CIGS薄膜太阳能电池

1、CIGS薄膜太阳能电池介绍薄膜太阳能电池介绍二、二、铜铟硒（铜铟硒（CIS）薄膜太阳能电池介绍）薄膜太阳能电池介绍三、三、铜铟镓硒（铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池介绍）薄膜太阳能电池介绍 学术界和产业界普遍认为太阳能电池的发展已经进入了第三代。第一代为单晶硅太阳能电池，第二代为多晶硅、非晶硅等太阳能电池，第三代太阳能电池就是铜铟镓硒CIGS(CIS中掺入Ga)等化合物薄膜太阳能电池及薄膜Si系太阳能电池。 铜铟镓硒薄膜太阳能电池是多元化合物薄膜电池的重要一员，由于其优越的综合性能，已成为全球光伏领域研究热点之一。按制备材料的不同硅基太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池有机聚合物太阳能电池纳米

2、晶太阳能电池主要:GaAs CdS CIGS目前,综合性能最好的薄膜太阳能电池硅基太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池有机聚合物太阳能电池硅基太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池纳米晶太阳能电池有机聚合物太阳能电池硅基太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池纳米晶太阳能电池有机聚合物太阳能电池硅基太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池纳米晶太阳能电池有机聚合物太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池硅基太阳能电池纳米晶太阳能电池有机聚合物太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池硅基太阳能电池纳米晶太阳能电池有机聚合物太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池硅基太阳能电池纳米晶太阳能电池有机聚合物太阳能电池多元化合物薄膜太阳能

3、电池目前,综合性能最好的薄膜太阳能电池主要:GaAs CdS CIGS目前,综合性能最好的薄膜太阳能电池主要:GaAs CdS CIGS目前,综合性能最好的薄膜太阳能电池硅基太阳能电池纳米晶太阳能电池有机聚合物太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池主要:GaAs CdS CIGS目前,综合性能最好的薄膜太阳能电池一、一、第三代太阳能电池第三代太阳能电池二、铜铟硒（二、铜铟硒（CIS）薄膜太阳能电池介绍）薄膜太阳能电池介绍简介简介 铜铟硒太阳能薄膜电池（简称铜铟硒电池）是在玻璃或其它廉价衬底上沉积若干层金属化合物半导体薄膜，薄膜总厚度大约为23微米，利用太阳光发电。铜铟硒电池具有成本低、性 能稳定、

4、抗辐射能力强等特性，光电转换效率目前是各种薄膜太阳电池之首，正是由于其优异的性能被国际上称为下一时代的廉价太阳能电池，吸引了众多机构及专家进行研究开发。但因为铜铟硒电池是多元化合物半导体器件，具有复杂的多层结构和敏感的元素配比，要求其工艺和制备条件极为苛刻，目前只有美国、日本、德国完成了中试线的开发，但尚未实现规模化生产。突出特点：突出特点：CIS 太阳电池有转换效率高、制造成本低、电池性能稳定三大突出的特太阳电池有转换效率高、制造成本低、电池性能稳定三大突出的特点。点。转换效率高转换效率高CIS薄膜的禁带宽度为1.04eV，通过掺入适量的通过掺入适量的Ga（镓）以替代部分（镓）以替代部分In

5、，成为Cu In1= xGaxSe2 (简称CIGS) 混溶晶体，薄膜的禁带宽度可在1.041.7 eV 范围内调整，这就为太阳电池最佳带隙的优化提供了新的途径。所以, C IS (C IGS)是高效薄膜太阳电池的最有前途的光伏材料。美国NREL 使用三步沉积法制作的C IGS 太阳能电池的最高转换效率为19.5%，是薄膜太阳电池的世界纪录。制造成本低制造成本低吸收层薄膜CuInSe2是一种直接带隙材料，光吸收率高达105量级，最适于太阳电池薄膜化，电池厚度可以做到23Lm，降低了昂贵的材料消耗。CIS 电池年产1. 5MW，其成本是晶体硅太阳电池的1/ 21/3，能量偿还时间在一年之内，远远

