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新型太阳能电池.pdf

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新型太阳能电池.pdf

新型太阳能电池铜铟镓硒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。1、概述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,铜铟镓硒薄膜太阳电池具有生产成本低、污染小、不衰退、弱光性能好等显著特点,光电转换效率居各种薄膜太阳电池之首,接近于晶体硅太阳电池,而成本只是它的三分之一,被称为下一代非常有前途的新型薄膜太阳电池,是近几年研究开发的热点。此外,该电池具有柔和、均匀的黑色外观,是对于外观有较高要求场所的理想选择。2、研发生产由于铜铟镓硒薄膜太阳电池具有敏感的元素配比和复杂的多层结构,因此,其工艺和制备条件的要求极为苛刻,产业化进程十分缓慢。铜铟镓硒电池片 CIGS- 市中能源仅在数年以前,薄膜光伏( Thin Film Photovoltaics ,以下简称TF PV)技术在光伏产业中还只能用“微不足道”来形容,只是在诸如计算器这样一些简单的产品中得到应用。除非晶硅外,一些TF PV 材料还只是刚刚走出实验室。但在今天, TF PV 已经是 PV技术中最耀眼的一员,其生产份额不断扩张。起初,这一市场是由于晶硅的短缺而得以发展,但如今短缺现象已经结束, TF PV则以其低成本、低重量和灵活性而继续发展。而且,除了非晶硅外,铜铟镓硒( CIGS)具有 TF PV的所有优点,能量转换效率也并不远逊于传统 PV,碲化镉太阳能面板已经出现了繁荣局面。根据美国 NanoMarkets 公司 2008 年 3月发布的白皮书走向成功的薄膜光伏及之前出版的薄膜、有机、可印刷光伏市场 2007-2015 研究报告中的预测,由于采用简单印刷和 roll-to-roll ( R2R)制造工艺降低了成本,新产能的增加,以及通过技术改进提高了效率,这些都将使得薄膜光伏成为 PV市场的主要角色, TF PV 太阳电池将取代目前市场上由传统的晶硅制造的 PV面板而成为主流技术。产业的发展CIGS电池具有性能稳定、抗辐射能力强,光电转换效率目前是各种薄膜太阳电池之首,接近于目前市场主流产品晶体硅太阳电池转换效率,成本却是其 1/3 。 正是因为其性能优异被国际上称为下一代的廉价太阳电池,无论是在地面阳光发电还是在空间微小卫星动力电源的应用上具有广阔的市场前景。CIGS电池具有与多晶硅太阳能电池接近的效率,具有低成本和高稳定性的优势,并且产业化瓶颈已经突破,在晶体硅太阳能电池原材料短缺的不断加剧和价格的不断上涨背景下,很多公司投入巨资, CIGS 产业呈现出蓬勃发展的态势。目前全球有 30 多家公司置身于 CIGS产业,但真正进入市场开发的公司只有德国的Wuerth (伍尔特)、 Surlfulcell ,美国的 Global Solar Energy ,日本的 Honda(本田)、 Showa Solar Shell 。 2006 年、 2007 年世界 CIGS电池组件产能分别为 17.5MW、 60.5MW, 在世界光伏市场上占据的份额很小。中国的 CIGS产业远远落后于欧美和日本等国家和地区,南开大学以国家“十五”“ 863”计划为依托,建设 0.3MW中试线,现已制备出 30cm 30cm 效率为 7的集成组件样品。 2008 年 2 月,山东孚日光伏科技有限公司宣布与德国的 Johanna 合作,独家引进了中国首条 CIGSSe(铜铟镓硫硒化合物)商业化生产线。当前全球大环境景气不佳,传统硅晶太阳能电池厂正面临售价跌破成本压力,但薄膜太阳能电池具成本优势,逐步崭露头角。全球经济衰退意味着投资风险的加大,而中外风投却在这时不惧风险,集体逆市投资太阳能薄膜电池。薄膜电池已成为国内光伏领域新的投资热点。 其中 CIGS转换效率足以媲美传统太阳能电池,加上稳定性和转换效率都已相当优异,被视为是相当具有潜力的薄膜太阳能电池种类。