，還是其他國家生產(chǎn)的產(chǎn)品，要想在歐盟市場上自由流通，就必須加貼就必須加貼“CECE”標(biāo)志，以表明產(chǎn)品符合歐盟標(biāo)志，以表

16、明產(chǎn)品符合歐盟技術(shù)協(xié)調(diào)與標(biāo)準(zhǔn)化新方法技術(shù)協(xié)調(diào)與標(biāo)準(zhǔn)化新方法指令指令的基本要求。這是歐盟法律對產(chǎn)品提出的一種強(qiáng)制性要求。必須由總部位于歐盟的基本要求。這是歐盟法律對產(chǎn)品提出的一種強(qiáng)制性要求。必須由總部位于歐盟成員國的認(rèn)證機(jī)構(gòu)才可以簽發(fā)證書。自成員國的認(rèn)證機(jī)構(gòu)才可以簽發(fā)證書。自8080年代末以來，已有一批外資認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)年代末以來，已有一批外資認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)駐中國駐中國。34部件名稱:太陽能電池：吸收太陽能, 將太陽能轉(zhuǎn)換成直流電能；控制器：控制蓄電池的充放電深度, 延長蓄電池使用壽命；蓄電池：儲存太陽能電池板產(chǎn)生的電能, 必要時, 向負(fù)荷提供直流電力；逆變器：將直流輸入電力轉(zhuǎn)換成交流電力輸出。系統(tǒng)簡介

17、系統(tǒng)簡介35History - 1975Breakthrough neededThin filmsRemote habitationConcentrationSolar farmsWafered silicon too expensive36History - 1975Breakthrough neededThin filmsRemote habitationConcentrationSolar farmsU.S. D.O.E. wafered silicon programResidential/commercial grid connectedWafered silicon too exp

18、ensiveWhat actually happened37Issues today Silicon panels Past: accidental technology Present: clear technology of choice, continued cost reduction Future: crossroads, but not going away Thin film Efficiencies finally becoming competitive But theres more to the story than just efficiencies Best on b

19、ig, commercial roofs with lots of space? Concentration No longer just thermal-only But installers dont want moving parts Predicated on silicon being expensive38Benefits and drawbacksSilicon PVThin FilmConventional ConcentrationLow silicon consumptionLow costHigh efficiencyLow maintenanceAll climates

20、39Cost Development 2002 - 2010SiliconWaferCellModule40Reduced wafer thickness over 10 years1995 20002004200520062007100125156156156156 / 210 mm length of wafer edge Wafer thickness, produced industrially m main thickness 400340 330330300300270 270270 270270 240240 240 210210210210210 210 180 180100

21、200 300 400 Wafer thickness m41 Silicon foil technology development Edge definedFilm-fed GrowthString RibbonSilicon Sheet from PowderRibbon Growth on Substrate421. Thin-Film deposition of 100 meter plus rolls2. Cell / Submodule Manufacturing3. Module Finishing4. DeploymentProcess to Product43Product

22、s to MarketRugged EnvironmentCommercial ProductsStandard Solar ModulesSilicon Cell Replacement4445464748495051525354555657585960616263646566676869707172（三）、薄膜電池制造產(chǎn)業(yè)鏈分析（三）、薄膜電池制造產(chǎn)業(yè)鏈分析 在金融危機(jī)之前，高昂的多晶硅價格制約了光伏產(chǎn)品的應(yīng)用發(fā)展，在這種情況下，不少人對低價的薄膜太陽能電池寄予厚望，認(rèn)為它將是晶體硅電池最大的競爭對手。但是這場危機(jī)沖擊得海外市場嚴(yán)重萎縮，導(dǎo)致多晶硅價格暴跌，因此業(yè)內(nèi)又有了“薄膜電池優(yōu)勢不在

23、”的論斷?！斑@些年薄膜電池在太陽能電池領(lǐng)域中一直處于一種非主流位置，主要原因就是效率不高。在發(fā)現(xiàn)衰減效應(yīng)后，當(dāng)時的非晶硅太陽能薄膜電池變成了一種弱光電池，用于手機(jī)、表、計(jì)算器等小物品上。我國引進(jìn)了該技術(shù)后發(fā)展迅速，擠垮了很多國外企業(yè)，現(xiàn)在世界絕大多數(shù)的太陽能薄膜弱光電池都在中國生產(chǎn)?！?薄膜和晶體硅的應(yīng)用領(lǐng)域有差異，晶體硅的轉(zhuǎn)換效率高，使用面積小，用在屋頂非常有優(yōu)勢。但從客戶角度看，他們最關(guān)心的還是系統(tǒng)電價，例如建大規(guī)模電站的話，薄膜電池就更有優(yōu)勢，因?yàn)槊娣e大，系統(tǒng)電價就低。此外，做光電建筑一體化的話，薄膜電池也更有優(yōu)勢?！?“不能以轉(zhuǎn)換率論英雄，價格才是核心。 73 在光伏業(yè)內(nèi)，關(guān)于硅基太陽

