CIGS薄膜太阳能电池(光伏)

太阳能电池的种类
太阳能电池是通过光电效应或光化学效应直接把光能转 化为电能的装置。目前太阳能电池主要有晶体硅型和薄膜型 2 大类型。如图2 所示。
图2 太阳能电池的主要种类

晶体硅型
晶体硅太阳能电池可分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池, 是目前 国际上的主流产品, 占世界太阳能电池市场80%。 1.单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池在实验室的转换效率为25% , 而工业生产的光电转换效 率仅达15% , 且单晶硅要求的晶体纯度达99. 999 999% 以上, 生产成本高, 难 以推广应用。。 单晶硅太阳能电池转换效率达15% 左右, 其制造工艺已相当成熟由于单晶 硅主要采用西门子法生产, 从多晶硅中提炼出单晶, 然后通过拉硅单晶棒、切 割得到单晶硅圆片, 再经过刻蚀, 最后生产成太阳能电池组件。可见, 其生产过 程耗能较高, 生产成本也相当高, 因此推广应用有一定难度, 但目前仍占太阳能 电池市场份额的主要地位。【1671- 2730( 2010)03-0182-05 太阳能电池现状及其发展前

太阳能电池的发展概况
太阳能电池具有许多其他发电方式所不具备的优点: 不 消耗燃料, 不受地域限制, 规模可灵活组合, 无污染、无噪音, 安全可靠, 维护简单, 建设周期短, 最具有大规模应用的可能 性。
世界各国政府为大力发展太阳能产业, 采取了各 种政策和措施,以此促进本国太阳能装机量。2002 2008 年世界各国太阳能装机容量逐年递增, 如图1 所示
硅薄膜太阳能电池
硅薄膜太阳能电池是1976 年由Calson 和Wronski 所发明, 该种电池生产制 造技术相当成熟, 不仅可大量节省成本和能耗, 而且产品面积有较大增加。但是, 该种电池转化效率相对较低, 目前仅为12% ~ 14% , 且光电效率随使用时间的 增长而衰退, 为此美国United Solar 公司、日本Kameka, uHI 等公司正继续研究, 重点研究的是多结构、微晶硅uc������ si、叠层型uc������ si 的太阳能电池等。目 前硅薄膜太阳能电池大多采用等离子增强化学气相沉积法( PECVD) .
纵观太阳能电池的发展历史, 其关键技术是提高光电转换效率, 降低生 产成本和能耗, 才能加快太阳能电池的推广应用。我们相信随着世界各国 在太阳能电池的不断研发成功和产业化, 太阳能电池将会在新能源中占有 重要的地位。
CIGS薄膜太阳能电池

据《光伏信息》报道，无锡尚德CEO施正荣认为，为了使太阳电池的价格能够 不断下降，必须进行技术革新和装备改造，而技术革新方面就是使用薄膜电池， 既可节省成本，也可适用于更广泛的行业。如果薄膜电池的效率在15%以上，那 么，未来的市场将以薄膜电池为主导。对光伏组件而言， 薄膜电池的优势主要体现在： 1.成本低，这是薄膜光伏技术的最大优势； 2.一体化集成性，明显降低了工艺复杂性和生产成本； 3.不依赖于硅材料； 4.更适合在高温环境下工作； 5.可制造成柔性电池，质量轻，运输方便，应用广泛。
CIGS（铜铟镓硒）薄膜太阳能电池
CIGS thin films and solar cells
上海大学2011级研究生
目

录
各类太阳能电池的发展现状 CCIGS薄膜太阳能电池 研究展望 参考文献
太阳能电池的发展现状

太阳能的地位：随着原油储备的消耗，油价、电价的持续
上升，以及石油燃料引起的气候问题，人们对可持续能源的 需求变得十分迫切，利用太阳能来发电无疑是世界未来能源 的理想选择。万物生长靠太阳。由于太阳能清洁安全、取之 不竭，很多国家将目光投向了清洁的太阳能发电。国际能源 署的报告显示，到2030年，全球电力需求将翻番。因此，采 用太阳能等可再生能源发电无疑是有效的解决方法。
图5 ������ CIGS 太阳能电池制造工艺 Fig. 5 ������ The manufacture process of CIGS