未来几年, CIGS(铜铟镓硒)薄膜太阳能电池的销售将会加速增长, 到 2015 年, CIGS将占 薄膜太阳能电池市场的 43.3。3、市场前景根据预测, TF PV 市场将由 2007 年的 10 亿美元增加到 2008年的 16 亿美元,在 2010 和 2015 年则将分别攀升到 34 亿美元和72 亿美元。 2005 年 TF PV 占整个 PV市场的份额还不到 5,但到2015 年有望上升到约 50。较传统 PV技术, TF PV 将通过在很多应用中提供更有成本竞争力的解决方案去抢占市场,并凭藉其独有的特性(重量轻、灵活性、易于嵌入其他材料)开发出新的应用。传统 PV的最大弱点是高昂的电池制造成本。 PV面板是以晶硅为原料,通过昂贵的步进重复批处理工艺制造。薄膜技术可以解决类似问题并开发太阳能的新应用。但 TF PV 的发展道路也并非一片阳光,这项技术还将面临诸多挑战,例如,近来晶硅原料的短缺由于替代材料的兴起而开始缓解,这样就消除了 TF PV 需求增长的一个主要动力。4、成本 / 性能TF PV 技术所涉及的材料主要包括非晶硅( α -Si )、碲化镉( CdTe)、铜铟镓硒( CIGS)、铜铟硒( CIS)以及有机和有机 -无机混合材料,每种材料都各有利弊。下表列出了主要 TF PV 材料及其利用状况。材料 效率( ) 利用状况镓硒 / 磷化铟 / 锗混合材料 35 仅实验室镓硒 25 除某些空间利用外尚未广泛应用磷化铟 22 仅实验室晶硅 25 PV市场中最常用的材料多晶硅 20 广泛应用铜铟镓硒 20 TF PV市场中份额正在增长碲化镉 17 TF PV场中增长迅速,但大多来自一家公司非晶硅 10 TF PV中最为常见有机材料 4-8 尚未应用,但有几家公司正积极尝试商业化能源价格的波动对向替代能源技术的转移起着重要的推动作用。太阳能因其取之不尽、用之不竭的特性对人类有着巨大的吸引力, 但传统的 PV有其弱点 面板较重,生产成本高,不够灵活,而且硅原料的供应不稳定。因此, PV大多只能针对相对狭窄的市场或其应用必须具备特定的条件,例如可以获得补贴或其他电力来源匮乏的地方。薄膜技术的机遇倚赖于减少这些制约因素的影响以及扩大 PV可发生作用的市场。尽管这是大势所趋,但直到最近,较低的效率和技术上的不够成熟仍妨碍着 TF PV 及时捕捉这一机遇。5、发展态势随着近年来能源价格如火箭般上窜,加之 PV价格的滑落, PV领域的成长非常显著,有些观察家声称 PV最终可满足美国能源需求达 20之多。与传统 PV比较, TF PV 因用于制造薄膜电池的材料较少,因而成本更为低廉。 TF PV的制造是将由光电材料构成的薄层沉积于衬底,这就大大减少了原料的使用。新生产工艺的出现,包括roll-to-roll 和印刷技术,又可以进一步降低成本。性能方面,在不久的将来薄膜技术效率的显著提高已成为大势所趋。例如, CIS/CIGS 的效率已经可以和传统 PV相提并论。但尽管已取得某些进展,薄膜技术和传统 PV的效率之间仍存在一定差距,且在某些情况下差异明显。其结果是 TF PV 必须与传统PV在成本基础上竞争,或者 TF PV 需要在性能基础上创造出新的应用。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。CIGS 电池具有性能稳定、 抗辐射能力强等优势, 光电转换效率在各种 薄膜太阳能电池 中也名列前茅, 已接近于晶体硅太阳能电池的转换效率,成本却是其 1/3。正是因为性能优异, CIGS 电池被国际上称为下一代的廉价太阳能电池, 无论是在地面阳光发电还是在空间微小卫星动力电源的应用上都具有广阔的市场前景。在晶体硅太阳能电池原材料短缺的不断加剧和价格的不断上涨背景下,很多公司投入巨资, CIGS 产业呈现出蓬勃发展的态势。目前全球已有几十家公司置身于 CIGS 产业, 但真正进入市场开发的公司只有德国的 Wuerth(伍尔特) 、 Surlfulcell,美国的 Global Solar Energy,日本的 Honda(本田) 、 Showa Solar Shell等。综合来看,全球 CIGS 太阳能电池组件的产能快速扩张。 2008年全球 CIGS 电池的产量在 40MW 左右, 2009 年则是更进一步,产能超过 660MW,实际产量也达到 180MW 左右, 增幅超过 300。