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CIGS Thin Film solar cell


铜铟镓硒薄膜太阳能电池

产生背景
早期雏形: ? 1974 年,Wagner 等人研究了 n 型硫化镉p 型铜铟硒太阳电池, 其光电转换效率高 达 12%左右。 ? 由于在早期研究中 CIS 太阳电池表现了优 异光电特性, 使各国科学家在随后的 20 多年里开展了广泛深入的研究。

发展历史
? 1976年,美国首

次研究成功CIS薄膜太阳电池,转换效率 达到6.6%。 ? 1982年,波音公司通过3元(Cu、In、Se)蒸发方法,制造 出了效率超过10%的薄膜电池。 ? 1983年,ArcoSolar公司提出——硒化法,该项技术具有 简单、廉价的特点,现在已经发展为制作CIS电池最重要的 技术。 ? 80年代后期,德国开发出了转换效率为11.1%的CIS电池, 这是转换效率首次超过10%。其稳定性好、耐空间辐射的 优良特性也逐渐得到行业的重视。 ? 90年代初,瑞典报道了效率为17.6%,面积0.4cm2的CIS 太阳电池,这是当时的世界记录。 到90年代末期,美国可再生能源实验室(NREL)将转化效率 提高到了18.8%,同时开始生产发电用CIGS太阳能电池组 件(40W),组件效率达到当时最高的12.1%。

? 到2001年,德国风险投资企业WurthSolar开始在 欧洲销售60cm×120cm的CIGS太阳能电池组件, 它是制备在钠玻璃基片上的。 ? 2000年,美国可再生能源研究所制备出亚微米级 (0.74μm)CIGS太阳能电池,效率达12%~13%, 更加显示出了铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池的性 价优势及广阔的市场前景。 ? 2003年,日本昭和壳牌石油公司开发的3459cm2 组件转换效率达到了13.4%。 ? 在2007年,美国可再生能源实验室,用三步共蒸 发法制备的铜铟镓硒薄膜太阳能电池,转化效率 达到了19.9%,这是单结薄膜太阳能电池的世界记 录。

? 薄膜电池2014.3.3 美国CIGS薄膜开发商Stion日前称,启 用可扩展工业生产,原型CIGS电池 (20cmx20cm)日前实现23.2%的转换效率。 其期待在其加州圣何塞中试线上,将 CIGS技术应用到效率为20-22%的单片组件 (65cmx165cm)上。

CIGS被称为第三代solar cell
? 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

? 成熟的晶体硅光电转化率为22% ? 多晶硅转化率为15% ? 非晶硅转化率为5%-8% ? 目前世界主要的CIGS薄膜太阳能电池生 产 ? 商业的转化率平均在11.7%-13%之间, 实验室最高转化率可达19.5%。 ? 目前,汉能集团通过海外技术并购和技术 整合创新,已经使得我国薄膜光伏技术达 到国际领先水平,其中铜铟镓硒(CIGS)组 件实验室转化率已达19.6%,量产转化率已 达15.7%。

市场份额
铜铟镓硒 带硅片硅 锑化镉 非晶硅

多晶硅

单晶硅

2007年各类太阳能电池比重

08年预测

CIGS电池的优势
? 1. 成本低;(成本则是晶体硅电池的1/3) ? 2. 转换效率高; (居各种薄膜太阳能电池之首接近晶体硅 太阳电池) ? 3.具有柔性; ? 4.易于大面积化; ? 5.耗能低; ? 6.污染小; ? 7.材料来源较广泛; ? 8.无光衰; ? 9.弱光性能好; ? 10.外观是柔和、均匀的黑色;(应用于大型建筑物的玻璃 幕墙、现代化高层建筑等领域)

产品优势性能

应用

视频

电池结构

结构: 由上到下依次为顶电极: 具有透明导电性的铝掺杂氧化锌, 缓冲层:本征氧化锌及硫化镉, 吸收层:铜铟镓硒薄膜, 背电极:金属钼 , 衬底:玻璃。

发电原理
阳光照在电池表面,穿 过顶电极, 缓冲层,被铜铟 镓硒吸收产生截流子,在内 建电场的作用下吸收层接近 硫化镉区域,不同电荷的载 流子分离,负电荷走向顶电 极,正电荷走向背电极,由 此,太阳能便源源不断地转 化为可供我们使用的电能。

制备方法

? 目前CIGS薄膜太阳能电池的制备方法有: 蒸镀法、硒化法、溅射法、丝网印刷法、 电沉积法、化学气相沉积法、分子束外延 法、喷涂热解法和涂布烧结法等

现在CIGS薄膜太阳能电池组件面积已经可以达到0.5平方 米以上,主要600mm×900mm和600mm×1200mm等规格。主要由各公 司不同设备条件决定。其组件生产工艺流程如图所示:

从上表可以看出世界主要CIGS厂家技术现状。可以看出,蒸渡 和溅射后硒化是两种最广泛采用,最有实际应用前景的方法。尤其 是预制膜硒化技术,更有优势,可以满足大面积生产,同时又能保 证产品效率的最有效方法。

蒸镀法

CIGS 薄膜太阳能电池的主要研发生 产企有:
? ? ? ? ? ? 德国伍尔特太阳能(Würth Solar); 美国环球太阳能(Global Solar Energy 纳米太阳能(Nanosolar)、 米亚索能(Miasole); 日本昭和壳牌石(ShowaShellSekiyu)、 本田(Honda Soltec)等

国内CIGS薄膜电池主要生产企业

国内产业发展状况:
? 汉能控股集团在2012 年6 月成功收购德国第一大薄膜太阳 能公Solibro 后,又于2013 年1 月9 日在北京总部正式宣 布完成对MiaSolé 的并购。本次并购使汉能获得全球转化 率最高的铜铟镓硒(CIGS)技术,成为规模、技术上皆领 先全球的薄膜太阳能企业。 ? 目前, 汉能薄膜太阳能产能已达到3GW, 超过美国第一 太阳能(First Solar),成为世界上规模最大的薄膜太阳 能企业。 ? 汉能正积极拓展全球光伏应用市场。目前,已与新疆、青 海、宁夏、江苏、海南、山东、河北等省区以及欧洲多国 签订了约10G(1000万千瓦)的太阳能电站建设协议,其 中包括已建成的宁夏吴忠太阳山20MW、青海海南州 50MW 等地面电站;广东河源、意大利拉奎拉、俄罗斯乌 苏里斯克中俄经济开发区等地的屋顶电站。

当前国内主要CIGS项目情况
? 1. 2009年,广州市与耀飞国际有限公司和广东信 宇投资有限公司签约,拟投资5亿美元建设4条 25MW的CIGS生产线。 ? 2. 苏州高赛项目 ? 2010年苏州高赛太阳能技术有限公司正式投产一 条25MW生产线,预计年销售额达3000万美元。 ? 3. 2009年,锦州与美国ARION集团、台湾金色能 源太阳能有限公司签订了合作协议,投资30亿元 人民币建设200兆瓦生产规模。 ……….

产业化道路上的主要障碍
? (1) 设备购置成本问题 ? 其生产设备几乎为晶体电池设备投资额的10倍 ? (2)生产原材料价格问题 ? 原料价格直接影响生产成本。近年来,多晶硅 系列电池得到了广泛运用,大量的需求造成了国 际市场上晶体硅原料价格大涨近10倍 ? CIGS薄膜材料中所含稀缺元素铟在我国有丰富 的储量但是由于国内现在并没有建立对铟原料的 大宗商品交易规则,因此存在与硅原料价格类似 被国外金融资本操纵的情况。

CIGS项目的技术难点
? CIGS薄膜是多元化合物半导体,原子配对 以及晶格匹配性依赖于制作过程中对主要 半导体工艺参数的精密控制,工艺的重复 性差,高效电池的成品率低,也无法预测 CIGS性能和器件性能的关系。CIGS太阳能 电池具有敏感的元素配比和复杂的多层结 构,CIGS膜与Mo衬底间较差的附着性也是 成品率低的重要因素。 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。

? 除此之外,CIGS薄膜光伏技术的广泛运用 还须解决如下技术关键: ? 1)如何保证薄膜的均匀性并制得1cm或更 薄的吸收层薄膜; ? 2)选择合适的沉积CIGS薄膜的技术路线; ? 3)提高组件的效率; ? 4)解决柔性CIGS组建的防潮问题。

展望
最近几年,原子层沉积技术(ALD)快速发展,它是一种类似CVD的化学 沉积制备薄膜的方法。 主要优点是制备的薄膜更加致密,缺陷更少,对衬底表面没有任何要求。 如果用这种方法制备CIGS薄膜太阳能电池的缓冲层ZnS,不仅可以实现 电池的无镉化,避免废水处理等不利因素,还可以实现电池制备工艺 的流水化。整个工艺过程可以实现全真空化,提高电池转化效率,同 时提高电池的生产效率。 IBM公司的研究部门正在开发常温下制造CIGS太阳能电池的工艺,光电 转换效率的目标也在15%以上。随着技术的发展和研究的深入, CIGS电池的性能将会快速提高,即将成为未来薄膜太阳能组件的主 流产品。 在投资环境尚未明朗的情况下,各国风投逆市转投新型薄膜太阳能行业, 在我国CIGS太阳能电池已成为光伏领域新的投资热点。预计到2015 年,CIGS将占薄膜太阳能电池市场的43.3%,

成员
秦希荣 南瑞 贺旭阳 万应天 张晓龙 马威 李锋


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