6、低于晶体硅太阳电池。电池性能稳定电池性能稳定美国波音航空公司曾经制备91cm2的C IS 组件，转换效率为6.5%。100MW/cm2光照7900 h 后发现电池效率没有任何衰减，西门子公司制备的CIS电池组件在美国国家可再生能源实验室(NREL ) 室外测试设备上，经受7年的考验仍然显示着原有的性能。三、铜铟镓硒（三、铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池介绍）薄膜太阳能电池介绍 以铜铟镓硒为吸收层的高效薄膜太阳能电池，简称为铜铟镓硒电池CIGS电池。其典型结构是：Glass/Mo/CIGS/ZnS/ZnO/ZAO/MgF2。（多层膜典型结构：金属栅/减反膜/透明电极/窗口层/过渡层/光吸收层/

7、背电极/玻璃） CIGS薄膜电池组成可表示成Cu(In1-xGax)Se2的形式，具有黄铜矿相结构，是CuInSe2和CuGaSe2的混晶半导体。 CIGS的晶体结构的晶体结构CuInSe2黄铜矿晶格结构lCuInSe2复式晶格:a=0.577,c=1.154l直接带隙半导体，其光吸收系数高达105/cm量级l通过掺入适量的Ga以替代部分In，形成CulnSe2和CuGaSe2的固熔晶体lGa的掺入会改变晶体的晶格常数，改变了原子之间的作用力,最终实现了材料禁带宽度的改变，在1.04一1.7eV范围内可以根据设计调整，以达到最高的转化效率非晶硅薄膜太阳能电池的优点非晶硅薄膜太阳能电池的优点 低

8、成本低成本 能量返回期短能量返回期短 大面积自动化生产大面积自动化生产 高温性好高温性好 弱光响应好弱光响应好( (充电效率高充电效率高) ) 其他其他 低成本低成本 单结晶硅太阳电池的单结晶硅太阳电池的厚度厚度0.5um0.5um。 主要原材料是生产高纯多晶硅过程中使用的主要原材料是生产高纯多晶硅过程中使用的硅烷硅烷，这种气体，这种气体，化学工业可大量供应，且十分便宜，制造一瓦非晶硅太阳能化学工业可大量供应，且十分便宜，制造一瓦非晶硅太阳能电池的原材料本约电池的原材料本约RMB3.5-4RMB3.5-4（效率高于（效率高于6%6%） 且晶体硅太阳电池的基本厚度为且晶体硅太阳电池的基本厚度为2

9、40-270um240-270um，相差，相差200200多倍，多倍，大规模生产需极大量的半导体级，仅硅片的成本就占整个太大规模生产需极大量的半导体级，仅硅片的成本就占整个太阳电池成本的阳电池成本的65-70%65-70%，在中国，在中国1 1瓦晶体硅太阳电池的硅材料瓦晶体硅太阳电池的硅材料成本已上升到成本已上升到RMB22RMB22以上。以上。 从原材料供应角度分析，人类大规模使用阳光发电，最终的从原材料供应角度分析，人类大规模使用阳光发电，最终的选择只能是非晶硅太阳电池及其它薄膜太阳电池，别无它法！选择只能是非晶硅太阳电池及其它薄膜太阳电池，别无它法！ 能量返回期短能量返回期短 转换效率为

10、转换效率为6%6%的非晶硅太阳电池，其生产用电约的非晶硅太阳电池，其生产用电约1.91.9度电度电/ /瓦，由它发电后返回的时间约为瓦，由它发电后返回的时间约为1.5-21.5-2年，这是晶硅太阳电年，这是晶硅太阳电池无法比拟的。池无法比拟的。 大面积自动化生产大面积自动化生产 目前，世界上最大的非晶硅太阳电池是目前，世界上最大的非晶硅太阳电池是Switzland UnaxisSwitzland Unaxis的的KAI-1200 PECVD KAI-1200 PECVD 设备生产的设备生产的1100mm1100mm* *1250mm1250mm单结晶非晶单结晶非晶硅太阳电池，起初是效率高于硅太

