薄膜太阳能电池路线图(5-20)word资料15页

青岛市薄膜太阳能电池技术路线图
——铜铟镓硒、非晶硅、染料敏化薄膜太阳能电池
二○一○年五月
目录
一、薄膜太阳能电池简述 (1)
二、铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池 (3)
（一）国内外铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池研发情况 (3)
（二）技术壁垒 (5)
（三）研发需求 (5)
（四）资源状况 (6)
（五）人才团队 (6)
（六）技术路线图 (6)
三、非晶硅(a-si)薄膜太阳能电池 (7)
（一）非晶硅薄膜电池的特点 (7)
（二）技术壁垒 (8)
（三）研发需求 (9)
（四）技术路线图 (9)
四、染料敏化(DSSC)薄膜太阳能电池 (10)
（一）染料敏化薄膜太阳能电池的结构及原理 (10)
（二）染料敏化薄膜太阳能电池的前景 (10)
（三）技术壁垒 (11)
（四）研发需求 (12)
（五）资源状况 (12)
（六）技术路线图 (13)
一、薄膜太阳能电池简述
由于传统能源的日渐减少和对环境造成的危害日益突出，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。

在这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点，丰富的太阳辐射能是一种取之不尽、用之不竭、无污染、廉价、人类能够自由利用的重要能源。

光伏太阳能技术就是直接将太阳光能转变成电能的技术。

“光伏”一词源于物理学里的“光生伏特效应”，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。

利用光伏发电效应原理而制成的将太阳光能转化为电能的装置称之为光伏太阳能电池或光伏电池，由多个太阳能电池经过封装而形成光伏太阳能电池板（组件）。

光伏太阳能电池产业是当今世界技术经济发展最快的行业，是其它领域无法比拟的高新技术产业，也是各个国家积极鼓励发展的产业。

据统计，目前全世界有超过130个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中，其中有90多个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发，积极生产各种相关的节能新产品。

2019年全球太阳能电池产量达到3436MW，较2019年增长56%，2019年全球太阳能电池产量高达6850MW，增速近100%。

太阳能电池根据所用材料的不同，分为：硅太阳能电池、多元化
合物薄膜太阳能电池等。

其中，硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。

但由于在过去的几年中，国际多晶硅现货价格猛涨，一度从2019年的35美元公斤攀升至2019年的480美元公斤，因此价格低廉的薄膜电池得到了迅速的发展。

薄膜太阳能电池是在廉价的玻璃、不锈钢或塑料衬底上附上厚度只有几微米的感光材料制成。

与硅基太阳能电池相比，薄膜太阳能电池具有用材少、重量轻、外表光滑、安装方便等优点。

目前已经能进行产业化大规模生产的薄膜电池主要有3种：非晶体硅（a-Si）太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池(CIGS)、碲化镉薄膜太阳能电池(CdTe)。

2019年光伏电池分类(按原材料)及市场份额
各类薄膜太阳能电池性能比较
非晶硅碲化镉铜铟镓硒
光电转换效率6-7% 8-10% 10-11%
光伏组件效率6-7 8-10 10-11
受光面积m2/KWp 15 11 10 制造能耗低低低
制造成本低中中
资源丰富度丰富较贫乏较贫乏
运行可靠程度中较高较高污染程度小中中
目前非晶体硅（a-Si）电池、铜铟镓硒（CIGS）电池和碲化镉（CdTe）电池己商业化，染料敏化纳米晶电池也有少量市场份额。

而碲化镉（CdTe）电池中的碲为稀少元素之一，扩大产能将面临上游原料缺乏的危机，且电池中的镉为污染元素，未来在欧洲恐被纳入环保管制标准内。

因此青岛市薄膜太阳能电池以非晶体硅（a-Si）电
池、铜铟镓硒（CIGS）电池和染料敏化纳米晶电池为发展方向。

二、铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池
20世纪70年代发展起来的铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池，属于多晶化合物半导体异质结太阳电池。

是各种薄膜太阳电池中效率最高、最有发展前途的薄膜太阳电池之一，是最具潜力的光伏太阳能电池，是新一代太阳能电池的投资热点。

（一）国内外铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池研发情况日本和欧美在CIGS太阳电池的研究方面投入大量人力物力，并取得相当快的进展。

日本从1994年启动CIGS产业化开发项目。

由昭和壳牌石油和松下电器分别以溅射硒化工艺和共蒸发工艺为中心进行研发，研究开发总投资达到2OO亿日元(相当1 4亿人民币)以上；美国以国家再生能源实验室（NREL）为中心进行研究，以GSE及Shell Solar为主进行产业开发；德国则以风险投资型企业Wurth SoIar为主，由政府投入巨资进行开发，开发总经费都达到了数亿美元。