3. CIGS薄膜制备和性能
3.1 3种典型的CIGS薄膜制备方法
CIGS薄膜太阳电池吸收层为CIGS薄膜，对光电转化效率有着决定性的影响。 现阶段，薄膜太阳电池中的吸收层CIGS薄膜的制备形成了蒸镀法、硒化法、电 化学沉积3种主要的方法。这3种方法各有优点:蒸镀法适合制备高转化效率的薄 膜，硒化法适合于制备低成本的薄膜，化学沉积法适合于制备大面积薄膜。蒸镀 法和硒化法已经比较成熟，化学沉积法正处于研究阶段。 蒸镀法是CIGS薄膜最早的制备方法，经过长期的发展，形成一步法、两步 法、三步法和“in-line”工艺等4种典型的工艺，如图6所示
化合物薄膜太阳能电池
化合物薄膜太阳能电池的光转换效率高, 理论值可达28%, 又易于薄 膜化, 因此, 世界各国都开展了该种电池的研发。目前主要有碲化镉 ( CdTe) 、铜铟硒( CIS, CIGS) 太阳能电池等。

染料敏化太阳能电池
1991 年, 瑞士Graetzel 教授等成功研制了染料敏化太阳能电池 ( DSSC) , 当时的转换效率仅达8%。经多年研究, 转换效率已提高到10% , 但目前产品的转换效率仅为7% 。由于其成本低、制造容易、设备简单, 因 此价格可低于0. 5 美元/WP。 目前美国K onarKa 和英国G24 Innovations 公司已开始生产这种太阳 能电池。
景 梁昌鑫, 陈孝祺】
2

多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池由于其生产成本和原料价格低廉, 工业生产的光电转换 效率达13%~ 16% ,因此其产业化发展较快, 但还需解决低成本、低能耗和高 效率的关键技术。多晶硅太阳能电池主要采用改良型西门子法的制造工艺。 由于其省却了单晶硅的纯度要求,使制造成本大大降低, 电池的转换效率达到 16%

2 CIGS薄膜制备工艺
CIGS 太阳能电池吸收光的范围广, 转换效率高, 稳定性好, 制造成本低, 但由 于其制造工艺复杂、成品率较低, 目前尚难实现产业化。目前主要的研发公司有 Shell Solar, W urth Solar, Show a Shell, ZSW 等。W urth Solar 公司的CIGS 太阳 能电池制造工艺如图5 所示。目前主要制造企业有美国Global Solar Energy、德国 Q������ cell 和W urth Solar 等公司。
图3是来自Deutsche Bank对各种薄膜光伏电池到2010年的市场状况，在薄 膜电池的市场中还将以硅基薄膜电池和CdTe电池为主流。
图3
各种薄膜光伏电池到2010年的市场状况
CIGS的晶体结构

CuInSe2黄铜矿晶格结构
CuInSe2复式晶 格:a=0.577,c=1.154 直接带隙半导体，其光吸收系数高 达105/cm量级 通过掺入适量的Ga以替代部分In， 形成CulnSe2和CuGaSe2的固熔晶体 Ga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

CIGS薄膜电池
CIGS薄膜制备的聚光太阳能电池转化率达到21.5%，是所有目前研制的薄膜太 阳电池中最高的转换效率。Cu (In，Ga)Se2可通过改变In和Ga的比例调整来优化禁 带宽度，可带隙调整是CIGS系相对于其他系列电池如CIS系、Si系和CdTe系等的 最大优势，所以对CIS系薄膜太阳电池的研究重点就转向CIGS薄膜太阳电池。
1 CIGS薄膜太阳电池结构及特点
太阳电池的基本原理是光生伏特效应. 单结CIGS薄膜太阳电池的基本结构由衬 底、背电极层、吸收层、缓冲层、窗口层、减反层、电极层组成。 典型的CIGS薄膜太阳电池的结构为:Glass/Mo/CIGS/ZnS/i-ZnO/ZAO/MgF2 ，如图4所示。
CIGS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
低阻AZO
高阻ZnO
图4 -1
金属背电薄膜太阳电池与CIS系、Si系、CdTe系薄膜电池相比具有如下显 著的优点: (1)CIGS是由Ga取代CIS中部分的In得到黄铜矿结构的四元化合物， 因此能进行带隙剪裁。太阳能理想的吸收禁带宽度为1.45～1.5 eV，而 CIGS的禁带宽度可在1.02～1.68 eV范围内调整，这就为薄膜太阳电池 最佳带隙的优化提供了新的途径。可带隙调整是相对于Si系和CdTe系太 阳电池的最大优势。 (2)CIGS是直接带隙材料，已知的半导体材料中光吸收系数最大，最 适合薄膜化。CIGS膜厚度1～2μm时就可以将太阳光全部吸收，大大降 低了材料的成本，而多晶硅膜太阳电池其膜厚通常在20～30μm (3) CIGS薄膜不会产生光致衰变现象即没有S－W效应(a-Si:H薄膜经 较长时间的强光照射或电流通过,在其内部将产生缺陷而使薄膜的使用性 能下降 ,称为Stable Wronski效应)。 （4）CIGS薄膜可用钠钙玻璃作衬底，不仅成本低、膨胀系数相近、 还因微量的Na掺杂而提高电池的转换效率和成品率。CIGS薄膜在玻璃 衬底上形成缺陷很少的、晶粒巨大的高品质结晶，而这种晶粒尺寸是一 般的多晶薄膜根本无法达到的。
据PHOTON 资料报导, 2008 年全球太阳能电池生产企业排名, 如表1 所 示。德国Q������ cells 榜首位置依然稳固, 其中最大变化是中、日企业的位置 发生对调, 以无锡尚德为代表的中国企业产能增长迅速，见下表1： 表1������ 2008 年全球前10 名太阳能电池生产企业