进入 2010 年以来, CIGS 电池领域的研发成果接近涌现, 技术水平不断提升,显示了良好的发展势头。中国的 CIGS 产业远远落后于欧美和日本等国家和地区,南开大学以国家 “ 十五 ” 863计划为依托,建设 0.3MW 中试线,已制备出30cm 30cm 效率为 7的集成组件样品。 2008年山东孚日光伏科技有限公司与德国的 Johanna合作,独家引进了中国首条 CIGSSe( 铜 铟镓硫硒化合物)商业化生产线,并在 2010 年顺利进入联动运行测试阶段。青岛昌盛日电建设的大规模量产 CIGS 薄膜太阳能电池示范线也在 2010年上半年建成投产。虽然在未来五年内, 多晶硅 类仍然会占据全球太阳能电池市场的大部分份额, 但在多晶硅类太阳能电池成本压力越来越大之时, 以CIGS 类为代表的第三代太阳能电池已经表现出良好的发展势头,增幅甚至已经大大超过 多晶硅 太阳能电池。目前薄膜电池已成为国内光伏领域新的投资热点。 CIGS 电池的转换效率足以媲美传统太阳能电池, 加上稳定性和转换效率都已相当优异, 被视为是相当具有潜力的薄膜太阳能电池种类。 未来几年, CIGS(铜铟镓硒)薄膜太阳能的销售将会加速增长。中投顾问发布的 2011-2015年中国铜铟镓硒薄膜太阳能电池市场投资分析及前景预测报告共六章。首先介绍了铜铟镓硒( CIGS)薄膜太阳能电池的相关概念等, 接着分析了国际国内薄膜太阳能电池和 CIGS 薄膜太阳能电池的发展现状。随后,报告对 CIGS 薄膜太阳能电池市场做了技术研发分析和重点企业经营状况分析, 最后分析了CIGS 薄膜太阳能电池的投资潜力与未来前景。您若想对 铜 铟镓硒 薄膜太阳能电池 市场有个系统的了解或者想投资 CIGS 薄膜 太阳能电池研发制造,本报告是您不可或缺的重要工具。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。CIGS 电池具有性能稳定、抗辐射能力强,光电转换效率目前是各种薄膜太阳电池之首, 接近于目前市场主流产品晶体硅太阳电池转换效率,成本却是其 1/3 。正是因为其性能优异被国际上称为下一代的廉价太阳电池, 无论是在地面阳光发电还是在空间微小卫星动力电源的应用上具有广阔的市场前景。CIGS 电池具有与多晶硅太阳能电池接近的效率,具有低成本和高稳定性的优势, 并且产业化瓶颈已经突破, 在晶体硅太阳能电池原材料短缺的不断加剧和价格的不断上涨背景下,很多公司投入巨资,CIGS 产业呈现出蓬勃发展的态势。目前全球有 30 多家公司置身于CIGS 产业,但真正进入市场开发的公司只有德国的 Wuerth (伍尔特)、 Surlfulcell ,美国的 Global Solar Energy ,日本的 Honda (本田)、 Showa Solar Shell 。 2006 年、 2007 年世界 CIGS 电池组件产能分别为 17.5MW 、 60.5MW ,在世界光伏市场上占据的份额很小。中国的 CIGS 产业远远落后于欧美和日本等国家和地区, 南开大学以国家 “ 十五 ”“ 863”计划为依托,建设 0.3MW 中试线,现已制备出30cm 30cm 效率为 7的集成组件样品。 2008 年 2 月, 山东孚日光伏科技有限公司宣布与德国的 Johanna 合作,独家引进了中国首条CIGSSe (铜铟镓硫硒化合物)商业化生产线。当前全球大环境景气不佳, 传统硅晶太阳能电池厂正面临售价跌破成本压力,但薄膜太阳能电池具成本优势, 逐步崭露头角。全球经济衰退意味着投资风险的加大, 而中外风投却在这时不惧风险, 集体逆市投资太阳能薄膜电池。薄膜电池已成为国内光伏领域新的投资热点。 其中 CIGS 转换效率足以媲美传统太阳能电池, 加上稳定性和转换效率都已相当优异,被视为是相当具有潜力的薄膜太阳能电池种类。未来几年, CIGS (铜铟镓硒)薄膜太阳能电池的销售将会加速增长,到 2015 年, CIGS 将占薄膜太阳能电池市场的 43.3 。