铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池产业发展与学术前沿

铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第一页，共76页。提纲铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿1、CIGS太阳电池概述2、CIGS太阳电池产业现状3、CIGS太阳电池发展方向及学术前沿第二页，共76页。随着能源危机与环境污染的日趋严重，开发可再生清洁能源成为国际范围内的重大战略课题之一！太阳能是取之不尽、用之不竭，最清洁、最强大的可再生能源太阳能将在未来的能源结构中占据主导地位太阳能各种利用方式中，太阳电池发电发展最快、最具活力和最受瞩目欧盟对未来能源结构的预测1、CIGS太阳电池概述铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第三页，共76页。太阳电池现状：已发展出三代第一代晶硅太阳电池—包括单晶硅与多晶硅电池优点:

技术成熟，转化效率较高，目前在工业生产和市场上占主导地位。缺点:

需要消耗高纯的晶硅；成本高；原料制取的能耗高、污染重；第二代薄膜太阳电池—包括a:Si、CdTe、CIGS和DSSC电池优点:

耗材较少、易于柔性化制作。不足:

研究较晚，许多基础问题不明、技术尚不成熟；第三代薄膜太阳电池——如叠层、热光伏、量子点等电池特点:

有前景，但大都停留在概念阶段、少有产品、实用性不明；1、CIGS太阳电池概述铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第四页，共76页。CIGS薄膜太阳电池：用料少、效率高、稳定性好、易于柔性化和卷绕式生产，具有良好发展前景，成为研发热点。在第二代薄膜太阳电池中转换效率最高（20.3%）材料消耗少，一般1.5-2.5微米比功率高，柔性基底的可达1100W/kg以上可制造柔性电池组件，易于以卷对卷连续化生产1、CIGS太阳电池概述铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第五页，共76页。发展非真空沉积法或全干法技术，可较大幅度降低成本稳定性好，弱光性能好使用寿命长，抗辐射能力强柔性化，应用领域更为广泛军用民用航空航天1、CIGS太阳电池概述铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第六页，共76页。CIGS太阳电池发展历程1953年，合成CuInSe2(CIS)单晶，1967年研究相图1974年，Bell实验室制备出第一块单晶CIS/CdS电池，效率为5%；1975年达12%

1976年，Maine大学第一块薄膜CIS/CdS电池，效率6.6%1981年，波音获得双层CIS/CdS薄膜电池，效率9.5%1982年，CdxZn1-xS代替CdS获得效率＞10%，自此，人们开始重视CIS并开展大量研究1981年1982年1、CIGS太阳电池概述铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第七页，共76页。1985年，CdS厚度从>3µm减至50nm，并引入低阻ZnO作为窗口层，增强短波响应，这一结构进一步发展成目前的经典结构1988年，ARCO采用预制层硒化法获得14.1%效率1980-1990年代，在CIS中掺Ga和S来改善性能；1989年，波音制备出效率为12.9%的CIGS电池1990年代后，美国NREL实验室基于三步共蒸发法，获得17.7%-18.8%-19.2-19.9%效率，并一直保持世界纪录2010年，德国ZSW基于蒸发法，超过NREL将效率提高至20.1%，此后又提高到20.3%ZSW器件制作室NREL的CIGS吸收层1、CIGS太阳电池概述铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第八页，共76页。CIGS太阳电池结构CIGS薄膜太阳电池由逐层沉积的背电极、吸收层、缓冲层、窗口层和顶电极构成CIGS太阳电池结构1、CIGS太阳电池概述铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第九页，共76页。背电极Mo背电极作用：对外输出电池功率背电极选材要求：与基底结合紧密，不易脱落利于CIGS生长附着，并形成欧姆接触良好的导电性为什么选择Mo？曾采用Cu、Au、Al、Ni、Al、Mo、Pt只有Ni和Mo不会与CIGS产生相互扩散Mo较Ni在高温下更加稳定Mo的制备方法目前Mo主要采用直流磁控溅射制备普遍采用双Mo工艺：溅射气压高,电阻率较高，会增加电池的串联电阻；溅射气压低，Mo层与薄膜的粘附性差，硒化时薄膜容易脱落1、CIGS太阳电池概述铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿NREL采用的双层Mo工艺第十页，共76页。吸收层CIGSCIS与CIGS的晶体结构CIS有两种结构，即常温下的黄铜矿结构及高于870℃才存在的闪锌矿结构CIGS是CuInSe2和CuGaSe2的无限固溶混晶半导体，都属于I-III-VI2族化合物，在室温下为黄铜矿结构，在晶体结构上体现为掺入的Ga取代了In的位置CIGS结构1、CIGS太阳电池概述铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿CIGS薄膜在太阳电池中的作用最核心层，太阳电池PN结中的P型材料部分吸收太阳光，产生光电流第十一页，共76页。CIGS薄膜光学性质为直接带隙半导体，光吸收系数105cm-1CIS禁带宽度1.02eV，与1.45eV相距甚远，需掺Ga来提高禁带宽度随着掺Ga量增大，禁带宽度可在1.02-1.67eV变化；当Ga/(In+Ga)约为0.3，即禁带宽度大概为1.15eV时，电池可获得最高效率；Ga掺入量过多会导致电池电学性能的恶化，可掺S进一步提高带隙黄铜矿结构带隙和晶格参数关系图几种材料吸收系数与光子能量关系1、CIGS太阳电池概述铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第十二页，共76页。CIGS薄膜电学性质：取决于化学计量组成少子寿命:若干ns少子扩散长度:可达3µm电子迁移率:最高可达1000cm2V-1s-1(单晶)电导率：Cu-rich~1000Ω-1cm-1；In-rich~0.01Ω-1cm-1载流子浓度：1016-1018cm-3导电类型：根据组分不同，可获得P型或N型的CIGS在CuInSe2的12种缺陷中，对电学性质起主导作用的是VCu、VSe、InCu

