1、青島市薄膜太陽能電池技術路線圖銅銦鎵硒、非晶硅、染料敏化薄膜太陽能電池二一年五月目 錄一、薄膜太陽能電池簡述2二、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池4（一）國內外銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池研發情況4（二）技術壁壘7（三）研發需求7（四）資源狀況8（五）人才團隊8（六）技術路線圖9三、非晶硅(a-si)薄膜太陽能電池11（一）非晶硅薄膜電池的特點11（二）技術壁壘12（三）研發需求13（四）技術路線圖14四、染料敏化(DSSC)薄膜太陽能電池15（一）染料敏化薄膜太陽能電池的結構及原理15（二）染料敏化薄膜太陽能電池的前景16（三）技術壁壘17（四）研發需求17（五）資源狀況18（六）技術

2、路線圖18一、薄膜太陽能電池簡述由于傳統能源的日漸減少和對環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，希望可再生能源能夠改變人類的能源結構，維持長遠的可持續發展。在這之中太陽能以其獨有的優勢而成為人們重視的焦點，豐富的太陽輻射能是一種取之不盡、用之不竭、無污染、廉價、人類能夠自由利用的重要能源。光伏太陽能技術就是直接將太陽光能轉變成電能的技術。“光伏”一詞源于物理學里的“光生伏特效應”，指光照使不均勻半導體或半導體與金屬組合的不同部位之間產生電位差的現象。利用光伏發電效應原理而制成的將太陽光能轉化為電能的裝置稱之為光伏太陽能電池或光伏電池，由多個太陽能電池經過封裝而形成光伏太陽能電

3、池板（組件）。光伏太陽能電池產業是當今世界技術經濟發展最快的行業，是其它領域無法比擬的高新技術產業，也是各個國家積極鼓勵發展的產業。據統計，目前全世界有超過130個國家投入普及應用太陽能電池的熱潮中，其中有90多個國家正在大規模地進行太陽能電池的研制開發，積極生產各種相關的節能新產品。2007年全球太陽能電池產量達到3436MW，較2006年增長56%，2008年全球太陽能電池產量高達6850MW，增速近100%。太陽能電池根據所用材料的不同，分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池等。其中，硅太陽能電池是目前發展最成熟的，在應用中居主導地位。但由于在過去的幾年中，國際多晶硅現貨價格猛漲，

4、一度從2005年的35美元公斤攀升至2008年的480美元公斤，因此價格低廉的薄膜電池得到了迅速的發展。薄膜太陽能電池是在廉價的玻璃、不銹鋼或塑料襯底上附上厚度只有幾微米的感光材料制成。與硅基太陽能電池相比，薄膜太陽能電池具有用材少、重量輕、外表光滑、安裝方便等優點。目前已經能進行產業化大規模生產的薄膜電池主要有3種：非晶體硅（a-Si）太陽能電池、銅銦鎵硒薄膜太陽能電池(CIGS)、碲化鎘薄膜太陽能電池(CdTe)。2007年光伏電池分類(按原材料)及市場份額各類薄膜太陽能電池性能比較非晶硅碲化鎘銅銦鎵硒光電轉換效率6-7%8-10%10-11%光伏組件效率6-78-1010-11受光面積m

5、2/KWp151110制造能耗低低低制造成本低中中資源豐富度豐富較貧乏較貧乏運行可靠程度中較高較高污染程度小中中目前非晶體硅（a-Si）電池、銅銦鎵硒（CIGS）電池和碲化鎘（CdTe）電池己商業化，染料敏化納米晶電池也有少量市場份額。而碲化鎘（CdTe）電池中的碲為稀少元素之一，擴大產能將面臨上游原料缺乏的危機，且電池中的鎘為污染元素，未來在歐洲恐被納入環保管制標準內。因此青島市薄膜太陽能電池以非晶體硅（a-Si）電池、銅銦鎵硒（CIGS）電池和染料敏化納米晶電池為發展方向。二、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池20世紀70年代發展起來的銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池，屬于多晶化合物半導體