铜铟镓硒( CIGS)薄膜太阳能电池由于效率高、无衰退、抗辐射、寿命长、 成本低廉等特点, 是备受人们关注的一种新型光伏电池产品,经过近 30 年的研究和发展,其光电转化效率为所有已知薄膜太阳能电池中最高的, 目前, 美国国家可再生能源实验室在玻璃衬底上利用共蒸发三步工艺制备出最高效率达 19.9的电池。 2009 年全球 CIGS薄膜太阳能电池产能超过 660MW,实际产量达到 180MW,年增幅超过300, 远高于行业内的增长速度, 显示了极强的发展势头, 近期, CIGS小面积电池效率又创造了新的记录,达到了 20.1,与主流产品多晶硅的效率相差无几,尽管如此, CIGS薄膜电池的研究并未终止,人们还在提高效率、降低成本、改进产业化技术的方向上探索前进。CIGS薄膜电池对高效电池的最大贡献莫过于对吸收层 CIGS材料的成膜机理、 导电机制等基础物理问题的科学认识和器件结构中各层薄膜的合理组合。我国南开大学、内蒙古大学、云南师范大学、 地质大学等单位于 20 世纪 80 年代中期开展了 CIGS薄膜材料和太阳能电池的研究,但是由于技术条件等等原因,进展缓慢。直至 2002 年南开大学获得国家“ 863”能源技术领域的后续能源技术项目支持,才使得国内对于 CIGS薄膜太阳能电池的研究达到一定国际水平。现阶段 CIGS薄膜太阳能电池产业化的真空制备方法主要有两种,即共蒸发法和溅射后硒化法,但该两种方法各有其难点,共蒸法的主要问题在于要在一个真空腔体内安装三个蒸发温度都超过1000℃的金属线性蒸发源, 并且温度独立可控不受其他热源影响, 尤其是铜元素,蒸发温度高达 1300℃,而且蒸发时易溅散,极难控制。另蒸发时衬底处于加热 500℃以上的环境下,而硒元素源蒸发温度只有 200℃,要控制其不受高温影响具有极强的挑战性。而后硒化法的后硒化过程一般在高温非真空的条件下实现, 其稳定性, 可靠性和重复性一直是公认的难点, 同时后硒化使用剧毒气体也是难以解决的问题。虽然有着上述结构、材料和工艺的复杂性, CIGS光伏组件产业化和商业化的进程相对比较缓慢, 但是电池优异的光电特性始终是各国科学家们不懈努力追求的目标, 激励科学家们在光电材料和器件物理方面不断取得新的突破,使得 CIGS光伏组件与其他薄膜电池同步发展、同步提高,这是 CIGS薄膜电池产业化、商业化的基础前提。目前,国际上 CISG薄膜太阳能电池的产业化、商业化进行已经开始,如日本的 ShowaShell 公司的小组件( 300 300mm)效率已经达到 15.2, 只比小面积电池世界纪录地 4.7 个百分点, 该公司 2008年得产能就达到了 80MW。 我们可以预计,一个 CIGS光伏产业的辉煌时代即将到来。关于光伏电池未来的发展趋势 我们认为 ,薄膜涂层电池由于低成本特点 ,转换效率不断提升 ,未来市场份额势必会明显增长 ,薄膜电池行业增速将继续高于晶硅电池行业增速。而从市场预测情况来看 ,三种主要薄膜电池 非晶 /微晶薄膜电池、 CIGS 薄膜电池、 CdTe 薄膜电池 中 ,未来 CIGS 薄膜电池的增速最为明显。CIGS 薄膜电池成本分析。 根据假设条件我们测算出 ,在规模化效应完全实现的条件下的 CIGS 薄膜电池的成本为 1.07 美元 /瓦。 如果按照 First Solar 的毛利率情况做假设 ,则 CIGS 的目前可比产业化售价在 1.5 美元 /瓦。 通过上述假设测算出采用薄膜电池的 10MW 光伏电站的初始投资成本是 4.2 美元 /瓦 ,度电成本为 0.30-0.45 美元 /kWh。如果考虑到薄膜电池的弱光效应 ,度电成本还会下降。CIGS 薄膜电池优势所在 1薄膜电池的低成本优势 ,相对于晶硅电池材料成本便宜。 2相对于其他薄膜电池 ,CIGS 是目前所推广的薄膜电池中转化效率最高的 ,目前实验室转换效率可以达到 19.9。 3没有光致衰退效应。无衰退是薄膜太阳能电池最为关注的性能指标 ,单结非晶硅薄膜电池的衰退达到 25,非晶微晶叠层薄膜电池的衰退为 10左右。 CIS 薄膜电池没有光致衰退效应 ,这一特点和晶硅电池相同。 4最适合 BIPV 的应用。目前行业担心的 CIGS 薄膜电池可能存在的问题。 1原材料 In 的稀缺性。目前全球 CIGS 薄膜电池的产能在 300MW 左右 ,所需要消耗的 In 的数量为 14 吨 ,远低于目前 In 材料的产出量。