薄膜太陽(yáng)能電池分類

1、薄膜太陽(yáng)能電池分類21世紀(jì)初之前，太陽(yáng)能電池主要以硅系太陽(yáng)能電池為主，超過89%的光伏市場(chǎng)由硅系列太陽(yáng)能電池所占領(lǐng)，但自2003年以來，晶體硅太陽(yáng)能電池的主要原料多晶硅價(jià)格快速上漲，因此，業(yè)內(nèi)人士自熱而然將目光轉(zhuǎn)向了成本較低的薄膜電池。薄膜太陽(yáng)電池可以使用在價(jià)格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當(dāng)基板來制造，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)m，目前轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)13%以上。薄膜電池太陽(yáng)電池除了平面之外，也因?yàn)榫哂锌蓳闲钥梢灾谱鞒煞瞧矫鏄?gòu)造其應(yīng)用范圍大，可與建筑物結(jié)合或是變成建筑體的一部份，應(yīng)用非常廣泛。1.硅基薄膜電池硅基薄膜電池包括非晶硅薄膜電池、微晶硅薄膜電池、多晶硅薄膜電池，

2、而目前市場(chǎng)主要是非晶硅薄膜電池產(chǎn)品。非晶硅的禁帶寬度為1.7eV，通過摻硼或磷可得到p型或n型a-Si。為了提高效率和改善穩(wěn)定性，還發(fā)展了p-i-n/p-i-n雙層或多層結(jié)構(gòu)式的疊層電池。2.碲化鎘（CdTe）薄膜電池碲化鎘薄膜電池是最早發(fā)展的太陽(yáng)電池之一，由于其工藝過程簡(jiǎn)單，制造成本低，實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率已超過16%，大規(guī)模效率超過12%，遠(yuǎn)高于非晶硅電池。不過由于鎘元素可能對(duì)環(huán)境造成污染，使用受到限制。近年來美國(guó)FirstSolar公司采取了獨(dú)特的蒸氣輸運(yùn)法沉積等特殊措施，解決了污染問題，開始大規(guī)模生產(chǎn)，并為德國(guó)建造世界最大的光伏電站提供40MW碲化鎘太陽(yáng)電池組件。3.銅銦鎵硒(CIGS)薄膜

3、電池銅銦鎵硒薄膜電池是近年來發(fā)展起來的新型太陽(yáng)電池，通過磁控濺射、真空蒸發(fā)等方法，在基底上沉積銅銦鎵硒薄膜，薄膜制作方法主要有多元分布蒸發(fā)法和金屬預(yù)置層后硒化法等?；滓话阌貌Ａ?，也可用不銹鋼作為柔性襯底。實(shí)驗(yàn)室最高效率已接近20%，成品組件效率已達(dá)到13%，是目前薄膜電池中效率最高的電池之一。4.砷化鎵（GaAs）薄膜電池砷化鎵薄膜電池是在單晶硅基板上以化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)GaAs薄膜所制成的薄膜太陽(yáng)電池，其直接帶隙1.424eV，具有30%以上的高轉(zhuǎn)換效率，很早就被應(yīng)用于人造衛(wèi)星的太陽(yáng)電池板。然而砷化鎵電池價(jià)格昂貴，且砷是有毒元素，所以極少在地面應(yīng)用。5.染料敏化薄膜電池染料敏化太陽(yáng)電池是太

4、陽(yáng)電池中相當(dāng)新穎的技術(shù)產(chǎn)品，由透明導(dǎo)電基板、二氧化鈦(TiO2)納米微粒薄膜、染料(光敏化劑)、電解質(zhì)和ITO電極所組成。目前仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，實(shí)驗(yàn)室最高效率在11%左右。非晶硅薄膜電池簡(jiǎn)介非晶硅（amorphous silicon -Si）又稱無定形硅。單質(zhì)硅的一種形態(tài)。棕黑色或灰黑色的微晶體。硅不具有完整的金剛石晶胞，純度不高。熔點(diǎn)、密度和硬度也明顯低于晶體硅。 非晶硅的化學(xué)性質(zhì)比晶體硅活潑?？捎苫顫娊饘?如鈉、鉀等) 在加熱下還原四鹵化硅，或用碳等還原劑還原二氧化硅制得。結(jié)構(gòu)特征為短程有序而長(zhǎng)程無序的-硅。純-硅因缺陷密度高而無法使用。采用輝光放電氣相沉積法就得含氫的非晶硅薄膜，氫在其

5、中補(bǔ)償懸掛鏈，并進(jìn)行摻雜和制作pn結(jié)。非晶硅在太陽(yáng)輻射峰附近的光吸收系數(shù)比晶體硅大一個(gè)數(shù)量級(jí)。禁帶寬度1.71.8eV，而遷移率和少子壽命遠(yuǎn)比晶體硅低。現(xiàn)已工業(yè)應(yīng)用，主要用于提煉純硅，制造太陽(yáng)電池、薄膜晶體管、復(fù)印鼓、光電傳感器等。非晶硅薄膜電池的起源非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池由Carlson和Wronski在20世紀(jì)70年代中期開發(fā)成功，80年代其生產(chǎn)曾達(dá)到高潮，約占全球太陽(yáng)能電池總量的20左右，但由于非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率低于晶體硅太陽(yáng)能電池，而且非晶硅太陽(yáng)能電池存在光致衰減效應(yīng)的缺點(diǎn)：光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)在頭1000個(gè)光照時(shí)間內(nèi)逐漸衰減到穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)薄膜電池的應(yīng)用存在影響。非晶硅薄膜電池的優(yōu)點(diǎn)1.

