銅銦鎵硒太陽能電池 - 副本

銅銦鎵硒

僅在數年以前，薄膜光伏技術在光伏產業(yè)中還只能用“微不足道”來形容，但在今天，其生產份額不斷擴張。薄膜太陽能電池目前主要分為非晶硅薄膜太陽能電池、碲化鎘（CdTe）薄膜太陽能電池、銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池三類。引言：2005-2010年薄膜太陽能電池薄膜電池與傳統硅晶電池的比較傳統硅晶電池：由硅晶體組成,電池主要部分易碎,易產生隱形裂紋,大多有一層鋼化玻璃作為防護,造成重量大,攜帶不便,抗震能力差,造價高,效率或多或少降低薄膜電池：克服了上述缺點，重量輕,厚度薄.可彎曲,易攜帶,克服了上述缺點,但并沒有傳統硅晶電池轉化效率高.銅銦鎵硒（CIGS）具有薄膜光伏的所有優(yōu)點，性能穩(wěn)定、抗輻射能力強，光電轉換效率目前是各種薄膜太陽電池之首，接近于目前市場主流產品晶體硅太陽電池轉換效率，成本卻是其1/3。被國際上稱為下一代的廉價太陽電池最早對ＣＩGＳ的基礎性研究是在六十年代到八十年代,１９７４年，Ｗａｇｎｅｒ等人制備出了第一塊ＣＩＳ高效電池，１９８１年。Ｒ．Ａ．Ｍｉｃｌｃｅｌｓｅｎ等科學家用多源共蒸發(fā)的方法制備出了效率為９．４％的多晶ＣｕｌｎＳｅ２薄膜太陽電池，８０年代中期，ＡＲＣＯ太陽公司首次利用濺射金屬預制層硒化法制備出了適合商業(yè)開發(fā)的太陽電池。歷史1光吸收能力強

CIGS太陽能電池由Cu（銅）、In（銦）、Ga（鎵）、Se（硒）四種元素構成最佳比例的黃銅礦結晶作為吸收層，可吸收光譜波長范圍廣，除了晶硅與非晶硅太陽能電池可吸收光的可見光譜范圍，還可以涵蓋波長在700~1200nm之間的紅外光區(qū)域，即一天內可吸收光發(fā)電的時間最長，CIGS薄膜太陽能電池與同一瓦數級別的晶硅太陽能電池相比，每天可以超出20%比例的總發(fā)電量優(yōu)點2發(fā)電穩(wěn)定性高由于晶硅電池本質上有光致衰減的特性，經過陽光的長時間暴曬，其發(fā)電效能會逐漸減退，而CIGS太陽能電池則沒有光致衰減特性，發(fā)電穩(wěn)定性高。晶硅太陽能電池經過較長一段時間發(fā)電后，或多或少存在熱斑現象，導致發(fā)電量小，增加維護費用，而CIGS太陽能電池能采用內部連接結構、可避免此現象的發(fā)生，較晶硅太陽能電池比所需的維護費用低。4成產成本低CIGS太陽能電池主要成本為玻璃基板與Cu（銅）、In（銦）、Ga（鎵）、Se（硒）四種元素構成的原材料，其中玻璃只需采用一般建材所使用的鈉玻璃，不需要使用太陽能專用超白玻璃或者薄膜導電玻璃。四種金屬元素不是貴重金屬，而且每片電池板的CIGS吸收層所需膜層厚度不超過3μm（微米），原材料需求量不高，每片成本十分具有競爭力。5能源回收周期短

太陽能電池是很好的可再生能源技術，可以解決我們人類的能源需求問題又不不污染環(huán)境，但是生產太陽能電池本身也需要消耗一定的能源。評估一個可再生能源裝置是否真正環(huán)保，除了轉換效率，更重要的是使用該裝置所產生的再生能源，需要多長時間才能相當于當初生產時所消耗的能源總量，即所謂能換回收周期。根據美國能源總署（U.S.DepartmentofEnergy）研究，以30年壽命的太陽能裝置為例，晶硅太陽能電池的回收期間為2~4年，而薄膜太陽能電池為1~2年。換而言之，每一個太陽能發(fā)電系統，可享有26~29年真正無污染的期間，而采用CIGS太陽能無疑是最佳選擇。缺點1.制程復雜，投資成本高2.關鍵原料的供應不足3.緩沖層CdS具有潛在的毒性。電池結構結構：由上到下依次為頂電極：具有透明導電性的鋁摻雜氧化鋅，緩沖層：本征氧化鋅及硫化鎘，吸收層：銅銦鎵硒薄膜，背電極：金屬鉬，襯底：玻璃。工作原理圖工作原理原理：陽光照在電池表面，穿過頂電極，緩沖層，被銅銦鎵硒吸收產生截流子，在內建電場的作用下吸收層接近硫化鎘區(qū)域，不同電荷的載流子分離，負電荷走向頂電極，正電荷走向背電極，由此，太陽能便源源不斷的轉化為可供我們使用的電能，之所以具有較高的效率是因為銅銦鎵硒材料對太陽光的吸收能力極強。銅銦鎵硒太陽能電池板的制作方法1蒸鍍法（多用于實驗室制法）2磁控濺射法（多用于工業(yè)制法）3分子束外延法4噴涂熱解法5電沉積方法實驗室制法簡介制法名稱：共蒸發(fā)法利用共蒸發(fā)法的原因：產生薄膜效率最高、設備要求最高步驟：第一步：共蒸發(fā)In，Ga和Se沉積在Mo覆蓋的玻璃襯底上，襯底溫度250—400℃，形成In-