目前正在开展相关替代的吸收层材料研究 ,未来技术问题会得以解决。 2Cd 的污染问题。无 Cd 缓冲层的工艺是目前研发的重点。国内 A 股上市公司孚日股份 002083。孚日股份光伏业务包括两个子公司 ,孚日光伏 CIGSSe 电池组件生产业务 和埃孚光伏晶硅电池组件封装业务 。孚日光伏采用德国 JST 的薄膜电池技术 ,第一条 30MW 生产线预计 09 年 4 季度开始试产。第二条 30MW 预计于 2010 年 1 季度开始安装 ,至 2010 年中下旬产出。项目规划 240MW, 总投资 60 亿 ,首期 60MW 投资 15 亿 ,其中设备投资 11175 万欧元 12 亿人民币 。从技术来源、设备情况来看 ,已经具备成功的条件 ,我们静待其产品产出。埃孚光伏进行晶硅电池业务生产 ,由孚日股份和 ALEO 各出资50成立。 公司总规划 80MW,分三期完成 ,一期 10MW 和二期 40MW 均已开始生产 ,三期 30MW2010 年完成。生产线为德国、 瑞士进口的自动化设备 ,在晶体硅电池组件封装领域具备全球最好的自动化水平。初期以包销方式拓展市场 ,我们期待未来公司自有品牌的发展。预计 09 年生产 25MW 组件 ,实现销售收入 5 亿元。投资观点 孚日股份作为国内最早从事 CIGSSe 薄膜电池生产的企业 ,从目前的设备以及技术方面都具备成功的条件。但是由于产品尚未产出 ,而产出后何时量产 ,规模化效应何时显现 ,薄膜电池何时对公司作出利润贡献我们尚不能判断。我们认为 ,短期来看 ,我们关注的重点不应该是薄膜电池对于公司的业绩贡献。长期来看 ,未来光伏行业的需求高速增长是必然 ,而薄膜电池由于其自身独特的优势 ,在光伏领域的比重将会明显提升。所以我们更应该关注公司的长期价值铜铟镓硒( CuIn1-XGaXSe,简称 CIGS)薄膜太阳电池成本低、性能稳定、 抗辐射能力强, 其光电转换效率是目前各种薄膜太阳电池之首, 光谱响应范畴宽, 被国际上称为下一时期最有前程的便宜太阳电池之一,有可能成为将来光伏电池的主流产品之一。因为 CIGS 电池是多元化合物半导体器件,存在庞杂的多层结构和敏感的元素配比,对工艺和设备的要求十分严厉。本文将对 CIGS 薄膜电池的结构及特性、国内外发展示状、产业化程度,包含 CIGS 薄膜电池尤其是吸收层的主要制备工艺和技术症结作简略先容和瞻望。CIGS 薄膜电池的结构及特征CIGS 太阳能电池的根本结构玻璃衬底、 ( Mo)导电层、 CIGS(或CIS)吸收层、 ( CdS)过渡层、 ( i2ZnO)异质结 N 型层、 ( n2ZnO)窗口层、 ( MgF2)防反射层和电极, Mo 作为电池的底电极,要求具备比拟好的结晶度和表面电阻; P2CIGS 层作为光吸收层,要求所做出的半导体薄膜是 p 型的,且为黄铜矿结构; CdS 作为缓冲层, 降低i2ZnO 与 P2CIGS 之间带隙的不持续性,解决 CIS 名义的不平坦;n2ZnO( AZO)与 Al 电极构成欧姆接触; i2ZnO 层与 P2CIGS 形成pn 结,并且吸收短波太阳光。 CIGS 的带隙通过转变 Ga 和 In 的成分比例 ,5 号电池批发 ,从 0197eV的 CIS 到 1167eV的 CGS. CIGS 薄膜电池的海内外研究现状美国国家可再生能源实验室( NationalRenewableEnergyLaboratory,简称 NREL)采用共蒸发工艺,将 CIGS 的效率晋升至 1919,创下了薄膜太阳电池的世界记载,德国 Hahn2MeitnerInstitute 以及瑞典、日本、 韩国的有关研究机构制备的 CIGS 电池效率也己超过 17.由美国能源部国家光伏中央( NCPV)与日本新能源和工业技术开发机构( NEDO )协作研制的无镉 CIGS 电池效率达到 1816.日本的ShowaShell采用 Zn( O, S, OH) x 作为缓冲层, 3456cm2的组件效率达到 1314,创造了无镉 CIGS 电池效率的世界纪录。为了减少铟、 镓等昂贵材料的使用,降低电池成本,研究者开始了超薄电池的研究,减小吸收层的厚度。 