6、低成本單結(jié)非晶硅太陽(yáng)電池的厚度0.2um。主要原材料是生產(chǎn)高純多晶硅過程中使用的硅烷，這種氣體，化學(xué)工業(yè)可大量供應(yīng)，且十分便宜。目前晶體硅太陽(yáng)電池的基本厚度多為200um以下，相差1000倍，大規(guī)模生產(chǎn)需極大量的半導(dǎo)體級(jí)硅，僅硅片的成本就占整個(gè)太陽(yáng)電池成本的65-70%，目前在中國(guó)晶體硅太陽(yáng)電池的硅材料成本大概為0.2USD/W左右。幾年前，從原材料供應(yīng)角度考慮，人類大規(guī)模使用太陽(yáng)光發(fā)電，非晶硅太陽(yáng)電池及其它薄膜太陽(yáng)電池是比較好的選擇。但是在最近兩年，硅材料的成本快速下跌，從成本的角度來說，除個(gè)別廠家外，非晶硅太陽(yáng)能電池已經(jīng)不具備之前的競(jìng)爭(zhēng)力。2.能量返回期短轉(zhuǎn)換效率為6%的非晶硅太陽(yáng)電池，其

7、生產(chǎn)用電約1.9度電/瓦，由它發(fā)電后返回的時(shí)間約為1.5-2年，這是晶硅太陽(yáng)電池?zé)o法比擬的。3.大面積自動(dòng)化生產(chǎn)目前，世界上最大的非晶硅太陽(yáng)電池是Switzland Unaxis的KAI-1200 PECVD 設(shè)備生產(chǎn)的1100mm*1250mm單結(jié)晶非晶硅太陽(yáng)電池，其初始效率高于9%。其穩(wěn)定輸出功率接近80W/片。 商品晶體硅太陽(yáng)電池還是以156mm*156mm和125mm*125mm為主。4.高溫性能好當(dāng)太陽(yáng)能電池工作溫度高于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試溫度25時(shí)，其最佳輸出功率會(huì)有所下降；非晶硅太陽(yáng)能電池受溫度的影響比晶體硅太陽(yáng)能電池要小得多。5.短波響應(yīng)優(yōu)于晶體硅太陽(yáng)能電池上海尤力卡公司曾在中國(guó)甘肅省酒泉

8、市安裝一套6500瓦非晶硅太陽(yáng)能電站，其每千瓦發(fā)電量為1300KWh，而晶體硅太陽(yáng)電池每千瓦的年發(fā)電量約為1100-1200KWh。非晶硅太陽(yáng)電池顯示出其極大的使用優(yōu)勢(shì)。下圖為該電站的現(xiàn)場(chǎng)照片，第一代非晶硅太陽(yáng)電池的以上優(yōu)點(diǎn)已被人們所接受。2003年以來全世界太陽(yáng)能市場(chǎng)需求量急劇上升，非晶硅太陽(yáng)電池也出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面。目前存在的問題（1）效率較低單晶硅太陽(yáng)能電池，單體效率為14%-17%(AMO)，而柔性基體非晶硅太陽(yáng)電池組件（約1000平方厘米）的效率為10-12%，還存在一定差距。 相同的輸出電量所需太陽(yáng)能電池面積增加，對(duì)于對(duì)太陽(yáng)能電池占地面積要求不高的場(chǎng)合尤其適用，如農(nóng)村和西部地區(qū)。

9、我國(guó)目前尚有約28000個(gè)村莊、700萬戶、大約3000萬農(nóng)村人口還沒有用上電， 60%的有電縣嚴(yán)重缺電；光致衰減效應(yīng)也可在電量輸出中加以考慮，我們認(rèn)為以上缺點(diǎn)已不成為其發(fā)展的障礙，非晶硅太陽(yáng)能電池已迎來新的發(fā)展機(jī)遇。（2）穩(wěn)定性問題非晶硅太陽(yáng)能電池的光致衰減，所謂的W-S效應(yīng)，是影響其大規(guī)模生產(chǎn)的重要因素。目前，柔性基體非晶硅太陽(yáng)能電池穩(wěn)定效率已超過10%，已具備作為空間能源的基本條件。（3）成本問題非晶硅太陽(yáng)能電池投資額是晶體硅太陽(yáng)能電池的5倍左右，因此項(xiàng)目投資有一定的資金壁壘。且，成本回收周期較長(zhǎng)，昂貴的設(shè)備折舊率是大額回報(bào)率的一大瓶頸。非晶硅薄膜電池的市場(chǎng)應(yīng)用（1）大規(guī)模發(fā)電站1996

