發展太陽能光伏產業的緊迫性及CIGS薄膜太陽能電池的優勢蘇州晶能科技有限公司華東師范大學納光電集成與先進裝備工程研究中心褚家寶15/05/2008一、解決環境問題及能源結構的緊迫性

二、太陽能光伏電池的定義、種類及特點

三、銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池的結構及其優勢

四、CIGS各層主要技術指標及測試結果

五、現階段可以發展的相關產品及技術

一、解決環境問題及能源結構的緊迫性人類文明的兩大空前挑戰傳統能源的枯竭：主要是化石能源，包括煤、石油、天然氣等。煤還有１００年的可開采儲量，石油、天然氣的儲量不足５０年。化石能源的大量利用導致環境的嚴重污染，和溫室效應。環境的嚴重污染：酸雨、土地沙化、近海的污染、空氣污染等等。客觀表現形式：氣候異常，災難性氣候事件增多，傳染性疾病流行等等

人類可以利用的主要能源形式及其特點、問題一）核能：清潔，技術要求高，維護成本較高，出現事故即是責難性的，存在原材料短缺問題，是以后可利用能源的重要組成部分（儲量70年）。二）化石能源（石油、煤炭、天然氣等）：現在的主要來源，污染問題、資源枯竭問題。三）水能：潔凈，有限，主要補充。四）地熱、風能、潮汐能：潔凈，資源有限，地理條件限制，有條件的地方可以作為重要的補充形式。五）生物質能：較潔凈，資源有限，大量利用會導致食品安全問題，尤其是不適合人口大國的開發利用。六）太陽能：潔凈、資源永不枯竭、基本不受地理條件限制，地球能源的真正來源。問題：技術要求高，價格高。現在發展迅速，是將來能源的主要利用形式之一。研究主要命題：效率、價格。太陽能是人類未來能源的必然選擇資源豐富：40分鐘照射地球輻射的能量＝全球人類一年的能量需求潔凈能源：與石油、煤炭等礦物燃料不同，不會導致“溫室效應”，也不會造成環境污染使用方便：同水能、風能等新能源相比，不受地域的限制，利用成本低。

不論以何種材料來制作電池，對太陽能電池材料一般的要求有：１、半導體材料的禁帶不能太寬；２、要有較高的光電轉換效率：３、材料本身對環境不造成污染；４、材料便于工業化生產且材料性能穩定。

電池工業化生產的工藝要求：太陽電池從研究室走向工廠，實驗研究走向規模化生產是其發展的道路，所以能夠達到工業化生產的特征應該是：１、電池的制作工藝能夠滿足流水線作業；２、能夠大規模、現代化生產；３、達到高效、低成本。二太陽能光伏電池的定義、種類及應用

定義：太陽能光伏發電的能量轉換器是太陽能電池，又稱光伏電池。太陽能電池發電的原理是光生伏打效應。當太陽光（或其他光）照射到太陽能電池上時，電池吸收光能，產生光生電子——空穴對。在電池內建電場作用下，光生電子和空穴被分離，電池兩端出現異號電荷的積累，即產生“光生電壓”，這就是“光生伏打效應”。若在內建電場的兩側引出電極并接上負載，則負載就有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出。這樣，太陽的光能就直接變成了可以付諸實用的電能。+++++++++++N型P型－－－－－－－－－－E+－+－+－+－陽光＋－PN結型太陽能電池結構與原理太陽電池應用軍事：我國海島部隊、邊防哨所的軍事裝備、軍人生活水平改善等方面起到了重大的作用。

通訊領域：通訊基站、中繼站、直放站的電力供應，廣泛用于現代化通訊領域。太陽能光伏發電在交通信號上的廣泛應用避免了鋪設供電線路和開鑿路面的工作，直接架設，成本低廉，方便安裝與使用。

太陽能光伏發電的廣泛應用體現了可持

續發展能源和循環經濟的理念，將調整能

源結構，保障能源安全，在改善和保護地

球環境和確保人類社會的可持續發展中占

據日益重要的地位。我國太陽能利用現狀及和主要發達國家的差距

資源儲量：我國總面積2/3以上地區年日照時數大于2200小時，其中西藏、青海、新疆、甘肅、寧夏、內蒙古高原均為太陽能資源豐富地區；除四川盆地、貴州省資源稍差外，東部、南部及東北等其它地區都是資源較富和中等區。太陽能資源理論存儲總量達每年17000億噸標準煤，與美國相近，比歐洲、日本優越得多。