和CuIn以及缺陷复合体2VCu-InCu；而前四个者决定导电类型:Cu-rich为受主CuIn占主导的p型Se-poor为施主VSe占主导的n型Cu-poor时，当受主VCu占主导为p型当InCu占主导为n型1、CIGS太阳电池概述铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第十三页，共76页。磁控溅射热蒸发CIGS薄膜材料的制备方法主要有真空法和非真空法两大类。其中，真空法因制备的电池效率高而成为产业化的主流制备方法，主要包括磁控溅射和热蒸发两种路线；非真空法具备成本优势，是未来发展趋势，主要包括电沉积和涂覆法两类1、CIGS太阳电池概述铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿涂覆法电沉积第十四页，共76页。磁控溅射法

工艺:沉积预制层后硒化退火处理

优点：易于精确控制薄膜中各元素的化学计量比、膜厚和成分的均匀

分布，已成为目前产业化首选工艺

缺点：Ga含量及分布不易控制，很难形成双层梯度结构单位：日本的昭和壳牌、本田（金属预制层）；美国Daystar等（CIGS预制层）1、CIGS太阳电池概述铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿CIGS溅射生产设备第十五页，共76页。预制层的选择:金属预制层简介：一般采用铜镓合金靶与铟靶溅射，可分为共溅和分层溅射优点：产率高，技术路线成熟，为目前溅射法采用最多的预制层方式缺点：由于无掩埋硒源，对后硒化处理要求较高代表单位：日本的昭和壳牌、本田等金属预制层溅射后硒化一般工艺流程CIGS预制层简介：一般采用铜铟镓硒单靶一步得到CIGS，近几年新出现的工艺路线优点：实现了薄膜的原位生长，薄膜质量更高，对后硒化过程要求较低缺点：成分调节更难，由于采用了非金属靶，需射频溅射产率较低，效率

也较金属预制层后硒化低代表单位：美国Daystar第十六页，共76页。硒源的选择:气态硒化氢简介：一般掺入90%惰性气体稀释后使用。目前一般采用快速热处理工艺，

德国Shellsolar用此法制备的组件效率高达14%优点：硒化过程中，H2Se能分解为原子态Se，活性大易于CIG金属合金预

制层反应得到高质量CIGS薄膜；缺点：

H2Se作为硒源有毒且易挥发气态硒源硒化装置示意图气态硒源硒化炉第十七页，共76页。固态硒源简介：一般将Se粉作为硒源放入蒸发舟，采用蒸发方法产生Se蒸汽对预制

层进行硒化优点：安全无毒且廉价缺点：

Se压难以控制，Se原子活性差，易于造成In和Ga元素的损失有机硒源简介：(C2H5)Se2:DESe有望成为取代剧毒H2Se的替代硒化物，

ankur等用DESe作为硒源制备出了效率为13.7%的CIGS电池优点：为液态硒化物，可在常压不锈钢容器中存储，泄露危险更低缺点：

成本较高，目前每摩尔DESe的成本比H2Se高5倍第十八页，共76页。多元共蒸发法

工艺:采用Cu、In、Ga、Se四种蒸发源用热蒸发形成薄膜

优点：成膜质量好，保持最高效率(20.3%)，研究最多

缺点：大面积均匀性差，成本较高

单位：德国ZSW，美国NREL

分类：根据Cu的蒸发过程，按工艺分类可分为一步法、两步法、三步法；

CIGS共蒸发示意图1、CIGS太阳电池概述铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿ZSW的CIGS电池产品第十九页，共76页。一步法简介：在沉积过程中保持铜、铟、镓、硒四蒸发源的流量不变，一步完成CIGS的制备优点：工艺控制相对比较容易，适合大面积生产缺点：形成的薄膜晶粒尺寸比较小且不能形成梯度带隙二步法简介：二步法工艺由Boeing公司的提出，因此又叫Boeing双层法。第一步，