10、年美國(guó)APS公司在美國(guó)加州建了一個(gè)400千瓦的非晶硅電站,引起光伏產(chǎn)業(yè)震動(dòng)。 Mass公司(歐洲第三大太陽(yáng)能系統(tǒng)公司)去年從中國(guó)進(jìn)口約5MWp的非晶硅太陽(yáng)能電池。 日本Kaneka公司年產(chǎn)25MWp的非晶硅太陽(yáng)能電池大部分輸往歐洲建大型發(fā)電站(約每座500KWp-1000KWp)。 德國(guó)RWESchott公司也具有30MWp年產(chǎn)量,全部用于建大規(guī)模太陽(yáng)能電站。（2）與建筑相結(jié)合，建造太陽(yáng)能房非晶硅太陽(yáng)能電池可以制成半透明的，如作為建筑的一部分，白天既能發(fā)電又能使部分光線透過玻璃進(jìn)入室內(nèi)，為室內(nèi)提供十分柔和的照明(紫外線被濾掉)能擋風(fēng)雨，又能發(fā)電;美國(guó)，歐洲和日本的太陽(yáng)能電池廠家已生產(chǎn)這種非晶硅

11、組件。（3）太陽(yáng)能照明光源由于非晶硅太陽(yáng)能電池的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同樣功率的非晶硅太陽(yáng)能燈具，其照明時(shí)間要比晶體硅太陽(yáng)能路燈的照明時(shí)間長(zhǎng)20%，而其成本每瓦要低約10元人民幣。上海尤利卡公司于2003年-2005年已為松江區(qū)的太陽(yáng)能路燈提供了400多個(gè)非晶硅太陽(yáng)能路燈電源，其冬天的發(fā)電效果明顯優(yōu)于晶體硅。（4）弱光下使用由于非晶硅太陽(yáng)能電池在室內(nèi)弱光下也能發(fā)電，已被廣泛用于太陽(yáng)能鐘，太陽(yáng)能手表，太陽(yáng)能顯示牌等不直接受光照等場(chǎng)合下。碲化鎘薄膜電池簡(jiǎn)介（1）碲化鎘CdTe是-族化合物半導(dǎo)體，帶隙1.5eV，與太陽(yáng)光譜非常匹配，最適合于光電能量轉(zhuǎn)換，是一種良好的PV材料，具有很高的理論效率（28%），性能很

12、穩(wěn)定，一直被光伏界看重，是技術(shù)上發(fā)展較快的一種薄膜電池。碲化鎘容易沉積成大面積的薄膜，沉積速率也高。CdTe薄膜太陽(yáng)電池通常以CdSCdTe異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)。盡管CdS和CdTe和晶格常數(shù)相差10%，但它們組成的異質(zhì)結(jié)電學(xué)性能優(yōu)良，制成的太陽(yáng)電池的填充因子高達(dá)FF=0.75。（2）制備工藝制備CdTe多晶薄膜的多種工藝和技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出來，如近空間升華、電沉積、PVD、CVD、CBD、絲網(wǎng)印刷、濺射、真空蒸發(fā)等。絲網(wǎng)印刷燒結(jié)法：由含CdTe、CdS漿料進(jìn)行絲網(wǎng)印刷CdTe、CdS膜，然后在600700可控氣氛下進(jìn)行熱處理1h得大晶粒薄膜.近空間升華法：采用玻璃作襯底，襯底溫度500600，沉積速率1

13、0m/min.真空蒸發(fā)法：將CdTe從約700加熱鉗堝中升華，冷凝在300400襯底上，典型沉積速率1nm/s.以CdTe吸收層，CdS作窗口層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)電池的典型結(jié)構(gòu)：減反射膜/玻璃/（SnO2:F）/CdS/P-CdTe/背電極。碲化鎘電池現(xiàn)狀（1）轉(zhuǎn)換效率碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展受到國(guó)內(nèi)外的關(guān)注，其小面積電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了16.5%，商業(yè)組件的轉(zhuǎn)換效率約9%，組件的最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到11%。國(guó)內(nèi)四川大學(xué)制備出轉(zhuǎn)換效率為13.38%的小面積單元太陽(yáng)能電池，54cm2集成組件轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7，正在進(jìn)行0.1m2組件生產(chǎn)線的建設(shè)和大面積電池生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)。（2）成本估算1MW碲化鎘薄膜太