11、阳电池，起初是效率高于9%9%。其稳定输出功率接近。其稳定输出功率接近80W/80W/片。片。 商品晶体硅太阳电池还是以商品晶体硅太阳电池还是以156mm156mm* *156mm156mm和和125mm125mm* *125mm125mm为为主。主。 短波响应优于晶体硅太阳电池短波响应优于晶体硅太阳电池 上海尤力卡公司曾在中国甘肃省酒泉市安装一套上海尤力卡公司曾在中国甘肃省酒泉市安装一套65006500瓦非晶瓦非晶硅太阳能电站，其硅太阳能电站，其每千瓦发电量为每千瓦发电量为1300KWh1300KWh，而，而晶体硅太阳晶体硅太阳电池每千瓦的年发电量约为电池每千瓦的年发电量约为1100-120

12、0KWh1100-1200KWh。非晶硅太阳电池。非晶硅太阳电池显示出其极大的使用优势。下图为该电站的现场照片，第一显示出其极大的使用优势。下图为该电站的现场照片，第一代非晶硅太阳电池的以上优点已被人们所接受。代非晶硅太阳电池的以上优点已被人们所接受。20032003年以来年以来全世界太阳能市场需求量急剧上升，非晶硅太阳电池也出现全世界太阳能市场需求量急剧上升，非晶硅太阳电池也出现供不应求的局面。供不应求的局面。非晶硅太阳能电池存在的问题非晶硅太阳能电池存在的问题 效率较低效率较低 单晶硅太阳能电池，单体单晶硅太阳能电池，单体效率为效率为14%-17%(AMO)14%-17%(AMO)，而柔性

13、基体，而柔性基体非晶硅太阳电池组件（约非晶硅太阳电池组件（约10001000平方厘米）的平方厘米）的效率为效率为10-12%10-12%，还存在一定差距。还存在一定差距。 相同的输出电量所需太阳能电池面积增加，对于对太阳能电相同的输出电量所需太阳能电池面积增加，对于对太阳能电池占地面积要求不高的场合尤其适用，如农村和西部地区。池占地面积要求不高的场合尤其适用，如农村和西部地区。 我国目前尚有约我国目前尚有约2800028000个村庄、个村庄、700700万户、大约万户、大约30003000万农村人万农村人口还没有用上电，口还没有用上电， 60% 60%的有电县严重缺电；光致衰减效应也的有电县严

14、重缺电；光致衰减效应也可在电量输出中加以考虑，我们认为以上缺点已不成为其发可在电量输出中加以考虑，我们认为以上缺点已不成为其发展的障碍，非晶硅太阳能电池已迎来新的发展机遇。展的障碍，非晶硅太阳能电池已迎来新的发展机遇。 稳定性问题稳定性问题 非晶硅太阳能电池的非晶硅太阳能电池的光致衰减光致衰减，所谓的，所谓的W-SW-S效应，是影效应，是影响其大规模生产的重要因素。目前，柔性基体非晶硅响其大规模生产的重要因素。目前，柔性基体非晶硅太阳能电池稳定效率已超过太阳能电池稳定效率已超过10%10%，已具备作为空间能源，已具备作为空间能源的基本条件。的基本条件。 成本问题成本问题 非晶硅太阳能电池投资额

15、是晶体硅太阳能电池的非晶硅太阳能电池投资额是晶体硅太阳能电池的5 5倍左倍左右右，因此项目投资有一定的资金壁垒。且，成本回收，因此项目投资有一定的资金壁垒。且，成本回收周期较长，昂贵的设备折旧率是大额回报率的一大瓶周期较长，昂贵的设备折旧率是大额回报率的一大瓶颈。颈。非晶硅太阳电池的市场非晶硅太阳电池的市场 大规模地成本发电站大规模地成本发电站 19961996年美国年美国APSAPS公司在美国加州建了一个公司在美国加州建了一个400400千瓦的非晶硅电千瓦的非晶硅电站站, ,引起光伏产业振动。引起光伏产业振动。 MassMass公司公司( (欧洲第三大太阳能系统公司欧洲第三大太阳能系统公司)

16、 )去年从中国进口约去年从中国进口约5MWp5MWp的非晶硅太阳能电池。的非晶硅太阳能电池。 日本日本CANECACANECA公司年产公司年产25MWp25MWp的非晶硅太阳能电池大部分输往的非晶硅太阳能电池大部分输往欧洲建大型发电站欧洲建大型发电站( (约每座约每座500KWp-1000KWp)500KWp-1000KWp)。 德国德国RWESCHOOTTRWESCHOOTT公司也具有公司也具有30MWp30MWp年产量年产量, ,全部用于建大规模全部用于建大规模太阳能电站。太阳能电站。CIGS电池的发展历史及研究现状电池的发展历史及研究现状70年代Bell实验室Shaly等人系统研究了三元