是在衬底温度为500℃时，共蒸发Cu、In、Ga、Se形成CIGS/CuxSe，

这是一层富铜的薄膜,为低电阻P型半导体；第二步，将衬底温度升高到550℃后，同时蒸发In、Ga、Se形成贫铜CIGS薄膜，为中等偏高电阻

的N型半导体。通过两层间的扩散，形成ｐ型半导体。优点：相对一步法可以获得更大的晶粒尺寸缺点：没有实现薄膜成分的梯度分布第二十页，共76页。三步法简介：在三步法工艺中，三步过程都是在Se蒸气环境中进行的。

第一步，在衬底温度为350℃左右时，蒸发In和Ga形成In2Se3、Ga2Se3

两种硒化物，其中控制In/Ga＝0.7/0.3，(In＋Ga)/Se＝2/3；

第二步，在衬底温度为560℃左右蒸发Cu，形成富Cu的CIGS薄膜。此

过程中由于Cu2-xSe熔点较低，高温下呈液态，可促进晶粒生长得到了

晶粒尺寸大且致密的膜层；

第三步衬底温度保持560℃蒸发少量的In和Ga，不但消除了表面的

Cu2-xSe，还得到了稍微贫铜的ｐ型CIGS薄膜，实现了表面Ga的梯度

分布；优点：是目前制备高效CIGS电池最有效的工艺，所制备的薄膜表面光滑，

晶粒致密且尺寸较大,还易于实现Ga含量的V型分布

第二十一页，共76页。缓冲层CdS缓冲层的要求高阻N型材料，以防止PN结短路与吸收层良好晶格匹配，以减少界面缺陷较高带隙，以避免吸收过多的太阳光缓冲层作用起到缓冲保护作用，防止溅射窗口层时，溅射离子对吸收层的损伤作为电池PN结的N型材料降低窗口层与吸收层的异质结界面失配1、CIGS太阳电池概述铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第二十二页，共76页。CdS制备方法：化学水浴法（CBD）可制备出既薄又致密而且无针孔的CdSCBD中，氨水可溶解CIGS表面的氧化物，起到清洁表面作用Cd2+可与CIGS反应生成CdSe并向贫铜表面扩散，形成CdCu施主，修复CIGS表面缺陷沉积温度低且工艺简单廉价CdS材料基本性质晶体结构：闪锌矿（立方）和纤锌矿（六方）结构，室温下六方相处于稳定状态，

而立方相处于亚稳定状态，在一定条件下两者可相互转化光学性质：两种结构CdS禁带宽度有所差别，相对稳定的六方相CdS为2.4eV电学性质：N型材料，电阻非常高，所以电池中一般仅需50nm左右，过厚将会导致电池效率的降低典型的硫化镉CBD制备装置1、CIGS太阳电池概述铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第二十三页，共76页。窗口层ZnO及ZnO:Al（ZAO）窗口层作用与要求两方面功能：一是与P型CIGS构成异质结，二是与顶极一起输出电流表面导电层：有较高电导率和光透过率高、低阻两层：高阻本征氧化锌(i-ZnO)和低阻掺铝氧化锌(ZAO)ZnO（ZAO）的基本性质晶体结构：与CdS一样，属于纤锌矿（六方）结构，故有晶格良好匹配光学性质：直接带隙材料，禁带宽度为3.4eV电学性质：ZnO为作N型材料N型材料，电阻率非常高(100-400Ω.cm)，所以一般仅需50nm左右，过厚将会导致电池效率的降低。ZAO电阻率约10-4Ω·cmZnO（ZAO）制备方法：磁控溅射沉积速率高，重复性及均匀性好，成为目前窗口层的主流制备方法1、CIGS太阳电池概述铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第二十四页，共76页。组件制作时，在薄膜材料沉积过程中要进行三道划线工艺，以完成各子电池的界定、分割和互联1、CIGS太阳电池概述铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿组件制作（1）P1激光划线：对Mo进行划线，将之分割成5-7mm的条