14、陽(yáng)能電池所消耗的材料的成本可見，碲化鎘和透明導(dǎo)電玻璃構(gòu)成材料成本的主體，分別占到消耗材料總成本的45.4%和38.2%。如將碲化鎘薄膜的厚度減薄1微米，則碲化鎘材料的消耗將降低20%，從而使材料總成本降低9.1%，即從每峰瓦6.21元降為5.64元。如使用99.999%純度的碲化鎘，效率依然能達(dá)到7%，材料成本還將進(jìn)一步降低。 注：成本計(jì)算依據(jù)慮電池的結(jié)構(gòu)為玻璃/SnO2：F /CdS/CdTe/ZnTe/ZnTe：Cu/Ni 碲化鎘薄膜的厚度為5微米轉(zhuǎn)換效率為7%，（3）碲資源碲是地球上的稀有元素，發(fā)展碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池面臨的首要問題就是地球上碲的儲(chǔ)藏量是否能滿足碲化鎘太陽(yáng)能電池組件的工業(yè)

15、化規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。工業(yè)上，碲主要是從電解銅或冶煉鋅的廢料中回收得到。據(jù)相關(guān)報(bào)導(dǎo)，地球上有碲14.9萬噸，其中中國(guó)有2.2萬噸，美國(guó)有2.5萬噸。 在美國(guó)碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池制造商First Solar年產(chǎn)量25MW的工廠中，300340公斤碲化鎘即可以滿足1MW太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)需要?？紤]到碲的密度為6.25g/cm3，鎘的密度為8.64g/cm3，則130140公斤碲即可以滿足1MW碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)需要。 由以上數(shù)據(jù)可以知道，按現(xiàn)已探明儲(chǔ)量，地球上的碲資源可以供100個(gè)年生產(chǎn)能力為100MW的生產(chǎn)線用100年。環(huán)境影響（1）鎘排放量（2）重金屬排放量圖1 太陽(yáng)能電池組件與其他能源的鎘

16、排放量的比較圖太陽(yáng)能電池的排放量均小于1g /GWh，其中又以碲化鎘的鎘排放量最低，為0.3 g / GWh。圖2 硅太陽(yáng)能電池和碲化鎘太陽(yáng)能電池的重金屬排放量的比較圖 碲化鎘太陽(yáng)能電池的砷、鉻、鉛、汞、鎳等其他重金屬的排放量也比硅太陽(yáng)能電池的低。關(guān)鍵技術(shù)（1）結(jié)構(gòu)&工藝硫化鎘、碲化鎘、復(fù)合背接觸層等三層薄膜的沉積和后處理是獲得高效率的技術(shù)關(guān)鍵。圖3碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池組件集成結(jié)構(gòu)示意圖圖4碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池組件制備工藝流程圖（2）激光刻蝕圖5是分別用1064nm激光和532nm的激光刻劃CdS/CdTe薄膜后，用探針式表面輪廓分析儀測(cè)量的刻痕形貌。 1064nm激光刻劃的刻槽邊緣有高達(dá)4微

17、米的脊?fàn)罘?，這不利于后續(xù)沉積的背電極接觸層及金屬背電極與透明導(dǎo)電薄膜之間形成連續(xù)的具有良好歐姆特性的連接。圖5 CdTe薄膜激光刻劃刻痕形貌（3）表面腐蝕技術(shù)使用磷酸-硝酸混合溶液可以獲得較好的腐蝕效果，典型溶液的體積濃度為（硝酸：磷酸：水）0.5：70：29.5，室溫下腐蝕時(shí)間為1分鐘。降低硝酸濃度和溫度可以進(jìn)一步延長(zhǎng)腐蝕。磷硝酸溶液沿晶界的擇優(yōu)腐蝕較為嚴(yán)重，容易在沉積背電極后形成局部的短路漏電通道。使用硝酸-冰乙酸溶液可以進(jìn)一步減輕晶體擇優(yōu)腐蝕程度，獲得更好的膜面腐蝕效果。圖6 不同溫度下使用硝酸-冰乙酸腐蝕后碲化鎘的XRD譜圖前景展望目前，碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)成本正在逐步接近、甚至

18、低于傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的，這種廉價(jià)的清潔能源在全世界范圍內(nèi)引起了關(guān)注，各國(guó)均在大力研究解決制約碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展的因素，相信存在的問題不久將會(huì)逐個(gè)解決，從而使碲化鎘薄膜電池成為未來社會(huì)的主導(dǎo)新能源之一。銅銦鎵硒(CIGS)薄膜電池簡(jiǎn)介CIGS是一種半導(dǎo)體材料，是在通常所稱的銅銦硒(CIS)材料中添加一定量的A族Ga元素替代相應(yīng)的In元素而形成的四元化合物。鑒于添加Ga元素后能適度調(diào)寬材料的帶隙，使電池的開路電壓得到提高，因此，近年來CIGs反而比CIS更受關(guān)注。單晶硅、多晶硅以及非晶硅屬于元素半導(dǎo)體材料，尤其單晶硅，在電子、信息科學(xué)領(lǐng)域占據(jù)著不可撼動(dòng)的地位，作為硅太陽(yáng)電池，只是它諸多的重要應(yīng)用