17、黄铜矿半导体材料CIS的生长机理、电学性质及在光电探测方面的应用 1974年，Wagner利用单晶ClS研制出高效太阳能电池,制备困难制约了单晶ClS电池发展1976年，Kazmerski等制备出了世界上第一个ClS多晶薄膜太阳能电池80年代初，Boeing公司研发出转换效率高达9.4%的高效CIS薄膜电池80年代期间，ARCO公司开发出两步(金属预置层后硒化)工艺，方法是先溅射沉积Cu、In层，然后再在HSe中退火反应生成CIS薄膜，转换效率也超过10% 1994年，瑞典皇家工学院报道了面积为0.4cm效率高达17.6%的ClS太阳能电池90年代后期，美国可再生能源实验室(NREL)一直保持

18、着CIS电池的最高效率记录，并1999年，将Ga代替部分In的CIGS太阳能电池的效率达到了18.8%，2008年更提高到19.9% 薄膜太阳能电池发展的历程CIGS的光学性质及带隙的光学性质及带隙CISCIS材料是直接带隙材料，材料是直接带隙材料，Cu(In,Ga,Al)SeCu(In,Ga,Al)Se2,2,其带隙在其带隙在1.02eV-2.7eV1.02eV-2.7eV范围范围变化，覆盖了可见太阳光谱变化，覆盖了可见太阳光谱lIn/GaIn/Ga比的调整可使比的调整可使CIGSCIGS材料的带隙范围覆盖材料的带隙范围覆盖1.01.0一一l.7eVl.7eV，CIGSCIGS其带隙值随其带

19、隙值随GaGa含量含量x x变化满变化满足下列公式其中，足下列公式其中，b b值的大小为值的大小为0.150.15一一0.24eV0.24eVlCIGS的性能不是Ga越多性能越好的，因为短路电流是随着Ga的增加对长波的吸收减小而减小的。l当x=Ga/(Ga+In)0.3时，随着x的增加，Eg减小，Voc也减小。l G.Hanna等也认为x=0.28时材料缺陷最少，电池性能最好。CIGS薄膜太阳能电池的结构薄膜太阳能电池的结构金属栅电极减反射膜(MgF2)窗口层ZnO过渡层CdS光吸收层CIGS金属背电极Mo玻璃衬底低阻AZO高阻ZnO金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极减反射膜(MgF2)

20、金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极光吸收层CIGS光吸收层CIGS过渡层CdS光吸收层CIGS过渡层CdS光吸收层CIGS窗口层ZnO过渡层CdS光吸收层CIGS金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射

21、膜(MgF2)金属栅电极金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极金属背电极Mo光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属

22、栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极金属背电极Mo光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极金属背电极Mo光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极玻璃衬底金属背电极Mo光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极CIGS薄膜太阳能电池的结构薄膜太阳能电池的结构结构原理结构原理l减反射膜：增加入射率lAZO： 低阻，高透，欧姆接触li-ZnO：高阻，与CdS构成n区lCdS： 降低带隙的不连续性，缓 冲晶格不匹配问题lC

23、IGS： 吸收区，弱p型，其空间电 荷区为主要工作区lMo: CIS的晶格失配较小且热膨 胀系数与CIS比较接近铜铟镓硒（铜铟镓硒（CIGS）太阳电池制备主要设备及主要测试设备：）太阳电池制备主要设备及主要测试设备：磁控溅射设备：磁控溅射设备：制备Mo电极、CuInGa合金预制层、本征i-ZnO和搀杂AL-ZnO(ITO)透明导电层、上电极硒化装置：硒化装置：对CuInGa合金预制层进行硒化，形成型的吸收层CuInxGa1-xSe2水浴反应槽：水浴反应槽：制备过渡层CdS或ZnS测试设备主要有：测试设备主要有：台阶仪，SEM，XRD, RAMAN、分度光透射仪、I-V分析系统等铜铟镓硒（铜铟镓