（2）P2机械划线：将CIGS、CdS、i-ZnO全部划开而保留Mo层，此时多个子电池已形成

（3）P3机械划线：沉积ZAO后，子电池又连接在一起，进行P3划线将各子电池分开，形成多个子电池串联的组件第二十五页，共76页。技术路线典型企业技术特点磁控溅射7家：SolarFrontier、HondaSoltec、MiaSole、DayStar、Avancis、Soltecture、BoschSolar溅射预制层后硒（硫）化，成膜质量较好，且大面积均匀性良好；缺点是由于采用真空技术，成本仍然较高共蒸发6家：WurthSolar、Q-Cells、Solarion、GlobalSolarEnergy、AscentSolar、Flisom成膜质量好，电池效率高；缺点是大面积均匀性差，成本较高。电沉积3家：Odersun、CISSolartechnik、SoloPower非真空、低温、液相沉积过程；成本低廉，且适合于大面积、卷绕式连续沉积，但掺Ga难，效率偏低纳米涂布2家：Nanosolar、InternationalSolarElectricTechnology非真空、设备投资低，原料利用率高；但薄膜致密性不好，孔洞较多，不利于效率提高2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿自1970年代开始，CIGS太阳电池已越来越受到研究机构和产业界的关注，众多企业（超过20家）正处于中试或小规模生产阶段，但主要集中在美国（7）、德国（8）和日本（2），中国主要靠引进技术（山东孚日、安泰科技、苏州高赛），未见自主研发的产业化技术第二十六页，共76页。1）SolarFrontier公司简介：昭和壳牌的全资子公司，全球第二大薄膜

太阳电池厂家，1993年开始CIGS技术研发技术路线：溅射后硒（硫）化电池结构：玻璃/Mo/CIGSS/ZnS/ZBO(Mocvd)技术水平：30cm2的组件实现了17.2％的转换效率生产规模：在宫崎县建造了年产能达900MW，2011年的总产能达到1GW，效率为11.2%已与IBM合作开发CZTS太阳电池，技术基于该公司的“CIS太阳电池”2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第二十七页，共76页。2）HondaSoltec（日本）公司简介：1997年开始研究CIGS太阳电池，2006年成立了的生产和销售子公司“HondaSoltec”。技术路线：溅射后硒化电池结构：玻璃/Mo/CIGS(Na)/InS/ZnO技术水平：1999年器件效率为18.1%(0.5cm2)，2007年的模块效率达到13.9％(73cm×92cm)，2010年进行量产生产规模：已拥有27.5MW生产线，效率11.6%电动汽车用CIGS太阳电池充电站2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第二十八页，共76页。3）MiaSole（美国）公司简介：2001年开始研发CIGS技术路线：溅射后硒化电池结构：SS/Cr/Mo/CIGS/CdS/ZnO/技术水平：2010年器件14.3％，2011年1m2模板效率迅速提高至15.7％生产规模：已有22MW生产线，转换效率最大约为10.4％(1.6m×0.66m)，80MW的生产线正在建造中(裁员重组，面临破产危险)2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第二十九页，共76页。4）DayStar(美国)公司简介：成立于1997年技术路线：一步法溅射电池结构：

SS(glass)/Mo/CIGS/CdS/ITO/技术水平：器件效率16.9%生产规模：

25MW

生产线正在建设中经营不善:2011年第二季度亏损110万美元，股价从最高150元跌到2.5元2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第三十页，共76页。5）Avancis(shellsolar)（德国）公司简介：2002年shellsolar开始研究CIGS，2006年与Saint-Gobain合资成立Avancis，2009年，Avancis成为Saint-Gobain全资子公司技术路线：溅射后硒（硫）化电池结构：玻璃/SiN/Mo/CIGSS/CdS/ZnO技术水平：2011年30cm2模块效率达到15.5％生产规模：以年产20MW的规模生产效率为12％的太阳电池，目前正在其总部建设年产100MW的第二工厂2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第三十一页，共76页。6）Soltecture(Sulfurcell德国）公司简介：2001年从HelmholtzCenterBerlin分离，成立Sulfurcell，2010年改名为Soltecture技术路线：溅射后硫（硒）化，有刻蚀工艺电池结构：玻璃/Mo/CIS(CIGS)/CdS/ZnO/技术水平：