19、之一。與硅系太陽(yáng)電池在材料性質(zhì)上有所不同的是：CIGS屬于化合物半導(dǎo)體范疇。固體物理學(xué)的單晶硅金剛石型晶體結(jié)構(gòu)和cIGs黃銅礦型晶體結(jié)構(gòu)如下圖所示。在化合物半導(dǎo)體系列太陽(yáng)電池家族中，某些成員也有不凡表現(xiàn)，如砷化鎵(GaAs)太陽(yáng)電池，其最高的光電轉(zhuǎn)換效率使其他類型的太陽(yáng)電池難以望其項(xiàng)背。然而，其高昂的制備成本使其只能應(yīng)用于高層次的不計(jì)工本的特殊場(chǎng)合，如太空、軍事領(lǐng)域。在各領(lǐng)風(fēng)騷的太陽(yáng)電池陣容中，CIGS太陽(yáng)電池以其特性方面的閃光點(diǎn)脫穎而出。性能特點(diǎn):1.多晶材料的制備難度、成本低于單晶材料用來制備CIGS太陽(yáng)電池的材料是多晶態(tài)。一般多晶材料的制備難度和成本都低于單晶材料，這一點(diǎn)對(duì)產(chǎn)業(yè)化和民用化

20、具有重要意義。理論和試驗(yàn)結(jié)果都證實(shí)，制備CIGS電池器件工藝中，對(duì)成分配比的離散相對(duì)有較大的寬容度，對(duì)材料純度和制備溫度的要求也低于常規(guī)晶態(tài)的半導(dǎo)體工藝。這為工業(yè)化制備的良品率和制備成本的優(yōu)化提供了較大的空間。2.相對(duì)較高的光利用特質(zhì)用半導(dǎo)體專業(yè)語言來講，CIGS是一種直接帶隙材料，對(duì)可見光的吸收系數(shù)高達(dá)105(cm-1)，優(yōu)于其他電池材料。對(duì)比圖2中的各種薄膜電池材料吸收系數(shù)的曲線，可知CIGS材料的吸收系數(shù)最高。CIGS薄膜電池的吸收層僅需129m厚，就可將陽(yáng)光全部吸收利用。因此，CIGS最適合做薄膜太陽(yáng)電池，其電池厚度薄且材料用量少，大大降低了對(duì)原材料的消耗，減輕了In等稀有元素的資源壓

21、力。3.光電轉(zhuǎn)換效率居各類薄膜太陽(yáng)電池之首目前太陽(yáng)電池家族中，尚存在幾種不同材料類型的薄膜電池。如硅基薄膜電池、碲化鎘薄膜電池等。但值得提出的是，在所有類型的薄膜太陽(yáng)電池中，CIGS薄膜太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率在理論上和實(shí)際上都是最高的，迄今實(shí)驗(yàn)室最高效率已超過20，仍沒封頂。4.電池發(fā)電穩(wěn)定性好電池的穩(wěn)定性是描述電池使用價(jià)值的另一個(gè)非常重要的指標(biāo)，尤其對(duì)電站來講，是首要指標(biāo)，同時(shí)也直接影響到電池的能量回收水平及使用壽命的長(zhǎng)短。有試驗(yàn)證明，CIGS薄膜電池組件在戶外條件下使用，歷時(shí)三年之久，性能沒有衰減，并非每種太陽(yáng)電池都能有這種出色的表現(xiàn)。5.弱光發(fā)電性能好弱光發(fā)電性能不容忽視。太陽(yáng)的光強(qiáng)有四

22、季、早晚、陰晴的變化。因此，我們不僅要重視太陽(yáng)電池在強(qiáng)光下的峰值發(fā)電能力，更要關(guān)注一天或一年時(shí)段中的累計(jì)發(fā)電量，即追究太陽(yáng)電池的弱光發(fā)電能力。正是在這一指標(biāo)上，與不同類型太陽(yáng)電池相比，CIGS太陽(yáng)電池有著突出的表現(xiàn)。在晨昏時(shí)節(jié)、陰天冬季，仍具有相當(dāng)?shù)陌l(fā)電能力。6.抗輻照能力強(qiáng)CIGS材料的Cu遷移和點(diǎn)缺陷反應(yīng)的動(dòng)態(tài)協(xié)同作用導(dǎo)致受輻射損傷的電池具有自愈合能力，這就保證了CIGS太陽(yáng)電池在強(qiáng)輻射下的良好反應(yīng)。如同擺擂臺(tái)一樣，將幾種太陽(yáng)電池置于1MeV電子輻照下，結(jié)果屜示，大多數(shù)電池輸出功率明顯衰退時(shí)，C1S(CIS在此可代表CIGS)電池卻無任何衰減(見下圖)。在領(lǐng)取用作空間電源的通行證的競(jìng)爭(zhēng)中，