目前，世界上有8个公司(德国的Wurth Solar、美国的Global Solar、日本本田、日本昭和壳牌、德国的Sulfurcell、美国的Daystar、美国Ascent以及美国的Miasole)致力于CIGS薄膜光伏的商业化生产，其年产量为l～20 MW(见下表)。

2019年，世界CIGS薄膜光伏的产能约为42 MW．在未来的2～3年将得到快速地发展。

预计到2019年的产量将达到917 MW 。

CIGS薄膜光伏电池生产能力(2O07-2019年)
单位：MW 序号地区公司2019产能增加产能20l0总产能
1 美国MiaSole 5 50 55
2 美国Global Solar
3 60 63
3 美国Dayster Trchnologies 1 10 11
4 美国Acent 2 2
5 27
5 美国Nanosolar ─430 430
6 美国SoloPower ─20 20
7 美国ISET ─ 3 3
8 美国Heliovolt ─20 20
9 日本Showa Shell 20 60 80
10 日本Honda 3 27 30
11 欧洲Wurth Solar 3 15 18
12 欧洲Sulfur Cells 5 5
13 欧洲Aleo Solar ─30 30
14 欧洲Juhanna Solar Tech ─30 30
15 欧洲Solisbro ─30 30
16 欧洲Global Solar ─30 30
17 欧洲Avancies ─20 20
18 欧洲Scheuten Solar ─10 10
19 欧洲Odersun ─ 5 5
合计42 875 917 2019年以前，我国从事CIGS薄膜太阳能电池研究的单位极少，稍有影响的是天津南开大学光电子所和清华大学机械工程系功能薄膜研究室。

之后北京大学重离子实验室、清华大学材料科学与工程系、中国科技大学等也开始开展了铜铟硒（C I S）系太阳能电池的研究。

（二）技术壁垒
典型的CIGS柔性薄膜太阳电池结构上图所示，由柔性衬底、下电极、吸收层、缓冲层、窗口层、减反射膜和上电极构成的。

CIGS 柔性薄膜太阳电池制备工艺的关键点在于吸收层的制备，而衬底材料的选择、底电极、缓冲层、窗口层、减反射膜和上电极的制备对太阳电池的性能影响也很重要。

根据我市的具体情况，CIGS太阳电池存在以下技术壁垒：
1、材料：CIGS合金制材料研制不易；
2、工艺：CIGS吸收层工艺简化、防护层与吸收层及窗口层晶界配合、贫铜及薄膜太阳能带隙双梯度的研究；
3、设备：自动连续电子束重发台、高刻划精度激光设备研制、可刻划图像的激光设备研制；
（三）研发需求
针对以上存在的技术壁垒，需开展以下技术攻关：
1、材料：开展CIGS合金靶材研制、高纯Ａｒ、Ｏ２、Ｎ２（６
Ｎ）气体研制、ＺｎＳ合金靶材研制、Ｎｉ－Ａｌ合金靶材研制、ＭｇＦ２合金靶材研制、ＮａＦ、Ｎａ２Ｓ及Ｎａ２Ｓｅ合金靶材研制和可刻画图像的激光设备研制；
2、工艺：CIGS合金靶材研制、CIGS薄膜太阳能电池、吸收层核心工艺研发、叠层CIGS吸收层工艺研发、柔性衬底叠层吸收层工艺研发、无钨丝型ＦＲ离子源研制、高刻画图像的激光设备研制；
3、设备；电子束蒸发台设备研制、柔性衬底自动镀膜设备研制、智能型逆变器研制
（四）资源状况
提供技术支撑的院校和研究院所有：中国海洋大学、青岛科技大学、生物能源与过程研究所、腐蚀与防护研究所。

企业有：青岛昌盛日电科技有限公司（铜锢镓硒）、青岛昌盛日电设备有限公司、青岛正翔半导体材料有限公司、青岛天源气体有限公司（提供高纯Ａｒ、Ｏ２、Ｎ２（６Ｎ）气体）、青岛新正锂业公司（蓄电池）、青岛浮法玻璃公司（提供钠石灰玻璃）。

（五）人才团队
初步调研，我市已有足够的人才来发展CIGS的薄膜太阳能电池事业，若能提供更好的政策，让人才能安心的在青岛发展，相信太阳能事业必能得到良好的发展。

（六）技术路线图
三、非晶硅(a-si)薄膜太阳能电池
非晶硅太阳电池是20世纪70年代中期才发展起来的一种新型薄膜太阳电池。

非晶硅太阳电池的发展对整个光伏电池的发展起了巨大的推动作用，并成为光伏能源中的一支生力军。

因光诱导衰减影响，非晶硅电池的效率随时间增加而逐渐降低(SW效应)，其发展速度逐渐放缓。

（一）非晶硅薄膜电池的特点
非晶硅太阳能电池具有以下优点：
1、非晶硅具有较高的光吸收系数，比单晶硅对太阳辐射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（约1μm厚）就能吸收90%有用的太阳能。