NREL 在 1μ mCIGS吸收层的基础上制备电池效率最高为 17116,吸收层厚度为 0175μm 时,电池效率为 1215; ShellSolar 的 CIGSS 电池吸收层厚度为 1μm 时, 电池效率为 1218; EPV 的 CIGS 电池吸收层厚度仅为 0147μm 时,可得到 919的电池效率。采用柔性衬底也是 CIGS 薄膜电池的发展趋势之一。柔性衬底可以是不锈钢、钛、钼、铜片等金属,也可以是聚合物(聚酰亚胺) .采用柔性衬底可与卷绕技术相联合, 大规模制备质量轻、 可曲折的电池。 NREL 采用共蒸发法,创造了不锈钢衬底上小面积电池效率世界纪录 1715;德国 Hahn2Meitner2Institute 在钛衬底上共蒸发得到CIGS 电池效率为 1612;美国 GlobalSolar 公司 014MW 中试线生产不锈钢衬底上小面积电池效率为 1215; ETH( SWI)采用共蒸发法在聚合物衬底上制得的 CIGS 电池效率为 1218.国内的南开大学、 内蒙古大学和云南师范大学等单位于上世纪 80 年代中期先后开展了CIS 薄膜电池研究。目前包括中国电子科技团体公司第十八研究所、清华大学、 华东师范大学、 上海技术物理研究所、 上海硅酸盐研究所、武汉大学和武汉理工大学在内的众多高校和研究所也都发展了 CIS电池的研究。目前国内研究历史最久、水平最高的是南开大学。 南开大学光电子薄膜器件与技术研究所高技术研究发展方案承当了国度重点课题 “ 铜铟硒太阳能薄膜电池实验平台与中试线 ” , 10 10cm2 集成电池组件转换效率达到 713, 1cm2 电池最高光电转换效率为1211[2].转换效率在 8~ 11规模内的成品率达到 85以上;研究硫化锌( ZnS)薄膜替代硫化镉( CdS)过渡层,运用于无镉铜铟硒太阳电池的研制, 其转换效率已经超过 11, 为产业化生产铜铟硒电池彻底打消镉传染奠定了基础; 利用铜铟硒太阳电池实验平台前提进行技术扩大, 研究杂质扩散与拦阻层结构, 低温沉积铜铟镓硒薄膜材料结构与工艺技术,制备 “ 不锈钢衬底铜铟硒电池 ” 和 “ 聚酰亚胺衬底铜铟硒电池 ” , 转换效率分辨达到 10106( 1cm2) 和 6102( 0112cm2) .推进了国内 CIS 和 CIGS 太阳能电池的发展。目前,有关商业化的 CIGS 太阳能电池的电池结构,生产电池主要关注的技术问题包括 CIGS 吸收层的低成本制备方法、组分研究、真空沉积制备技术、光吸收层发展趋势、衬底抉择的发展趋势、缓冲层的发展趋势、刻蚀技术、电池模块组件以及叠层技术等等。3 世界 CIGS 薄膜电池的产业化水平目前致力于 CIGS 薄膜太阳能电池的主要研产生产商有德国伍尔特太阳能公司 ( W rthSolar) 、 美国环球太阳能公 ( GlobalSolarEnergy) 、日 本 本 田 ( HondaSoltec )、 日 本 昭 和 壳 牌 石 油 公 司( ShellSolarIndustries ) 、 德 国 的 SulfurCells 、 美 国 的DaystarTechnologies、 美 国 的 Ascent、 美 国 的 Miasole、 美 国 的EnergyPhotovoitaics 以及美国的 Nanosolar等。2007 年,各公司 CIGS 薄膜太刚能电池产量如下 ShellSolar 为20MW; GlobalSolar 为 3MW; WtlrtzSolar 为 3MW.ShowaShellSekiyu规划于 2008 年 3 月增设规模可达 60MW 的第二工厂,并于 2009年上半年开始运行,预期总产能为 80MW.2005 年底日本本田发布涉足太阳能电池市场, 2006年 12 月成破了 CIGS 化合物薄膜太阳能电池生产和销售子公司 HondaSoltec.HondaSoltec于 2007 年秋实现年产2715MW 的批量生产, 并向日本全国销售 .美国 Nanosolar宣告于 2008年初建厂投产,产能 430MW,超过美国所有其余品种太阳能电池的功率总和。 Nanosolar在 2009年新推出 640MW 级面板工厂,采用印刷法生产高效率的 CIGS 电池。 NREL 证明其电池效率最高达 1614. 第一代 CIGS 组件的大规模制作已经开端,然而依然须要研讨生产工艺,例如接收体沉积装备和在线表征的工具。 