6、異質結太陽電池。是各種薄膜太陽電池中效率最高、最有發展前途的薄膜太陽電池之一，是最具潛力的光伏太陽能電池，是新一代太陽能電池的投資熱點。（一）國內外銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池研發情況日本和歐美在CIGS太陽電池的研究方面投入大量人力物力，并取得相當快的進展。日本從1994年啟動CIGS產業化開發項目。由昭和殼牌石油和松下電器分別以濺射硒化工藝和共蒸發工藝為中心進行研發，研究開發總投資達到2OO億日元(相當1 4億人民幣)以上；美國以國家再生能源實驗室（NREL）為中心進行研究，以GSE及Shell Solar為主進行產業開發；德國則以風險投資型企業Wurth SoIar為主，由政府投入巨

7、資進行開發，開發總經費都達到了數億美元。目前，世界上有8個公司(德國的Wurth Solar、美國的Global Solar、日本本田、日本昭和殼牌、德國的Sulfurcell、美國的Daystar、美國Ascent以及美國的Miasole)致力于CIGS薄膜光伏的商業化生產，其年產量為l20 MW(見下表)。2007年，世界CIGS薄膜光伏的產能約為42 MW在未來的23年將得到快速地發展。預計到2010年的產量將達到917 MW 。 CIGS薄膜光伏電池生產能力(2O07-2010年) 單位：MW序號地區公司2007產能增加產能20l0總產能1美國MiaSole550552美國Global

8、 Solar360633美國Dayster Trchnologies110114美國Acent225275美國Nanosolar4304306美國SoloPower20207美國ISET338美國Heliovolt20209日本Showa Shell20608010日本Honda3273011歐洲Wurth Solar3151812歐洲Sulfur Cells5513歐洲Aleo Solar303014歐洲Juhanna Solar Tech303015歐洲Solisbro303016歐洲Global Solar303017歐洲Avancies202018歐洲Scheuten Solar101

9、019歐洲Odersun55合計428759172001年以前，我國從事CIGS薄膜太陽能電池研究的單位極少，稍有影響的是天津南開大學光電子所和清華大學機械工程系功能薄膜研究室。之后北京大學重離子實驗室、清華大學材料科學與工程系、中國科技大學等也開始開展了銅銦硒（C I S）系太陽能電池的研究。（二）技術壁壘典型的CIGS柔性薄膜太陽電池結構上圖所示，由柔性襯底、下電極、吸收層、緩沖層、窗口層、減反射膜和上電極構成的。CIGS柔性薄膜太陽電池制備工藝的關鍵點在于吸收層的制備，而襯底材料的選擇、底電極、緩沖層、窗口層、減反射膜和上電極的制備對太陽電池的性能影響也很重要。根據我市的具體情況，CIG

10、S太陽電池存在以下技術壁壘：1、材料：CIGS合金制材料研制不易；2、工藝：CIGS吸收層工藝簡化、防護層與吸收層及窗口層晶界配合、貧銅及薄膜太陽能帶隙雙梯度的研究；3、設備：自動連續電子束重發臺、高刻劃精度激光設備研制、可刻劃圖像的激光設備研制；（三）研發需求針對以上存在的技術壁壘，需開展以下技術攻關：1、材料：開展CIGS合金靶材研制、高純、（）氣體研制、合金靶材研制、合金靶材研制、合金靶材研制、及合金靶材研制和可刻畫圖像的激光設備研制；2、工藝：CIGS合金靶材研制、CIGS薄膜太陽能電池、吸收層核心工藝研發、疊層CIGS吸收層工藝研發、柔性襯底疊層吸收層工藝研發、無鎢絲型離子源研制、高