蒸镀法还未实现工业化大规模生产。

硒化法 人们多年研究结果表明:CIGS薄膜性质主要依赖于Cu/In/Ga原子配比和硒化 条件，与中间的生长过程无关，如果将Cu、In、Ga分别成膜，并单独硒化处理， 只需改变Cu/In/Ga配比和硒化条件，使得工艺较三步蒸镀法简化许多，于是硒 化法得到了迅速的发展。硒化法的典型工艺是先预制含Cu、In和Ga元素的合金 薄膜，然后在H2Se或固态源的硒蒸汽中硒化热处理形成CIGS薄膜。其中固态 源硒化法因成本低、设备和工艺容易实现、安全环保，得到了人们的广泛注。缺 点是设备比较庞大,设备投资大,制备CIGS薄膜时间长,溅射靶材使用率低,制造成 本高。难点主要集中在后硒化工艺,如硒气氛的气流、衬底加热器的分布和过程 控制。(薄膜太阳电池的研发现状和产业发展 洪瑞江,沈 辉) 电沉积制备方法正在成为大面积CIGS薄膜制备的一种方法，从原来的多步沉积 到现在的一步共沉积，发展非常迅速。电沉积CIGS薄膜的前驱体的选择比较单一，除了
Se元素的前驱体是H2Seo3以外，其他三种元素的前驱体主要是其硫酸盐和氯化盐。大面 积CIGS薄膜研究的最终目的是想通过一步共沉积实现.但是由于Cu、In、Ga和Se的电

极电位相差很大，对于一步共沉积难度大，通常是通过调整沉积电位、溶液pH 值、添加缓释剂、溶液成分比例来使这4种元素的电极电位相差不大，最终达到

薄膜太阳能电池
由于薄膜电池采用廉价衬底, 以低温制造技术沉积半导体薄膜光伏器 件, 镀膜厚度可薄至2um, 远低于晶体硅镀膜厚度80~ 300um; 同时, 其生 产成本有较大降低, 使能源回收期大大缩短。因此, 各国相继开发了各种 薄膜太阳能电池, 主要产品有多晶硅薄膜电池、CdTe 薄膜电池、CIS 薄 膜电池、染料敏化薄膜电池( DSSC) 等。根据德国研究机构Photon Consulting 的报告显示, 2008 # 2010 年间薄膜太阳能电池产量每年翻番, 至2010 年产能将达到4180 MW/ a。
一步共沉积。

3.2
CIGS薄膜性能研究
小面积的CIGS薄膜太阳电池转换率已超过19%，比世界上效率最高的单晶 Si电池效率的25%低6%，比理想黑体电池的理论极限的33%低14%，因此CIGS 薄膜性能研究最终的目的是寻求提高薄膜转化效率的途径。一般有两种提高效 率的途径:一是通过掺杂来改变薄膜成分，二是通过优化工艺来提高薄膜本身的 质量，改善薄膜的表面与界面。 对于CIGS薄膜来说，Cu/(In+Ga)和Ga/(In+Ga)的比例在电池性能方面起着 重要的作用，Cu/(In+Ga)的比例影响薄膜的形貌，Ga/(In+Ga)的比例影响禁带 宽度。掺杂浓度越高，禁带越宽，但同时会增加很多缺陷。