10.7%（1.25m*0.65m）的最高转换效率生产规模：拥有35MW生产线，正投资1.1亿欧元在建立75MW生产线2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第三十二页，共76页。7）BoschSolar(JohannaSolar德国)公司简介：2006年建厂生产，2008年转让技术和部分股权给山东孚日，2010年被博世集团收购，改名为BoschSolar技术路线：溅射后硒化硫化电池结构：玻璃/Mo/CIGSS/CdS/ZnO/技术水平：未知生产规模：已拥有30MW生产线2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第三十三页，共76页。技术路线典型企业技术特点磁控溅射7家：SolarFrontier、HondaSoltec、MiaSole、DayStar、Avancis、Soltecture、BoschSolar溅射预制层后硒化/硫化，成膜质量较好，且大面积均匀性良好；缺点是由于采用真空技术成本仍然较高共蒸发6家：WurthSolar、Q-Cells、Solarion、GlobalSolarEnergy、AscentSolar、Flisom成膜质量好，电池效率高；缺点是大面积均匀性差，成本较高。电沉积3家：Odersun、CISSolartechnik、SoloPower非真空、低温、液相沉积过程；成本低廉，且适合于大面积、卷绕式连续沉积，但掺Ga难，效率偏低纳米涂布2家：Nanosolar、InternationalSolarElectricTechnology非真空、设备投资低，原料利用率高；但薄膜致密性不好，孔洞较多，不利于效率提高2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿自1970年代开始，CIGS太阳电池已越来越受到研究机构和产业界的关注，众多企业（超过20家）正处于中试或小规模生产阶段，但主要集中在美国（7）、德国（8）和日本（2），中国主要靠引进技术（山东孚日、安泰科技、苏州高赛），未见自主研发的产业化技术第三十四页，共76页。1）WurthSolar（德国）公司简介：成立于1999年，Wurth集团和ZSW的合资公司，2010年收购SolarMarkt公司技术路线：共蒸发电池结构：玻璃/Mo/CIGS/CdS/ZnO/技术水平：

效率高达14%（1.2x0.6m2），输出功率为100W生产规模：

拥有30MW生产线，产品效率12%（1.2×0.6m2)（2011年12月被Manz收购,并将效率提高至15.1%）2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第三十五页，共76页。2）Q-Cells(SolibroGmbH)(德国)公司简介：成立于1983年，欧洲最大太阳电池制造商；2006年与SolibroAB合资成立进入CIGS领域，2009年SolibroGmbH成为其全资子公司工艺路线：共蒸发电池结构：

玻璃/Mo/CIGS/CdS/ZnO/技术水平：效率17.4%(16m2)生产规模：拥有两条生产线，45WM和90WM；已宣布破产，中国汉能收购2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第三十六页，共76页。3）Solarion(德国)公司简介：

2000年成立于德国莱比锡，2011年台企华新丽华出资4000万欧元收购其49%股份技术路线：离子束辅助共蒸发(硒用离子束)电池结构：PI/Mo/CIGS(Na)/CdS/ZnO/技术水平：小面积组件效率14.1%生产规模：计划建立20MW生产线2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第三十七页，共76页。4）

GlobalSolarEnergy（美国）公司简介：1996年由UniSourceEnergy与欧洲创投合资成立，NREL的设备供应商和产业化伙伴，成本低于2美元/瓦技术路线：共蒸发电池结构：

SS/Mo/CIGS/CdS/ZnO/技术水平：最高组件效率13%生产规模：40MW(美国)，35MW（德国破产）

，产品效率12.6%(5.74×0.5m2)2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第三十八页，共76页。5）AscentSolar（美国）公司简介：成立于2005年，主要基于PI基底生产CIGS太阳电池技术路线：共蒸发电池结构：PI/Mo/CIGS/CdS/ZnO/技术水平：器件效率最高14.1%生产规模：拥有30MW生产线，效率为10.5%2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第三十九页，共76页。6）Flisom(瑞士)公司简介：

EMPA重要合作伙伴技术路线：低温共蒸发电池结构：

SS(PI)/Mo/CIGS(Na)/CdS/ZnO/技术水平：器件效率18.7%，柔性电池世界记录生产规模：尚无2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第四十页，共76页。技术路线典型企业技术特点磁控溅射7家：SolarFrontier、HondaSoltec、MiaSole、DayStar、Avancis、Soltecture、BoschSolar溅射预制层后硒化/硫化，成膜质量较好，且大面积均匀性良好；缺点是由于采用真空技术成本仍然较高共蒸发6家：WurthSolar、Q-Cells、Solarion、GlobalSolarEnergy、AscentSolar、Flisom成膜质量好，电池效率高；缺点是大面积均匀性差，成本较高。电沉积3家：Odersun、CISSolartechnik、SoloPower非真空、低温、液相沉积过程；成本低廉，且适合于大面积、卷绕式连续沉积，但掺Ga难，效率偏低纳米涂布2家：Nanosolar、InternationalSolarElectricTechnology非真空、设备投资低，原料利用率高；但薄膜致密性不好，孔洞较多，不利于效率提高2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿自1970年代开始，CIGS太阳电池已越来越受到研究机构和产业界的关注，众多企业（超过20家）正处于中试或小规模生产阶段，但主要集中在美国（7）、德国（8）和日本（2），中国主要靠引进技术（山东孚日、安泰科技、苏州高赛），未见自主研发的产业化技术第四十一页，共76页。1）Odersun（