24、電池與薄膜電池的博弈一直沒有停止過，但是我們看到的事實(shí)卻是：在技術(shù)創(chuàng)新意識和能力突飛猛進(jìn)的21世紀(jì)，低價且有極大工藝改良性的產(chǎn)品永遠(yuǎn)能吸引投資者的目光。所以，在光伏建筑一體化愈演愈烈的今天，在“中國百萬屋頂”、“金太陽工程”政策指引下，薄膜電池將在這一領(lǐng)域擁有絕對的優(yōu)勢。 建設(shè)1兆瓦光伏電站晶硅/非晶薄膜組件比較 晶硅組件非晶薄膜組件電站造價2800-3000萬元1000-1500萬元年發(fā)電量 晶硅電站高出10-15%每度電的發(fā)電成本 晶硅的40-45%74 薄膜電池大規(guī)模商用的前提是提高光電轉(zhuǎn)換效率。雖然薄膜電池的技術(shù)在幾十年間有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但截至目前，沒有一家薄膜太陽能電池公司宣布，

25、轉(zhuǎn)換效率超過10%，一般在6%左右，浙江正泰號稱其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到9%，這在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)屬于最高。即便如此也只是硅基電池的一半。不過，由于耗電省、造價低，成本優(yōu)勢顯現(xiàn)，薄膜電池開始受到青睞。一些多晶硅電池企業(yè)，也開始大手筆地引進(jìn)薄膜電池生產(chǎn)線。更多的企業(yè)，直接開始制造薄膜電池，如河北保定的天威英利投資12億元，從國外引進(jìn)了46.5兆瓦的薄膜電池生產(chǎn)線，在今年8月28日已經(jīng)開始量產(chǎn)?？偛课挥谏虾５膹?qiáng)生光電，也在江蘇南通、蘇州等地開建薄膜電池示范區(qū)。 但是，同國際領(lǐng)先水平相比，我國薄膜電池的研究存在一定的差距。 75 現(xiàn)在國際上發(fā)展比較成熟的太陽能薄膜電池包括三種，非晶硅太陽能薄膜電池、碲化鎘太陽能

26、電池和銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池，其中應(yīng)用最普遍的是非晶硅太陽能薄膜電池，我國的很多企業(yè)和國外的EPV SOLAR、日本的Kenaka、夏普等都生產(chǎn)此種電池。碲化鎘（CdTe）電池的主要生產(chǎn)企業(yè)是美國的Fisrt solar，由于其中的鎘元素有毒，該企業(yè)承諾回收所有廢棄電池。CIGS電池由于所含元素多使其生產(chǎn)穩(wěn)定性難以把握，重復(fù)性較差使其進(jìn)行大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)比較困難。所以盡管BP、殼牌公司等已將其光電轉(zhuǎn)換率大幅提高，但產(chǎn)能擴(kuò)展有限，現(xiàn)在只有少量企業(yè)在進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)。 76 與晶體硅相比，硅基薄膜電池制造產(chǎn)業(yè)鏈短得多，整個工序在一家公司即可完成。硅基薄膜電池的生產(chǎn)流程圖77硅基薄膜太陽電池生

27、產(chǎn)線硅基薄膜太陽電池生產(chǎn)線7879808182838485Solar Cell Roll-to-Roll Process Flow(w/ 30MW Production Tool Costs)Clean Substrate(Future process step)Sputter Back Electrode Sputter PrecursorSelenide Precursor(13-inch tool under construction)CdS Plated Junction(13-inch tool under construction)Sputter Top ElectrodePass

28、ivate Defects (Future process step)Slit into ReelsEdge & Test Send Reels to Interconnect and module assembly process$800K$1,200K $1,300K $700K $800K$700K$1,200K$800K$2,500KPost-deposition process is under development86CIGS簡介簡介 銅銦鎵硒 CIGS(Copper Indium Gallium Selenium)屬于化合物半導(dǎo)體，CIGS隨著銦鎵含量的不同，其光吸收范

29、圍可從1.02ev至1.68ev。 若是利用聚光裝置的輔助，目前轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)可達(dá)30%，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境測試下元件轉(zhuǎn)換效19.5%，采用柔性塑料基板的最佳轉(zhuǎn)換效率也已經(jīng)達(dá)到14.1%。 美國Nanosolar公司獲得重大突破，研發(fā)出roll to roll的方式-CIGS薄膜太陽能電池，不僅輕巧、可塑性高，更適合大量生產(chǎn)，能大幅降低成本。 87What is CIGS? 0 500 1000150020000.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 CuGaSe ; a-Si2CuInS 2CuInSe ; c-Si2Solar spectrum AM 1.5Power density W/m 2 m