这是非晶硅材料最重要的特点，也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素。

2、非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，开路电压相对较高。

3、制备非晶硅的工艺和设备简单，淀积温度低，时间短，适用大批生产。

4、非晶硅几乎可以淀积在任何衬底上，包括廉价的玻璃衬底，易于实现大面积化。

5、制备非晶硅太阳能电池能耗少，能耗的回收年数比单晶硅电池短得多。

上述独特的技术优势，使得非晶硅(a-si)薄膜电池在民用领域具
有广阔的应用前景，如光伏建筑一体化、大规模低成本发电站、太阳能照明光源。

由于非晶硅薄膜电池的良好前景，许多企业正大规模进入非晶硅薄膜太阳能电池领域。

国内主要非晶硅薄膜电池生产厂家详见下表。

表国内主要非晶硅薄膜电池厂家与技术来源
厂家类型技术来源生产能力
电池生产厂家天津津能非晶硅匈牙利
廊坊新奥非晶硅—微晶硅美国40 保定天威非晶硅瑞士40 南阳宏威非晶硅东莞宏威数码30 威海中玻非晶硅匈牙利10 杭州正泰非晶硅—微晶硅瑞士40 杭州天宇非晶硅日本25 蚌埠普乐非晶硅自有技术20 南通强生非晶硅自有技术
上海尚德非晶硅美国40 南昌百世德非晶硅—微晶硅美国40 泉州金太阳非晶硅北仪30 深圳拓日非晶硅自有技术20 深圳创益非晶硅自有技术20 深圳宇光非晶硅自有技术 5 深圳杜邦非晶硅日本25 中山铨欣非晶硅北仪10
设备制造商北京北仪创新真空技术有限责任公司东莞宏威数码机械有限公司
深圳宇光高科新能源技术有限公司
（二）技术壁垒
非晶硅薄膜电池有两个致命缺点：一是不稳定，寿命短。

在光的不断照射下会发生光致衰减效应（即Staebler-Wronski效应，简称S-W 效应)，光电转化效率会下降到原来的25％。

二是它的光电转化效率远比晶体硅低，最近面世的晶体硅的光电转化效率已经提高到18%，而非晶硅的光电转化效率一直没有超过10%。

解决非晶硅薄膜电池稳定性及提高转换率的关键分材料、工艺、设备三个方面。

材料方面主要瓶颈在于非晶与晶体的掺混比例、化学计量的掺杂非晶硅、高性能透明导电层的研制等；工艺方面，我国尚不具备成套组件的生产能力，生产工艺需要自国外引进；设备方面需要解决设备集成技术、真空传递机械手、生产设备（如：在线检测设备、高质量pecvd、镀膜、光刻、封装切割设备）等的国产化生产。

（三）研发需求
1、电池材料
（1）高效低成本硅薄膜材料：研究非晶与晶体的掺混比例，进一步降低非晶硅薄膜电池的成本，对非晶硅薄膜电池的发展具有重大意义。

（2）宽光谱光电转换多带隙材料的研制
研究两类纳米材料。

一类是禁带中具有中间带的纳米材料。

第二类是纳米多层膜，研究多带隙纳米Si、ZnSe、CdTe、CdSe等材料和全光谱多层膜的制备方法。

2、高转换效率技术
3、工艺与设备
工艺方面将研究膜层厚度的优化和掺杂工艺的优化；设备则进行核心设备国产化研究、大面积镀膜设备的开发集成和真空传递机械手的控制研究。

（四）技术路线图
四、染料敏化(DSSC)薄膜太阳能电池
染料敏化薄膜太阳能电池自瑞士洛桑高等理工学院Gratzel M教授在1991年取得突破性进展以来，得到国际上广泛关注和重视，其廉价的生产成本和易于工业化生产的工艺技术、较短的能量回收周期以及广阔的应用前景，被认为是太阳能电池走向大规模应用的先导，吸引了众多科学家与企业进行产业化开发。