IST德国）

公司简介：

IST技术专家为主，2002年组建一个命名为Odersun的股份制公司，曾向中国安泰转让技术技术路线：铜带(1cm)上电沉积电池结构：Cu/CIS/CuI/ZAO技术水平：器件效率达到9.2%，组件效率超过7%生产规模：30MW，

已倒闭2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第四十二页，共76页。2）CISSolartechnik（德国）公司简介：

1999年成立技术路线：电沉积电池结构：Cu（SS）/Mo/CIS/CdS/ZnO/技术水平：

最高效率11.2%(1cm2)生产规模：正在建立30MW生产线2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第四十三页，共76页。3）SoloPower（美国）公司简介：成立于2000年技术路线：电沉积电池结构：

SS/Mo/CIGS/CdS/ZnO/技术水平：

13.76%(0.5cm2)，11.7%(178cm2)，

1m2组件超过10%生产规模：已有10WM生产线，正在建75WM生产线(SS，1m宽)2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第四十四页，共76页。技术路线典型企业技术特点磁控溅射7家：SolarFrontier、HondaSoltec、MiaSole、DayStar、Avancis、Soltecture、BoschSolar溅射预制层后硒化/硫化，成膜质量较好，且大面积均匀性良好；缺点是由于采用真空技术成本仍然较高共蒸发6家：WurthSolar、Q-Cells、Solarion、GlobalSolarEnergy、AscentSolar、Flisom成膜质量好，电池效率高；缺点是大面积均匀性差，成本较高。电沉积3家：Odersun、CISSolartechnik、SoloPower非真空、低温、液相沉积过程；成本低廉，且适合于大面积、卷绕式连续沉积，但掺Ga难，效率偏低纳米涂布2家：Nanosolar、InternationalSolarElectricTechnology非真空、设备投资少，原料利用率高；但薄膜致密性不好，孔洞较多，不利于效率提高2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿自1970年代开始，CIGS太阳电池已越来越受到研究机构和产业界的关注，众多企业（超过20家）正处于中试或小规模生产阶段，但主要集中在美国（7）、德国（8）和日本（2），中国主要靠引进技术（山东孚日、安泰科技、苏州高赛），未见自主研发的产业化技术第四十五页，共76页。1）Nanosolar（美国）

公司简介：

2002年由斯坦福大学的两名博士创立，吸引总投资达4亿美元，并获得美国能源部2000万美元基金，自称每瓦发电成本仅0.99

美元技术路线：硒化物纳米涂布法电池结构：Al/CIGS/CdS/ZnO技术水平：

效率最高达17.1%生产规模：

2011年达115MW，效率10%2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第四十六页，共76页。2）InternationalSolarElectricTechnology（美国）

公司简介：1985成立并开始研究CIGS，1987年确定纳米涂布技术路线，1991年开始采用柔性基底（PI)技术路线：纳米氧化物涂布法电池结构：PI/Mo/CIGS/CdS/ZnO（MOCVD）技术水平:13.7%（玻璃）13.0%(Mo箔)和8.9%(PI)，1m2效率11.2%；生产规模：目前拥有3MW生产线，计划扩建至30MW2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第四十七页，共76页。如何看待众公司破产现象？（Solyndra、Q-Cell、VEECO、WurthSolar、GSE）一方面，反应出了目前企业所遇到的困境和行业的不景气；另一方面，通过优胜劣汰，大企业通过收购合并等手段，进入该领

域，促进了行业整体的进步和发展；产业化遇到的困难？一次性投入大，收回成本周期长，盈利困难，拥有技术的中小企业因资金缺乏不得不转让技术甚至倒闭；技术门槛高，大面积效率量产困难较多；2、CIGS太阳电池产业现状铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿CIGS前景如何？第四十八页，共76页。真空or非真空？非真空法极大程度的缩小了和真空法制备出产品质量的差距，但仍

存在一定差距；成本将最终决定生产路线；

柔性or刚性基底？（晶硅：0.8美元/瓦；碲化镉：0.7美元/瓦；CIGS>2美元/瓦）随着晶硅成本的不断降低，目前技术水平，刚性CIGS很难与其竞争，大幅降低制作成本成为当务之急；相当长一段时间内，柔性CIGS将成为其主流发展方向第四十九页，共76页。