30、 Polycrystalline Thin Film Photovoltaic Solar Cell Based on the Copper Indium Gallium Diselenide (CIGS) Material SystemTypical Structure Molybdenum/CIGS/Cadmium Sulfide/Indium Tin OxideFormed on Substrates Glass Stainless Steel PolymerSLG or SS substrateMo back contactp-type CIGS absorbern-type CdS

31、buffern-type ZnO/ITO window Ag top contact grid0.5 1.5 m1.5 2.5 m0.03 0.08 m0.5 1.5 m1.8 m88CIGS優(yōu)勢條件優(yōu)勢條件 優(yōu)於單晶光伏元件的要素: (1)成本低 (2)製程能源需求低 (3)大面積元件高效 (4)產(chǎn)成品高 (5)應(yīng)用範(fàn)圍廣泛 (玻璃基板、銹鋼、 塑膠聚合物、錫箔等 可撓式基板)。 優(yōu)於其他薄膜光伏元件的要素: (1)元件轉(zhuǎn)換效最高 (2)穩(wěn)定與抗射特性好 (3)無環(huán)境污染以及產(chǎn)阻礙 問題 (4)無法克服質(zhì)p 型吸收層 歐姆接點(diǎn)89Optical Band-Gap/Composition/Ef

32、ficiencyAbsorber band gap (eV)theoreticalHigh efficiency range90CIGS太陽能電池元件結(jié)構(gòu)太陽能電池元件結(jié)構(gòu)Glass / Stainless Steel / Polymer基板基板CIGS (1.52m)Mo (0.51.5m)背電極背電極吸收層吸收層CdS(0.05m)緩衝層緩衝層i-ZnO(0.05m)純質(zhì)氧化鋅純質(zhì)氧化鋅TCO (ZnO:Al)(0.51.5m)透明導(dǎo)電層透明導(dǎo)電層頂端電極頂端電極 Ni / Al Sputter Vacuum methodNon-Vacuum methodChemical Bath dep

33、ositionSputter91ZnO, ITO2500 CdS700 Mo0.5-1 mGlass,Metal Foil,PlasticsCIGS1-2.5 mCIGS Device Structure92CIGS太陽能電池元件結(jié)構(gòu)太陽能電池元件結(jié)構(gòu)通常使用鈉玻璃(Soda-lime) 基板，鈉玻璃除了價格便宜外，熱膨脹係數(shù)與CIGS 吸收層薄膜相當(dāng)接近。在成長薄膜時，因基板溫接近鈉玻璃的玻璃軟化溫，所以鈉離子將會經(jīng)過鉬金屬薄膜層擴(kuò)散至吸收層。當(dāng)鈉離子跑至CIGS 薄膜時，會使薄膜的晶粒變大，且增加導(dǎo)電性，降低串聯(lián)電阻。Glass / Stainless Steel / Polymer93C

34、IGSCIGS太陽能電池元件結(jié)構(gòu)太陽能電池元件結(jié)構(gòu) 用直濺鍍或者電子束蒸鍍的方式積一層鉬(Mo)當(dāng)作背電極，接正極。 鉬金屬與CIGS薄膜具有好之歐姆接觸特性，此外鉬金屬薄膜具有高的光反射性、低電阻。Glass / Stainless Steel / PolymerMo (0.51.5m)94CIGSCIGS太陽能電池元件結(jié)構(gòu)太陽能電池元件結(jié)構(gòu) 吸收層CIGS 本身具黃銅礦結(jié)構(gòu)(Chalaopyrite)，可以由化學(xué)組成的調(diào)變直接得到P-type 或者是N-type 。 Vacuum method (1) 共蒸鍍(Co-evaporation) (2) 濺鍍(Sputtering ) Non-

35、Vacuum method (1) 電鍍(Electrodeposition) (2) 涂布制程(Coating Process)Glass / Stainless Steel / PolymerCIGS (1.52m)Mo (0.51.5m)95CIGS Modules are Fabricated On:I.Soda lime glass as the substrate; cells are monolithically integrated using laser/mechanical scribing.Monolithic integration of TF solar cells

36、can lead to significant manufacturing cost reduction; e.g., fewer processing steps, easier automation, lower consumption of materials.96CIGS Modules are Fabricated On: (cont.)The number of steps needed to make thin film modules are roughly half of that needed for Si modules. This is a significant ad