国外产业化刚刚开始，现在仅英国和澳大利亚的两家公司宣传已经成功将其产业化，我国目前虽尚未产业化，但产业化技术已日益成熟。

中国科学院化学所、等离子体所等单位正在与一些企业合作，进行产业化的演示，现在大面积转换效率为6％，具备实用化的基本条件，但效率和稳定性还需进一步考验。

（一）染料敏化薄膜太阳能电池的结构及原理染料敏化薄膜太阳能电池与传统硅太阳电池原理不同，其工作原理是当入射光照射到电极上时，染料分子吸收光子跃迁到激发态，由于激发态不稳定，释放的电子快速注入到紧邻的TiO2的导带上，进入TiO2导带中的电子最终进入导电膜，然后通过外回路产生光电流。

被氧化了的染料分子通过电解液扩散过来的I-还原回到基态，使染料分子得到再生，I-被氧化成I3-；同时电解质中的I3-扩散回到对电极被电子还原成I-。

然后DSSC电池在光作用下将进行下一个循环。

（二）染料敏化薄膜太阳能电池的前景
与传统的硅系太阳电池相比，染料敏化薄膜太阳能电池有良好的优势：
第一，制备工艺简单，成本低。

与硅系太阳电池相比，染料敏化电池没有复杂的制备工序，也不需要昂贵的原材料，产业链不长，容易实现成本低的商业化应用。

据估计DSSC太阳电池的制造成本只有硅系太阳电池的1/10～1/5。

第二，对环境危害小。

在硅电池制造中，所用的原料四氟化碳是有毒的，且需要高温和高真空，同时这一过程中需要耗费很多的能源；而DSSC电池所用的二氧化钛是无毒的，对环境没有危害不存在回收问题。

第三，效率转换方面基本上不受温度影响，而传统晶体硅太阳电池的性能随温度升高而下降。

第四，光的利用效率高，对光线的入射角度不敏感，可充分利用折射光和反射光。

DSSC太阳电池虽然有光明的前景，但其研究仍在起步阶段，还有较多难以克服的缺陷使其不能被广泛应用。

DSSC目前研究较有成果的是液态电解质电池，但这种电池存在一系列问题，如容易导致染料的脱附，容易挥发给密封性带来问题，含碘的液态电解质具有腐蚀性，且本身存在不逆反应导致电池寿命缩短。

解决这个问题的办法就是研制固态染料敏化电池，但目前这种固态电池的仍处于研究阶段，光电转换效率很低。

（三）技术壁垒
染料敏化太阳能电池目前比较成熟的染料光敏化剂是金属钌配合物，该染料不但具有很宽的可见光吸收区域，而且使用寿命很长，满足应用于光电池的基本条件。

但是核心的钌染料价格昂贵，我国目前尚无自主知识产权，这也直接制约到染料敏化薄膜太阳能电池的进一步低价格推广。

有机空穴传输材料作为染料敏化太阳能电池的全固态电解质，研究十分活跃，但由于纳米多孔膜存在孔径大小、分布和形貌等许多复杂因素，如何改善有机空穴传输材料和纳米多孔膜的接触，提高空穴传输的速率，降低有机空穴传输材料电阻，提高固态电解质太阳电池的光电转换效率等许多瓶颈问题尚需进一步深入研究。

生产设备上，国内生产组装技术不成熟，处在产品演示阶段，国产的检测控制设备也处于起步阶段。

（四）研发需求
研发重点是：纳米结构无机半导体薄膜及柔性基材的研制与量产，以便大幅提高产品的性价比，增强产品市场竞争力。

研制高效的敏化剂并能够量产，以期解决钌染料价格昂贵的问题。

固态电解质的研制与开发，使电池的性能更稳定使用寿命更长。

解决大面积染料太阳能电池组装技术与工艺问题，同时针对核心的检测控制设备进行研制与开发。

（五）资源状况
中科院青岛生物能源与过程研究所是新能源领域科技研发的战
略高技术研究机构，设有能源应用研究中心，重点面向国家能源、资源与环境等重大战略需求，开展基础性、战略性和前瞻性研究。

中国海洋大学和青岛科技大学在太阳能电池领域研发水平较高，并已形成研发团队。

他们对提升青岛市薄膜太阳能电池领域的创新能力与发展水平将产生重要的推进作用。

青岛高校山柏科技有限公司以芯片封装、自动化控制的优势，整合青岛科技大学材料研究与自动化控制、青岛环友等离子体研究有限公司微波等离子体镀膜的技术优势，形成了具有自主知识产权的高性能镀膜、干法刻饰设备与工艺开发的能力。

青岛亨达玻璃有限公司具备玻璃封装和基体支撑材料生产能力；青岛凯特太阳能电池有限公司是一家以专业研发、生产太阳能光热、光电综合利用产品的企业，他们对薄膜太阳能电池的产业化具有重大的促进作用。

（六）技术路线图。