为获取竞争优势，CIGS太阳电池需要简化工艺、降低成本、提高效率并解决环境污染和资源短缺风险，朝以下方向发展：3、CIGS太阳电池发展方向及学术前沿铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿（1）卷对卷生产柔性CIGS太阳电池（2）基于非真空技术的高效率CIGS太阳电池（3）开发无Cd新型缓冲层材料第五十页，共76页。重量轻、厚度小（小于1mm）比功率高，1100W/Kg以上可卷曲折叠、不怕摔碰抗辐射能力强易于运输和安装卷对卷连续化沉积可降低成本应用领域更为广泛3.1、柔性CIGS太阳电池铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿柔性太阳电池优势第五十一页，共76页。真空稳定性：基材在真空加热环境下时不放出气体热稳定性：大多数高质量的吸收层需加热到500-600℃，研究表明

当退火温度低于350℃时，吸收层的性能会急剧恶化，所以要求基材要可以承受350℃以上的温度热膨胀系数：基材要有合适热膨胀系数(CTE)，否则会造成退火后成薄膜与基材结合不紧密而造成脱膜现象柔性基材的选择3.1、柔性CIGS太阳电池铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第五十二页，共76页。化学惰性：基材应是化学惰性的，不能在制备CIGS时被硒化，亦

不能在水溶液镀制CdS时发生反应而造成基材的腐蚀，

此外，基材还不应有元素扩散进入薄膜足够的潮湿屏障：基材应该保护太阳电池免受自然条件的损伤，尤

其是要防止水渗入电池中较高强度：要适合卷对卷工艺路线，以满足工业生产的需求成本：价格尽量低廉，以降低生产成本重量：尽可能轻，以提高质量比功率3.1、柔性CIGS太阳电池铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第五十三页，共76页。粗糙度：

要求衬底表面粗糙度在几百到几千纳米之间，一般要对柔性衬底进行抛光处理，否则导致以下结果：

（1）粗糙的表面会提供更多CIGS成核中心，导致形成细小颗粒和更多晶体缺陷（2）金属衬底上的尖峰可以穿过电池吸收层，导致PN结短路（3）在高温生长CIGS期间，衬底存在大的突起会导致杂质从衬底向CIGS表面扩散三种影响机制3.1、柔性CIGS太阳电池铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第五十四页，共76页。考虑到真空兼容、热膨胀系数、热稳定性、成本等要求，最常用的柔性基材有钛箔、不锈钢箔和聚酰亚胺箔。钛箔（Ti）特点：最高效率为17.4%(日本AIST)；较轻(4.51g/cm3)，所以

质量比功率高，CTE(8.4×10-6K-1)与CIGS非常匹配，

但是价格较贵，非常适用于空间电池。

机构：德国ZSW、HMI、Solarion、IPF、

ShellSolar；美国Univ.Hawaii、ISET、Daystar；日本AISTTi箔柔性CIGSS组件左:ZSW右:

ShellSolar3.1、柔性CIGS太阳电池铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第五十五页，共76页。不锈钢箔（SS）

特点：最高效率为17.5%（美国NREL）；基本满足要求，低成本是其最大优势；地面民用电源的首选，故研究最多

机构：美国NREL、GRE、Solopower、FSEC;德国ShellSolar、

CISSolartechnik、ZSW、IPF;瑞典ASC;日本Matsushita;

英国CREST;南开大学、中南大学GSESolopowerMatsushita3.1、柔性CIGS太阳电池铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第五十六页，共76页。聚酰亚胺箔（PI）特点：最高效率为17.7%(日本AIST、瑞士ETH)；质轻（1.4g/cm3），低成本；特别适合用于高比功率电源，如军用便携电源；不足是耐热性较差，工艺要求高

机构：美国GRE、AscentSolar、IEC、ISET;德国Solarion、ZSW、

HMI、IPF;瑞士ETH;日本AIST;十八所AISTSolarionAscent3.1、柔性CIGS太阳电池铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第五十七页，共76页。Mo、Al、Cu：

Mo、Al、Cu也可作为柔性基底，但是因其自身缺陷，应用并不广泛。Mo价格昂贵且质量比功率低，而Al和Cu虽价格低廉，但是过高CTE限制了其应用；AI基底Cu基底3.1、柔性CIGS太阳电池铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第五十八页，共76页。在柔性衬底与Mo背接触层之间，一般需要镀制一层绝缘阻挡层，主要有两个作用：

（1）在金属衬底和单片集成电池之间提供电绝缘层

（2）减少金属衬底中杂质向CIGS中扩散常用的扩散阻挡层有SiOx、Al2O3、Al、Cr等Al、Cr作为扩散阻挡层会阻挡Fe原子向薄膜的渗入，但是自身也会发生一定量的扩散进入Mo绝缘且稳定的SiOx