37、vantage.SubstratepreparationBase ElectrodeAbsorberFirstScribeThirdScribeTopElectrodeJunctionLayerSecondScribeExternalContactsEncapsulationCIGS Modules Process Sequence97CIGS Modules are Fabricated On: (cont.)II. Metallic web using roll-to-roll deposition; individual cells are cut from the web; assem

38、bled into modules.III. Plastic web using roll-to-roll deposition; monolithic integration of cells.98Vacuum method- Co-evaporation1. In, Ga and Se were Co evaporated at 400 2. Cu and Se were codeposited while the substrate temperature was ramped up to 580 .3.In, Ga and Se were coevaporated still at 5

39、80 ，The samples were then cooled in Se atmosphere down to 250 3-stage process99CIGSCIGS太陽能電池元件結(jié)構(gòu)太陽能電池元件結(jié)構(gòu) 緩衝層硫化鎘可用來降低ZnO 與CIGS 間之能帶上的連續(xù)(band discontinuity) 。 使用化學(xué)水浴沉積法(chemical bath deposition，簡稱CBD) 成長可提供CIGS 上表面平整的均勻覆蓋。 緩衝層要求高透光，以便能使入射光順進(jìn)入主吸收層材料被有效的吸收。Glass / Stainless Steel / PolymerCIGS (1.52m)M

40、o (0.51.5m)CdS(0.05m)100化學(xué)浴沉積化學(xué)浴沉積法法化學(xué)浴沉積法 (Chemical bath deposition) 是一種製備半導(dǎo)體薄膜的技術(shù)，方法是將基板浸入含有金屬離子及OH-、S2- 或Se2- 離子的水溶液中，藉由控制水溶液的溫及pH 值，使金屬離子與OH-、S2- 或Se2- 離子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成化合物半導(dǎo)體沉積在基板上。101CIGS太陽能電池元件結(jié)構(gòu)太陽能電池元件結(jié)構(gòu) 透明導(dǎo)電膜(TCO) 要低電阻、高透光，但ZnO 本身是高電阻材料，因此外加鋁重?fù)诫s氧化鋅(ZnO: Al) 改善其電性，但是會降低透光，因此須在此找到最適合的摻雜濃 。 多半用RF 濺鍍

41、法(RF sputter)達(dá)成鍍膜。Glass / Stainless Steel / PolymerCIGS (1.52m)Mo (0.51.5m)CdS(0.05m)i-ZnO(0.05m)TCO (ZnO:Al)(0.51.5m)102CIGSCIGS太陽能電池元件結(jié)構(gòu)太陽能電池元件結(jié)構(gòu) 蒸鍍上鎳/鋁(Ni/Al)金層當(dāng)作頂層電極，接負(fù)極。 Glass / Stainless Steel / PolymerCIGS (1.52m)Mo (0.51.5m)CdS(0.05m)i-ZnO(0.05m)TCO (ZnO:Al)(0.51.5m)103Laboratory CIGS Coatin

42、g SystemPayout and Takeup RollersCoating DrumCuGa Magnetron SourceIndium Magnetron Source Selenium Evaporation SourceFuture Selenization Drum104Laboratory Metal & Oxide Coating SystemChrome & Molybdenum DepositionTransparent Conductive Oxide Deposition105 Scalable Deposition Technology 13” W

43、eb 1-meter Web Pilot 16” diameter drum to 54” 3 deposition sources to 12 13”- wide web to 39”- wide Minimal process changesPilot LineVolume Production Line Production106Internally Designed Equipment(13-inch Cad-Sulfide and Selenization Systems) Much lower manufacturing costs Faster turnaround Rapid

44、capacity expansion107Challenges108Long-Term Stability (Durability) Improved module package allowed CIGS to pass damp heat test (measured at 85C/85% relative humidity). CIGS modules have shown long-term stability. However, performance degradation has also been observed. CIGS devices are sensitive to

45、water vapor; e.g., change in properties of ZnO.- Thin Film Barrier to Water Vapor- New encapsulants and less aggressive application process Stability of thin film modules are acceptable if the right encapsulation process is used. Need for better understanding degradation mechanisms at the prototype

46、module level.109Processing Improvements:I.Uniform Deposition over large area: (a) significant for monolithic integration(b) somewhat relaxed for modules made from individual cellsII. Process speed and yield: some fabrication approaches have advantage over othersIII. Controls and diagnostics based on

47、 material properties and film growth: benefits throughput and yield, reliability and reproducibility of the process, and higher performance110Processing Improvements: (cont.)IV. Approaches to the thin film CIGS Deposition1. Multi-source evaporation of the elements- Produces the highest efficiency- Requires high source temperatures, e.g., Cu source operates at 1400-1600C- Inherent non-uniformity in in-line processing- Fast growth rates my become diffusion limited- Complexity of the hardware with controls and diagnostic- One of a kind hardware design and construction-