CIGS 薄膜技巧面临的重要挑衅是大范围出产的反复性以及下降材料的成本。制备CIGS 太阳能电池器件各层资料的方式有很多,其中 CIGS 吸收层的制备是最主要和最艰苦的, 它岂但与降低生产本钱非亲非故, 而且与转化效力、 是否大规模生产等工业化中的问题密不可分。 大面积电池组件的转化效率及产量依据各公司制备工艺的不同而有所不同, 个别在 10~ 15内。他们所采取的工艺各有不同,基础上可分为 金属预置层后硒化、多元分步蒸发、混跟法、印刷法和电沉积等。3.1 金属预置层后硒化先在基板上沉积 Cu2In 或者 Cu2In2Ga 等预制层 ,深圳电池批发 ,而后在 H2Se/H2SAr 或 Se/S气氛中进行高温硒化或硫化,终极构成满意配比请求的 CIGS 多晶薄膜。预置层的沉积有溅射、蒸发和电沉积等, 普通采用溅射办法。 硒化工艺易于节制薄膜中各元素的化学计量比、膜的厚度和成分的平均散布, 且对设备要求不高, 已成为目前产业化中的首选工艺。在硒化过程中, H2Se 是最好的硒源,但 H2Se 的最大毛病是其拥有毒性且容易挥发,需要高压容器贮存。固态 Se作为硒源, Se压难以掌握,在热处理过程中会导致 In、 Ga 等元素的损失,在大规模生产中有良多问题,但是无毒。有机金属 Se 源( ( C2H5) Se2 DESe)有望成为剧毒 H2Se 的替代硒化物,目前正在研究当中,成本很高 .为了防止传统硒化 /硫化工艺中长时间的热处理造成 Cu、 In 的丧失及不用要的扩散或氧化,疾速热处理工艺( RapidThermalProcessing,RTP) 已被普遍利用于 CIGS 薄膜制备过程。 美国 ShellSolarIndustries,USA(原西门子公司) CIS 太阳电池 3MW 生产线,采用溅射后硒化技术制造的 60cm 90cm 铜铟硒太阳电池组件转换效率达 1311(有效面积) ;日本本田( Honda)在 2008 年 2 月的一项专利中公然了他们的工艺,其翻新点包括三步硒化工艺、钠涂布工艺等 .硒化预置层的沉积也采用溅射法,但 In 层置于 Cu2Ga 层之下,而不是像 SSI 那样 反 过 来 。 2007 年 , 日 本 本 田 大 面 积 CIGS 电 池 模 块( 73cm 92cm6716cm2) 均匀转化效率达到了 1111, 最高为 1116,试产线最高已达 1212.日本 ShowaShell研发核心中试生产线采用溅射后硒化技术制备铜铟硒集成电池组件 30cm 30cm,最高转换效率达 1412, 30cm 120cm组件效率最高到达 13, 应用这一技术 2007年树立了 20MW 生产线。硒化工艺的主要缺陷是工艺复杂, 成本高,要使用有毒的 H2Se、 H2S 等气体。多元分步蒸发以 Cu、 In、 Ga 和 Se 作源分步反映蒸发得到 CIGS 薄膜,该方法是由美国波音公司发展起来的。特色是制得的薄膜材料晶相构造好,元素比例在蒸发过程中可调节,尤其是通过调节 Ga元素在吸收层的纵向分布来实现禁带宽度梯度较为容易, 因而该技术可用于制备高效电池。 美国 NREL 采用三步共蒸发工艺制备研制的 CIGS 单体电池的转换效率高达 1919,发明了薄膜太阳电池的世界纪录。分步蒸发工艺生产周期短, 但对每种元素蒸发速率及蒸发量要求准确控制, 大面积沉积匀称性不易保障, 很难实现工业上的大规模生产。德国 WtlrtzSolar 公司开发了一步共蒸发工艺制备 CIGS 吸收层的太阳能电池生产线, 2005 年的最大产量为 115MWp,电池组件尺寸为60 120cm2,转化效率 11~ 13,成为大面积中效率最高的薄膜太阳电池。 2007年打算建成单机年产 15MW 的生产线。采用两步和三步的共蒸发技术制备 CIGS,化学池沉积 CdS缓冲层,磁控溅射阻抗和导电 ZnO层, 这一工艺被以为是试验室制备 CIGS 器件的尺度工艺。GlobalSolarEnergy( GSE)的生产设备可以实现年产 5MW 的柔性、轻质 CIGS 光伏产品。关键的 CIGS 设备包括 Mo 背电极、 CIGS 吸收层、 CdS 层、 TCO 层,组件封装以及产品修整等设备 ,5 号电池 。