23、CIGS太陽(yáng)電池順利過關(guān)。7.外觀漂亮CIGS薄膜太陽(yáng)電池組件因其黑亮沉穆的色澤備受贊嘆(因其極高的吸收系數(shù))。無論作為屋頂或幕墻，CIGS薄膜電池?zé)o疑是功能建筑一體化的最佳選擇，作為發(fā)電功能與裝飾效果的完美組合，CIGS獨(dú)具風(fēng)格。8.帶隙可依性能要求調(diào)節(jié)帶隙可依性能要求調(diào)節(jié)，這為高性能的疊層電池奠定了基礎(chǔ)。CIGS材料晶型為黃銅礦結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)材料的成分及其配比，CIGS有多種結(jié)構(gòu)。例如不摻Ga的CIS三元化合物材料做成的太陽(yáng)電池，其材料的半導(dǎo)體禁帶寬度是1.04eV；如用適量的Ga取代In，成為四元化合物(CIGS)，其禁帶寬度可在1.041.67eV范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整。優(yōu)點(diǎn)：可根據(jù)與太陽(yáng)光譜

24、匹配的要求來調(diào)整最佳帶隙(1.5eV)；容許材料成分配比有一定的偏差和漂移，而不喪失器件的光伏性能。尤其在產(chǎn)業(yè)化工程中，可提高工藝條件的寬容度和良品率的保證。9.可做柔性電池CIGS材料的光吸收系數(shù)最高，吸收層可做得很薄。實(shí)際上CIGS薄膜電池各層疊加起的總厚度4m，具有充分的柔軟性。沉積在金屬箔或高分子塑料薄膜上，就成為可折疊、彎曲的柔性電池。柔性電池用途更加廣泛與方便，可用于帳篷、屋頂、探測(cè)氣球及各種異型表面，尤其適合便攜和隨機(jī)使用。在同樣的發(fā)電能力下，CIGS薄膜電池重量最輕。各種類型太陽(yáng)能電池技術(shù)與效率比較理論效率與目前實(shí)驗(yàn)室效率、商業(yè)效率之間的比較不同襯底類型薄膜電池與組件效率比較注

25、：以上數(shù)據(jù)來源于2012年太陽(yáng)能光伏技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用研討會(huì)，上海空間電源研究 所銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)研究。產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì) 國(guó)外產(chǎn)業(yè)化技術(shù)整體進(jìn)展 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)新進(jìn)機(jī)構(gòu)：如杜邦、IBM、Intel、陶氏化學(xué)、Bosch、臺(tái)積電，注：以上數(shù)據(jù)來源于2012年太陽(yáng)能光伏技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用研討會(huì)，上海空間電源研究所銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)研究。國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)有多家高校、研究所、企業(yè)在進(jìn)行CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的研究，包括南開大學(xué)、上?？臻g電源研究所，中電18所、山東孚日等。一些新 進(jìn)的機(jī)構(gòu)包括廣東榕泰、深圳浩德，中科院太陽(yáng)能研發(fā)中心等。對(duì)于國(guó)內(nèi)CIGS技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的要求是，需要系統(tǒng)化

26、、深入化，并尋求突破和 發(fā)展。相信隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，國(guó)內(nèi)CIGS的相關(guān)研發(fā)及應(yīng)用會(huì)邁上一個(gè)新的臺(tái)階。CIGS薄膜太陽(yáng)能電池會(huì)是下一代領(lǐng)跑者嗎?據(jù)漢能董事局主席李河君說，在此次收購(gòu)?fù)瓿珊?，漢能薄膜太陽(yáng)能電池的產(chǎn)能將超過3GW，一舉超越美國(guó)第一太陽(yáng)能（First Solar），成為全球最大的薄膜組件企業(yè)。在感嘆我國(guó)光伏企業(yè)海外并購(gòu)步伐之大的同時(shí)，我們心中也不免會(huì)產(chǎn)生疑問：暫不談該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的本土化進(jìn)程，只從技術(shù)路線而言，CIGS電池能否超越晶硅電池與硅基薄膜技術(shù)，成為光伏領(lǐng)域下一代的領(lǐng)跑者還有待驗(yàn)證。 何為CIGS CIGS電池是由銅（Copper），銦（Indium），鎵（Galliu

27、m），硒（Selenium）等幾種元素的化合物作為原料生產(chǎn)的薄膜化合物太陽(yáng)能電池。其制作工藝有共蒸發(fā)法和濺射后硒化法等。 CIGS電池由最初的CIS電池發(fā)展而來，薄膜材料CIS是在1953年由Hahn首次合成；1974年貝爾實(shí)驗(yàn)室的Wagner等人制備出了第一塊CIS太陽(yáng)能電池；上世紀(jì)80年代，波音公司和ARCO Solar(即Siemens Solar)公司分別用共蒸發(fā)和濺射硒化法進(jìn)行了進(jìn)一步研究；之后，又將CIS的材料中摻入鎵（Ga）和硫（S）元素使之與太陽(yáng)光譜更匹配，美國(guó)再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)發(fā)明了擁有更高的光電轉(zhuǎn)換效率的CIGS電池，這就是現(xiàn)代CIGS太陽(yáng)能電池的雛形。之后又經(jīng)過不