24、硒（CIGS）太阳电池制造工艺路）太阳电池制造工艺路线线 清洁基膜单元或多元磁控溅射沉积硒化防护膜随机检测印刷切割检测组装检测包装。CIGS薄膜太阳能电池的制备薄膜太阳能电池的制备CIGS薄膜太阳能电池的底电极Mo和上电极n-ZnO一般采用磁控溅射磁控溅射的方法,工艺路线比较成熟最关键的吸收层的制备有许多不同的方法，这些沉积制备方法包括:蒸发法、溅射后硒法、电化学沉积法、喷涂热解法和丝网印刷法补充:磁控溅射l衬底温度保持在约350 左右，真空蒸发In，Ga，Se三种元素，首先制备形成(In，Ga)Se预置层。l将衬底温度提高到550一580，共蒸发Cu，Se，形成表面富Cu的薄膜。l保持第二步

25、的衬底温度不变，在富Cu的薄膜表面再根据需要补充蒸发适量的In、Ga、Se，最终得到的薄膜。三步共蒸发法 现在CIGS组件处于产业化初级阶段，主要是美国、德国和日本等发达国家公司。其工艺各具特色，主要采用的都是真空溅射技术，区别主要是制备CIGS吸收层的部分工艺差别。下表给出了主要公司生产工艺比较。可以看出，最主流形式是溅射金属预制层后硒化工艺。该工艺对溅射设备防腐要求低，维护简单，生产过程更容易控制。也有采用四元化合物靶直接溅射CIGS的研究，由于设备防腐要求高，吸收层存在缺陷，溅射后仍需要热退火处理，这种方法现阶段没有表现出产业化优势。 CIGS国内发展现状国内发展现状经过近20年的努力,

26、我国在光伏发电技术的研究方面，开发储备了一定的技术基础,先后在实验室制备出了晶硅高效电池，多晶硅电池，非晶硅电池，以及CdTe和CIGS等等。国内最早开展CIGS研究的是南开大学，先后承担了国家“十五”“863”等重点课题。在“铜铟硒太阳能薄膜电池实验平台与中试线”和天津市的支持下，南开大学光电子薄膜器件与技术研究所的研究取得了关键性突破，其采用共蒸发法制备的CIS薄膜电池效率在2003年达到了12.1%。2008年12月，位于天津滨海新区的“国家863铜铟硒薄膜太阳电池中试基地”研制出2936cm2的CIGS太阳电池组件，转换效率达到7%。最近几年，国内也有一些单位，如清华大学、北京大学、华

27、东师范大学等，也在开展CIS、CIGS薄膜太阳能电池制备工艺方面的研究工作,但是整体水平与国外的差距是非常大的。3、CIGS薄膜太阳能电池应用展望薄膜太阳能电池应用展望CIGS薄膜太阳能电池的底电极Mo和上电极n-ZnO一般采用磁控溅射的方法，工艺路线比较成熟。最关键的吸收层的制备必须克服许多技术难关，目前主要方法包括：共蒸发法、溅射后硒化法、电化学沉积法、喷涂热解法和丝网印刷法等。现在研究最广泛、制备出电池效率比较高的是共蒸发和溅射后硒化法，被产业界广泛采用。本征缺陷、杂质、错配等均可影响CIGS材料的性能。制备性能优良的CIGS太阳能电池，要尽量提高电池器件短路电流、开路电压、包括填充因子等。由于CIGS吸收层优异的光电特性，其短路电流一般可达3040mA/cm2，决定短路电流的另一个主要因素就是电池器件的串联电阻，主要由上下电极的体电阻，各层接触电阻构成。制备器件工艺中，主要需要优化Mo电极、低阻ZnO的制备工艺，包括各层之间的匹配。作为异质结薄膜太阳能电池，控制其结特性将是制备高效电池核心。制备性能优良CIGS薄膜太阳能电池的关键是提高器件的开路电压。主要是尽可能减少器件的短路现象(漏电)。关键是要提高器件的并联电阻。影响并联电阻的主要因素有：电池内部缺陷、晶粒小、导致晶界过多、晶粒