11、刻畫圖像的激光設備研制；3、設備；電子束蒸發臺設備研制、柔性襯底自動鍍膜設備研制、智能型逆變器研制（四）資源狀況提供技術支撐的院校和研究院所有：中國海洋大學、青島科技大學、生物能源與過程研究所、腐蝕與防護研究所。企業有：青島昌盛日電科技有限公司（銅錮鎵硒）、青島昌盛日電設備有限公司、青島正翔半導體材料有限公司、青島天源氣體有限公司（提供高純、（）氣體）、青島新正鋰業公司（蓄電池）、青島浮法玻璃公司（提供鈉石灰玻璃）。（五）人才團隊初步調研，我市已有足夠的人才來發展CIGS的薄膜太陽能電池事業，若能提供更好的政策，讓人才能安心的在青島發展，相信太陽能事業必能得到良好的發展。（六）技術路線圖三、非

12、晶硅(a-si)薄膜太陽能電池非晶硅太陽電池是20世紀70年代中期才發展起來的一種新型薄膜太陽電池。非晶硅太陽電池的發展對整個光伏電池的發展起了巨大的推動作用，并成為光伏能源中的一支生力軍。因光誘導衰減影響，非晶硅電池的效率隨時間增加而逐漸降低(SW效應)，其發展速度逐漸放緩。（一）非晶硅薄膜電池的特點非晶硅太陽能電池具有以下優點：1、非晶硅具有較高的光吸收系數，比單晶硅對太陽輻射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（約1m厚）就能吸收90%有用的太陽能。這是非晶硅材料最重要的特點，也是它能夠成為低價格太陽能電池的最主要因素。2、非晶硅的禁帶寬度比單晶硅大，開路電壓相對較高。3、制備非晶

13、硅的工藝和設備簡單，淀積溫度低，時間短，適用大批生產。4、非晶硅幾乎可以淀積在任何襯底上，包括廉價的玻璃襯底，易于實現大面積化。5、制備非晶硅太陽能電池能耗少，能耗的回收年數比單晶硅電池短得多。上述獨特的技術優勢，使得非晶硅(a-si)薄膜電池在民用領域具有廣闊的應用前景，如光伏建筑一體化、大規模低成本發電站、太陽能照明光源。由于非晶硅薄膜電池的良好前景，許多企業正大規模進入非晶硅薄膜太陽能電池領域。國內主要非晶硅薄膜電池生產廠家詳見下表。表 國內主要非晶硅薄膜電池廠家與技術來源廠家類型技術來源生產能力電池生產廠家天津津能非晶硅匈牙利廊坊新奧非晶硅微晶硅美國40保定天威非晶硅瑞士40南陽宏威非

14、晶硅東莞宏威數碼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蚌埠普樂非晶硅自有技術20南通強生非晶硅自有技術上海尚德非晶硅美國40南昌百世德非晶硅微晶硅美國40泉州金太陽非晶硅北儀30深圳拓日非晶硅自有技術20深圳創益非晶硅自有技術20深圳宇光非晶硅自有技術5深圳杜邦非晶硅日本25中山銓欣非晶硅北儀10設備制造商北京北儀創新真空技術有限責任公司東莞宏威數碼機械有限公司深圳宇光高科新能源技術有限公司（二）技術壁壘非晶硅薄膜電池有兩個致命缺點：一是不穩定，壽命短。在光的不斷照射下會發生光致衰減效應（即Staebler-Wronski效應，簡稱S-W效應)，光電轉化

15、效率會下降到原來的25。二是它的光電轉化效率遠比晶體硅低，最近面世的晶體硅的光電轉化效率已經提高到18%，而非晶硅的光電轉化效率一直沒有超過10%。解決非晶硅薄膜電池穩定性及提高轉換率的關鍵分材料、工藝、設備三個方面。材料方面主要瓶頸在于非晶與晶體的摻混比例、化學計量的摻雜非晶硅、高性能透明導電層的研制等；工藝方面，我國尚不具備成套組件的生產能力，生產工藝需要自國外引進；設備方面需要解決設備集成技術、真空傳遞機械手、生產設備（如：在線檢測設備、高質量pecvd、鍍膜、光刻、封裝切割設備）等的國產化生產。（三）研發需求1、電池材料（1）高效低成本硅薄膜材料：研究非晶與晶體的摻混比例，進一步降低非