28、斷的技術(shù)改良與創(chuàng)新，CIGS的轉(zhuǎn)化效率不斷提高，目前量產(chǎn)的CIGS的組件轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到10%到13%左右，高于一般的硅基薄膜組件。 相較于傳統(tǒng)的晶硅組件以及硅基薄膜組件，CIGS電池具有轉(zhuǎn)換效率較高，使用壽命較長(zhǎng)，單片組件生產(chǎn)成本較低，可塑性較強(qiáng)，安全性較高以及生產(chǎn)過程中不需要提煉高純度原料等特點(diǎn)。 首先，其轉(zhuǎn)換效率較高。CIGS電池是在薄膜太陽(yáng)能電池中具備最高轉(zhuǎn)化效率的電池之一，德國(guó)太陽(yáng)能和氫能研究中心(ZSW)采用共蒸發(fā)法曾在0.5平方厘米的CIGS電池上達(dá)到了20.3%的高轉(zhuǎn)化效率，使CIGS薄膜的效率與仍然主導(dǎo)市場(chǎng)的多晶硅太陽(yáng)能電池之間的差距縮小到了0.1%。就連一般的量產(chǎn)CIGS組

29、件，其轉(zhuǎn)化效率也可以達(dá)到10%到12%左右，高于一般的硅基薄膜組件的5%10%。 其次，其使用壽命較長(zhǎng)，穩(wěn)定性高。一般的硅基薄膜電池組件，在使用后的短時(shí)間內(nèi)，其轉(zhuǎn)化效率就會(huì)有較大幅度的跌幅。而CIGS電池則可以有更高更穩(wěn)定的使用壽命。 第三，其低成本預(yù)期可加速實(shí)現(xiàn)。由于CIGS電池的轉(zhuǎn)化效率較高，每提高1%的轉(zhuǎn)化效率，其成本預(yù)期便會(huì)降低10%左右。而且，CIGS電池的薄膜厚度僅是硅基薄膜組件的百分之一左右，即2m至3m，相同面積使用的材料則更少。另外，其基板材料也是較為廉價(jià)的堿石灰玻璃。再者，對(duì)原料純度要求并非十分苛刻。這一系列原因，都預(yù)示著單片CIGS電池較低的生產(chǎn)成本。 另外，能源回收周期

30、短。根據(jù)邁哲華咨詢（中國(guó)）公司的相關(guān)數(shù)據(jù)分析，相對(duì)于其他組件，CIGS電池的EPT（Energy Payback Time）更短。所謂EPT，即能量回收周期，指的是在生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的過程中使用的能量，與制作完成的太陽(yáng)能電池發(fā)電產(chǎn)生的能量等同時(shí)所需要的時(shí)間。EPT=生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的過程中使用的能量制作完成的太陽(yáng)能電池一年發(fā)電產(chǎn)生的能量。在能源回收利用的效率上，CIGS電池有著更大的優(yōu)勢(shì)。 但是，盡管CIGS電池相對(duì)于硅基薄膜組件有著諸多優(yōu)點(diǎn)，但是其本身的局限性也是不容忽視的。例如，薄膜組件生產(chǎn)過程中共同的軟肋：前期投資成本高，設(shè)備要求高，生產(chǎn)過程復(fù)雜；以及目前CIGS電池關(guān)鍵原料的供應(yīng)并不十分充

31、足，遠(yuǎn)不如晶硅組件原料般普及；而且，關(guān)于其生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生有害物質(zhì)的爭(zhēng)議也從來沒有停息過。這些，都是目前制約CIGS電池發(fā)展的主要因素。 CIGS技術(shù)前景如何？ 目前全球CIGS電池的市場(chǎng)情況如何呢？2012年，受全球太陽(yáng)能發(fā)電市場(chǎng)不景氣的影響，CIGS組件的產(chǎn)能也受到了不小的沖擊，盡管目前2012年具體的數(shù)據(jù)還尚未統(tǒng)計(jì)出來，但是從2011年全球前7位的組件廠商的現(xiàn)狀，便可以了解一二。目前全球CIGS電池的產(chǎn)能雖然較小，但是整體市場(chǎng)狀況和晶硅組件一樣不容樂觀，盡管這其中有受全球光伏市場(chǎng)疲軟的影響因素，但是CIGS電池組件生產(chǎn)本身的高投資成本，與小眾化的市場(chǎng)等，也是導(dǎo)致其在全球市場(chǎng)中表現(xiàn)不佳的