每个设备以低成本、主动化、连续卷到卷( rolltoroll )的方法处理30148cm 宽、 305m 长的聚合体膜和不锈钢箔衬底。批量生产的柔性CIGS 电池的转换效率超过 10. 混正当分步蒸发法可使元素分布发生梯度后果,而且薄膜晶相结构好,但沉积大面积 CIGS 薄膜时要求 Cu、 In、 Ga、 Se 为线性蒸发源。由于蒸发金属 Cu 的线性蒸发祥温度要达到 1200℃以上, 蒸发源材料和结构在如斯高的温度实现难题, 而且也很难达到其控制的精度和稳定性。美国 EnergyPhotovoltaics公司( EPV)采用一种三步混和溅射的工艺制备 CIGS 太阳能电池。其主要思路是溅射 Cu,并利用线性热源蒸发 In、 Ga 和 Se.溅射后硒化的混合法制备大面积铜铟镓硒薄膜,称为混合法沉积技术, 2004 年研制的组件面积为 3454cm2的效率达到 715. 印刷法CIGS 薄膜太阳能电池除了可用真空工艺制备外,也可采用非真空工艺,如丝网印刷、电化学沉积等。非真空工艺具有设备简单、成本低和样品平匀性好的长处。早在 1988 年, AritaT 和其共事就采用丝网印刷术来制备 CIGS 太阳能电池 .他们将纯的 Cu、 In、 Se 粉按1∶ 1∶ 2 的比例混和, 然落后行球磨, 造成丝网印刷的 “ 墨水 ” (浆料)印刷到基板上,经热处理得到所需的 CIGS 化合物。ISET 开发出印刷工艺在柔性金属衬底上沉积 CIGS 电池。 这种工艺首先配制先驱层的金属氧化物墨水,这种墨水含有 Cu、 In、 Ga的纳米氧化物材料 .然后将这种墨水印刷在 Mo 电极长进行干燥, 在 H2 气中还本相成金属 Cu2In2Ga 合金, 然后在 H2Se气氛下硒化形成 CIGS吸收层。利用纳米金属氧化物作为原材料,结合 CdS( CBD) 、 ZnO(金属有机化学气相沉积, MOCVD )以 Ag 电极形成 CIGS 太阳能电池。该电池的最佳转化效率可达 1317(玻璃基板) ,样品大小为01084cm2, VOC01548V, JSC35107mA/cm2.Nanosolar公司 CIGS的技术是印刷技术加上高温退火工艺。 Nanosolar 公司提出用纳米Cu2Se、 In2Se、 Ga2Se等化合物与纳米 Se、 S 元素混配合为浆料。由于 Se、 S 元素的熔点低 ( Se为 220℃, S 为 120℃) , 热处理时呈液态,有利于扩展纳米 Cu2Se、 In2Se、 Ga2Se粒子间及与 Se、 S 的接触面积, 增进黄铜矿形成。 也可以采用核 2 壳结构来制备浆料, 其中 Cu2In化合物为核, Se/S 元素为壳 .将该浆料印刷在可绕式基板上生产太阳能电池,具有高产出与高良率的优点。电化学沉积电化学法沉积 CIGS 往往采用阴极电沉积制备。 因为各元素的电化学势差异很大, Cu、 Se绝对轻易被还原( Se 往往不导电) , In 较难,Ga 更难还原。 要取得高品质的薄膜层, 需要调节溶液的 pH 值、 浓度、络合剂等来实现。 电沉积法得到的薄膜并非结晶的单一相, 而是多相混杂体。 为了提高薄膜的电机能,后续的热处理进程也必不可少。不同工艺沉积的薄膜热处理工艺也有所不同, 如一步法沉积的薄膜可在中性氛围或真空下处理,温度 400~ 550℃。但所得的薄膜电学性能仍旧不够好, 而在 Se 气氛下热处置能够大大进步其电学性能。 NREL用一步法电沉积加上 PVD 调节元素组分的工艺使转化效率回升到1514. 结束语目前, CIGS 薄膜太阳电池的贸易化生产己获得较大进展, 但还有一些技术要害需要解决。在产业制造方面需要做到优化产量、提高生产才能、降低投资成本和材料损耗;把持 CIGS 吸收层的沉积时光;减少投入的原料(薄膜厚度、纯度) ;可替换缓冲层的制备、大面积柔性组件制备; 低成本的封装工艺和延伸组件寿命。 基本研究方面老化模型定量及长期稳固性的了解;定性和定量了解缺点、 杂质和亚稳态;懂得沉积参数对所有的薄膜层、电池质量和衬底的影响;CIGSS 外延掺杂; 材料筛选, 以减少昂贵材料的应用 (高效及低成本)等等。

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