16、晶硅薄膜電池的成本，對非晶硅薄膜電池的發展具有重大意義。（2）寬光譜光電轉換多帶隙材料的研制研究兩類納米材料。一類是禁帶中具有中間帶的納米材料。第二類是納米多層膜，研究多帶隙納米Si、ZnSe、CdTe、CdSe等材料和全光譜多層膜的制備方法。2、高轉換效率技術3、工藝與設備工藝方面將研究膜層厚度的優化和摻雜工藝的優化；設備則進行核心設備國產化研究、大面積鍍膜設備的開發集成和真空傳遞機械手的控制研究。（四）技術路線圖四、染料敏化(DSSC)薄膜太陽能電池染料敏化薄膜太陽能電池自瑞士洛桑高等理工學院Gratzel M教授在1991年取得突破性進展以來，得到國際上廣泛關注和重視，其廉價的生產成本和

17、易于工業化生產的工藝技術、較短的能量回收周期以及廣闊的應用前景，被認為是太陽能電池走向大規模應用的先導，吸引了眾多科學家與企業進行產業化開發。國外產業化剛剛開始，現在僅英國和澳大利亞的兩家公司宣傳已經成功將其產業化，我國目前雖尚未產業化，但產業化技術已日益成熟。中國科學院化學所、等離子體所等單位正在與一些企業合作，進行產業化的演示，現在大面積轉換效率為6，具備實用化的基本條件，但效率和穩定性還需進一步考驗。（一）染料敏化薄膜太陽能電池的結構及原理染料敏化薄膜太陽能電池與傳統硅太陽電池原理不同，其工作原理是當入射光照射到電極上時，染料分子吸收光子躍遷到激發態，由于激發態不穩定，釋放的電子快速注入

18、到緊鄰的TiO2的導帶上，進入TiO2導帶中的電子最終進入導電膜，然后通過外回路產生光電流。被氧化了的染料分子通過電解液擴散過來的I-還原回到基態，使染料分子得到再生，I-被氧化成I3-；同時電解質中的I3-擴散回到對電極被電子還原成I-。然后DSSC電池在光作用下將進行下一個循環。（二）染料敏化薄膜太陽能電池的前景與傳統的硅系太陽電池相比，染料敏化薄膜太陽能電池有良好的優勢：第一，制備工藝簡單，成本低。與硅系太陽電池相比，染料敏化電池沒有復雜的制備工序，也不需要昂貴的原材料，產業鏈不長，容易實現成本低的商業化應用。據估計DSSC太陽電池的制造成本只有硅系太陽電池的1/101/5。第二，對環境

19、危害小。在硅電池制造中，所用的原料四氟化碳是有毒的，且需要高溫和高真空，同時這一過程中需要耗費很多的能源；而DSSC電池所用的二氧化鈦是無毒的，對環境沒有危害不存在回收問題。第三，效率轉換方面基本上不受溫度影響，而傳統晶體硅太陽電池的性能隨溫度升高而下降。第四，光的利用效率高，對光線的入射角度不敏感，可充分利用折射光和反射光。DSSC太陽電池雖然有光明的前景，但其研究仍在起步階段，還有較多難以克服的缺陷使其不能被廣泛應用。DSSC目前研究較有成果的是液態電解質電池，但這種電池存在一系列問題，如容易導致染料的脫附，容易揮發給密封性帶來問題，含碘的液態電解質具有腐蝕性，且本身存在不逆反應導致電池壽命縮短。解決這個問題的辦法就是研制固態染料敏化電池，但目前這種固態電池的仍處于研究階段，光電轉換效率很低。（三）技術壁壘染料敏化太陽能電池目前比較成熟的染料光敏化劑是金屬釕配合物，該染料不但具有很寬的可見光吸收區域，而且使用壽命很長，滿足應用于光電池的基本條件。但是核心的釕染料價格昂貴，我國目前尚無自主知識產權，這也直接制約到染料敏化薄膜太陽能電池的進一步低價格推廣。有機空穴傳輸材料作為染料敏化太陽能電池的全固態電解質，研究十分活躍，但由于納米多孔膜存在孔徑大小、分布和形貌等許多復雜因素