、Al2O3是阻挡层的首选材料。SiOx（等离子CVD法）/SiOx(溶胶凝胶法)、Al2O3(溅射法)/SiOx（等离子CVD法）等双层结构具有最佳阻挡效果3.1、柔性CIGS太阳电池铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿绝缘阻挡层第五十九页，共76页。Na的掺入极大地提高了CIGS电池性能，但是柔性衬底不可能像纳钙玻璃一样向吸收层提供Na，所以必须采用其他方式掺入：3.1、柔性CIGS太阳电池铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿金属Na的掺入制备含Na阻挡层在共蒸发镀CIGS时，共蒸发Na或NaF镀制CIGS前，先镀制NaF层（10nm）完成CIGS后，对CIGS进行掺Na后处理第六十页，共76页。与玻璃基底一样，柔性光伏组件的制作也需要三步划线工艺。但对柔性衬底来讲，机械划线技术不可避免会损伤PI表面和金属衬底绝缘阻挡层，需要有不同集成组装方式：PI基底：P1、P2使用激光法，而P3需要光刻技术金属基底：除P2可用激光法外，P1、P3都必须用光刻技术但是，由于阻挡层与吸收层存在应力匹配问题，划线时容易造成开裂现象，所以人们发展单体电池外部连接新技术划线时产生的开裂现象外部连接工艺3.1、柔性CIGS太阳电池铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿组件制作方式第六十一页，共76页。Cd作为有毒物质，不可避免会对环境造成一定的影响。为此，各国研究者开展了大量研究，采用ZnS、In2S3、Zn(Mg)O等无Cd缓冲层替代CdS，并取得了一定成果，研究机构主要集中在日本和德国。3.2、无Cd缓冲层铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿采用无Cd缓冲层的主要研究机构及其器件效率第六十二页，共76页。ZnS是CdS以外，器件效率最高的缓冲层材料（日本青山大学18.6%）禁带宽度为3.7eV，与CdS（2.4eV）相比，增加了CIGS对波长为350nm-550nm的太阳光吸收制备方法：化学水浴法、原子层沉积法、浸渍离子层气相反应法和蒸发法等3.2、无Cd缓冲层铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿基于ZnS的缓冲层第六十三页，共76页。室温下稳定的β-In2S3为电池中缓冲层最常见的In2S3结构In2S3的光学直接能隙为2.0eV，并不符合电池能带分布的需要，需要由不同的制备方法及参数调控，由2.0eV变至3.7eV非真空制程的CBD可调控的能隙范围最大(2.2eV-3.7eV)；CBD镀制的In2S3

薄膜中，含有一定量O及OH基，降低S/OH比可增大薄膜的能隙In2S3缓冲层3.2、无Cd缓冲层铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿真空法制备技术能带可调范围较低（2.0eV-2.85eV），但目前In2S3最高效率是采用真空法制备德国D.Lincot利用ALD制作的In2S3缓冲层，具有最高的转换效率16.4%不同沉积方法制备出的In2S3效率第六十四页，共76页。值得注意的是，采用共蒸发及溅射工艺均可制备出效率超过12%的In2S3，超过ZnS的9%，这使得全干法工艺得以实现

全干法工艺：整个电池制备过程均在真空下完成，不需要经过水溶液步骤，将有利于工艺简单化、提高生产效率、降低成本3.2、无Cd缓冲层铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第六十五页，共76页。也是一种非常有潜力的缓冲层，通过掺入Mg含量的不同，可对ZnO带隙进行调整（

3.3eV-7.7eV）溅射：电池效率11.3%，效率损失是由于溅射工艺损伤表面而引起的表面复合所致ALD：最高效率接近18%ShellSolar公司：采用Mg1-xZnxO替代i-ZnO和CdS，简化了电池制备工艺，获得了12.5%的效率3.2、无Cd缓冲层铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿ZnO和Mg1-xZnxO缓冲层X值对Mg1-xZnxO能带宽度的影响Mg1-xZnxO替代i-ZnO和CdS的电池第六十六页，共76页。目前吸收层主流制备方法是溅射后硒化和共蒸发法，但是两者均采用了昂贵的高真空设备，投资和制作成本较高。

为降低吸收层的制作成本，各国研究人员开展了多种不需要真空设备的非真空沉积法，最具代表性的就是电沉积法和涂覆法。3.3、吸收层的非真空沉积铜铟镓硒硫薄膜太阳电池产业发展与学术前沿第六十七页，共76页。特点：（1）非真空、低温、液相沉积过程；成本低廉，且适合于大面积、卷对卷连续沉积；（2）