Ga-Se層。第二步：共蒸發(fā)Cu和Se沉積在In-Ga-Se層上，襯底溫度升高至大于540℃，形成富Cu的

CIGS層。第三步：就是少量的In，Ga，Se沉積以形成少量貧銅的CIGS薄膜，襯底溫度同第二步共蒸發(fā)法治銅銦鎵硒吸收層優(yōu)點：

得到表面更加光滑的CIGS薄膜，可以降低CIGS層與緩沖層的界面態(tài)密度，減少了器件的暗電流。三步法中的富銅過程有利于結晶質量的改善和晶粒尺寸的增加。（利用液相Cu2-xSe的作用，使CIGS晶粒重結晶，以形成CIGS大晶粒。）減少其在Mo背接觸的復合，提高了開路電壓。薄膜前部Ga的梯度變化有利于提高器件在長波波段區(qū)域的量子效率，提高了短路電流。

共蒸發(fā)法治銅銦鎵硒吸收層的缺點：薄膜的均勻性比較難控制，材料浪費嚴重,不能滿足大規(guī)模產業(yè)化的要求。薄膜與襯底結合能力差,影響使用壽命制備符合化學計量比具有黃銅礦結構的多晶薄膜吸收層較困難。工業(yè)制法的簡介制法名稱:濺射后硒化法利用磁控濺射法的原因:

設備相對較簡單；產膜

速率高，產量大；工藝參數易于控制；原材料利用率高

制作步驟：選擇襯底及清洗DC磁控濺射法制備Mo電極制備CuIn0.7Ga0.3薄膜在真空或氬氣環(huán)境下利用Se蒸汽進行硒化，產生CulnGaSe薄膜。濺射硒化法優(yōu)點可以比較精確的調節(jié)各元素的化學配比薄膜的致密性高，使用壽命長原材料的利用率高，對不需要沉積薄膜的地方加以屏蔽，可減少對真空室的污染薄膜均勻性較好，有利于制造大面積CIS電池步驟四應用的固態(tài)源硒化法。這一方式可避免使用劇毒的H2Se氣體，因此操作更加安全，設備也相對簡單。

國內外工業(yè)制法的發(fā)展現狀國外：目前全球有30多家公司置身于CIGS產業(yè)，但真正進入市場開發(fā)的公司只有德國的Wuerth（伍爾特）、Surlfulcell，美國的GlobalSolarEnergy，日本的Honda（本田）、ShowaSolarShell。2006年、2007年世界CIGS電池組件產能分別為17.5MW、60.5MW，在世界光伏市場上占據的份額很小。國內：中國的CIGS產業(yè)遠遠落后于歐美和日本等國家和地區(qū)，南開大學以國家“十五”“863”計劃為依托，建設0.3MW中試線，現已制備出30cm×30cm效率為7%的集成組件樣品。2008年2月，山東孚日光伏科技有限公司宣布與德國的Johanna合作，獨家引進了中國首條CIGSSe（銅銦鎵硫硒化合物）商業(yè)化生產線。

發(fā)展銅銦鎵硒太陽能電池遇到的阻礙實驗室研究所遇到的阻礙薄膜中第二相的存在是影響CIS光電性能的主要原因。在CIS材料的制備中常出現如CuXSe等第二相。當第二相存在于晶粒間時，將有效阻止載流子在晶粒間的運動，減小載流子的效率。電池串聯電阻是太陽電池功率損耗的一個重要因素。通過理論計算分析，結果表明電池窗口層橫向電阻、本征層i-ZnO電阻和基區(qū)體電阻是電池串聯電阻的主要來源，分別占電池總的串聯電阻的45．7％、26．6％、21．3％．工業(yè)量化生產面對的阻礙原材料In的稀缺性。緩沖層CdS具有潛在的毒性。無Cd緩沖層的工藝是目前研發(fā)的重點。制程復雜，投資成本高。CIGS電池結構改進的探索更換太陽能電池的襯底采用雙面照射。

為了改善背面照射時電池的效率，可以通過降低吸收層CIGS的厚度，使得吸收層產生的光生載流予能夠到達異質結的耗盡區(qū)，從而被電場分離，提高短路電流，從而提高電池的轉換效率。我國CIGS太陽能電池的發(fā)展前景資源上：在CIGS太陽能電池的所有膜系結構中，涉及Mo、ZnO、AI、ZnS、MgO以及Cu、In、Ga、Se等材料。除了In以外，都不是稀缺材料。我國In的產量和已探明的儲量占世界的六分之一，說明在我國發(fā)展CIGS太陽能技術在資源上具有優(yōu)勢和可行的。成本：根據日本NEDO太陽光發(fā)電技術研究組合戰(zhàn)略企劃委員會的預測，到2010年CIGS太陽能電池板的價格可以達到75日元／W(相當于5RMB／W)。根據C