比重：2%→80%太陽能與其他新能源相比在資源潛力和持久適用性方面更具優勢，從長遠前景來看，光伏發電是最具潛力的戰略替代發電技術。現在占有量不足2%。相關專家預測，到本世紀后期，太陽能發電將在世界電能結構中占據80％的位置。成本：10-20元/度→1-2元/度現在硅價格約400美圓/千克，相當于8-9元/片（人民幣）薄膜太陽能電池是解決途徑。CIGS和Si電池相比：材料1/2，耗能1/3，如果采用國產設備，考慮到人力成本，總成本將在20%。太陽能電池種類及特點：１、硅太陽能電池：技術要求高，生產過程高能耗，存在環境污染。２、以無機鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘等多元化合物為材料的太陽能電池：技術要求高，效率高，價格高，硫化鎘存在污染問題，砷化鎵III-V化合物電池最近幾年發展迅速，主要用在太空領域。３、銅銦硒薄膜太陽能電池：技術要求高，效率高，無衰減，材料存量可以滿足10GW/年的產量，最近發展迅速，美國ＮＲＥＬ在２００６年研制成功亞微米銅銦鎵硒薄膜太陽能電池，其用銦量和ＩＴＯ玻璃相當，成本是單晶硅電池的１／３－１／５，將是未來太陽能電池的主要發展方向之一。４、功能高分子材料制備的大陽能電池：價格有優勢，效率較低，存在衰減問題。近階段大量利用的可能性不大。５、納米晶太陽能電池等。主要在研究階段。不同太陽能電池技術特點比較種類轉化效率優點缺點產業化階段商業化實驗室單晶硅15-1824.7±0.5技術成熟，轉換效率高，性能穩定成本高大規模生產多晶硅13-1620.3±0.5比單晶硅成本低效率相對較低，原料成本較高大規模生產多晶硅薄膜10-1216.6±0.4廉價襯底可以制備，成本低于晶體硅效率相對較低中小規模生產非晶硅薄膜5-79.5±0.3光吸收率高，原料需求少，可廉價襯底，成本低，適宜大規模生產帶寬大，長波不敏感，效率難提高，光致衰退中小規模

銅銦硒類12-1519.5±0.5直接帶隙，帶寬小，大范圍光譜響應，性能穩定

In稀有金屬

實驗室中試階段

碲化鎘8-1016.5±0.5光譜響應好，性能穩定鎘有毒，污染較大中小規模砷化鎵-25.1±0.8帶寬1.5eV，光譜響應特性核太陽光非常吻合，吸收率高，性能穩定成本高，用于太空領域染料敏化-10.4±0.3工藝簡單，成本低使用液態電解質不方便，穩定性差實驗室階段

三、銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的結構及其優勢銅銦硒（CIS）太陽能薄膜電池是在玻璃或其它廉價襯底上沉積若干層金屬化合物半導體薄膜，薄膜總厚度大約為2－3微米，利用太陽光發電。CIS的禁帶寬度為1.04eV，如果摻入適量的鎵，形成銅銦鎵硒CIGS電池，起禁帶寬度在1.04-1.7eV可調，可以制備成性能優越的吸收層，現在實驗室效率世界記錄達19.99％，具有成本低、性能穩定、抗輻射能力強等特性，光電轉換效率目前是各種薄膜太陽能電池之首，正是由于其優異的性能被國際上稱為下一時代的廉價太陽能電池，吸引了世界眾多機構及專家進行研究開發。但因為銅銦硒電池是多元化合物半導體器件，具有復雜的多層結構和敏感的元素配比，要求其工藝和制備條件極為苛刻，目前只有美、日、德三國完成了中試線的開發，但尚未實現規模化生產。經過近２０年的不斷發展，CIGS的生產技術日趨完善，尤其是SPUTTER技術的應用，克服了以前蒸發法浪費原材料和成分不容易控制的缺陷；以固態Se代替H2Se作為硒化源，克服了劇毒氣體H2Se對設備的特殊要求，為規模化、工業化生產奠定了基礎。YasutoMaruoka(日本）對世界上最有影響的２６家太陽能電池生產廠家的電池組做了對比，ＣＩＧＳ的性價比是最優的．銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池制備主要設備及主要測試設備：磁控濺射設備：制備Mo電極、CuInGa合金預制層、本征i-ZnO和攙雜AL-ZnO(ITO)透明導電層、上電極ＡＬ硒化裝置：對CuInGa合金預制層進行硒化，形成Ｎ型的吸收層CuInxGa1-xSe2水浴反應槽：制備過渡層CdS或ZnS測試設備主要有：臺階儀，SEM，XRD,RAMAN、分度光透射儀、I-V分析系統等四、CIGS各層主要技術指標及測試結果１）鉬電極：厚度１微米，方塊電阻０.４，和玻璃襯底結合緊密，熱膨脹系數接近，敷著力好，沒發生脫落現象。２）CuInxGa1-x預制膜：晶粒大小均勻，成分分布均勻，生產工藝容易控制，滿足產業化要求。CuInxGa1-xSe2吸收層：形成了單一黃銅礦結構，硒化均勻、徹底，和鉬電極結合好，表面平整。３）CdS(ZnS)過渡層：薄膜厚度５０nm，晶粒大小均勻、致密、透光率在可見光范圍達８５％以上。表面無色差。４）本征本征i-ZnO：厚度６０－９０nm，透光率在９０％以上。５）攙雜AL-ZnO(ITO)導電層：AL-ZnO在600－800nm，方塊電阻在10/□，結晶徹底，透光率在85％以上。IT