32、癥結(jié)所在。 那究竟為什么在全球CIGS電池市場(chǎng)當(dāng)下并不景氣的情況下，漢能依舊出巨資收購(gòu)MiaSol等CIGS電池企業(yè)呢?筆者認(rèn)為，首先是因?yàn)镸iaSol光伏組件具有較高的轉(zhuǎn)化效率技術(shù)，據(jù)漢能董事局主席李河君說，該技術(shù)的量產(chǎn)轉(zhuǎn)化效率達(dá)15.5%，并且該技術(shù)預(yù)期兩年內(nèi)也能有較大的提升空間，漢能收購(gòu)MiaSol預(yù)示著對(duì)其技術(shù)能力的肯定與高預(yù)期；其次，由于美國(guó)市場(chǎng)對(duì)我國(guó)組件企業(yè)的雙反等成為了我國(guó)組件廠商進(jìn)入美國(guó)市場(chǎng)的最大阻礙之一，漢能此番收購(gòu)美國(guó)本土公司，可以較好地越過貿(mào)易壁壘，為今后在美國(guó)市場(chǎng)的發(fā)展打下基礎(chǔ)；再者，由于現(xiàn)在CIGS電池整體行業(yè)的不景氣，對(duì)其廠商的收購(gòu)價(jià)格也較為低廉，所以漢能選在現(xiàn)在完

33、成對(duì)MiaSol的收購(gòu)，也是較為合適的時(shí)機(jī)。 除漢能外，國(guó)際上如三井物產(chǎn)等諸多大型跨國(guó)公司，早已在2011年光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)入寒冬之前，便將下一代的光伏技術(shù)如CdTe（碲化鎘）電池以及CIGS電池等化合物薄膜電池作為晶硅組件的下一代潛在替代品，進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略布局。目前相較于這些傳統(tǒng)的跨國(guó)公司，我國(guó)企業(yè)在CIGS電池行業(yè)上的產(chǎn)業(yè)步伐其實(shí)也毫不落后。 那么，CIGS電池未來的市場(chǎng)前景又將如何呢？根據(jù)邁哲華咨詢（中國(guó)）公司的分析預(yù)測(cè)，到2016年，全球CIGS電池的產(chǎn)能，將達(dá)到4GW，市場(chǎng)規(guī)模也將達(dá)到200億元人民幣左右，成為超越硅基薄膜組件、持平CdTe薄膜電池組件的全球最大規(guī)模薄膜組件產(chǎn)業(yè)之一。但是短

34、期之內(nèi)，CIGS電池組件想要成為替代晶硅組件的國(guó)際主流太陽(yáng)能電池組件，形成龐大的產(chǎn)業(yè)鏈與供需關(guān)系，就目前看來可能性還是很小。 那么，中國(guó)CIGS電池產(chǎn)業(yè)在今后將如何發(fā)展，才能在全球的CIGS電池市場(chǎng)中占據(jù)有利地形呢？筆者認(rèn)為，中國(guó)CIGS電池產(chǎn)業(yè)要獲得快速可持續(xù)的發(fā)展，有賴于幾方面內(nèi)外部條件：首先，企業(yè)自身的運(yùn)作，應(yīng)避免重蹈晶硅組件過于注重產(chǎn)能的覆轍，重技術(shù)而輕產(chǎn)能努力降低企業(yè)前期的設(shè)備投入成本，將整體交鑰匙產(chǎn)線拆分拆細(xì)，擁有自己的高效率產(chǎn)線，以降低對(duì)海外設(shè)備的依存度，使前期設(shè)備技術(shù)投入成本成為阻礙CIGS電池產(chǎn)業(yè)的非主要因素，并且不斷積極開發(fā)新技術(shù)，致力于發(fā)展提高轉(zhuǎn)化效率，降低組件材料成本等

35、核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；其次，我國(guó)CIGS電池企業(yè)對(duì)外應(yīng)不斷積極拓寬國(guó)內(nèi)以及海外市場(chǎng)，以形成一批和目前國(guó)內(nèi)晶硅組件同樣具備國(guó)際化品牌競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的龍頭企業(yè)；再次，國(guó)家對(duì)CIGS電池國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的扶植也是不可或缺的，我國(guó)可以將對(duì)CIGS電池產(chǎn)業(yè)的促進(jìn)，作為一項(xiàng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的戰(zhàn)略規(guī)劃來部署，視市場(chǎng)發(fā)展?fàn)顩r逐漸完善強(qiáng)化CIGS電池的產(chǎn)業(yè)鏈，以期在下一代的光伏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，使我國(guó)企業(yè)占據(jù)有利地勢(shì)。以同為化合物薄膜電池的CdTe電池為例，筆者曾在2011年拜訪過一家國(guó)內(nèi)較早涉及CdTe電池行業(yè)的企業(yè)之一，上方能源。該公司表示，為了扶植新興太陽(yáng)能電池發(fā)展，紹興市政府與其共同出資15億元人民幣，在紹興投資了產(chǎn)能達(dá)500MW的CdT

36、e電池生產(chǎn)線。筆者認(rèn)為，紹興市政府對(duì)CdTe電池產(chǎn)業(yè)的扶植，對(duì)同樣是新興技術(shù)的CIGS電池在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的發(fā)展十分具有可供參考的借鑒意義。 盡管到目前為止，CIGS電池在不遠(yuǎn)的將來能否成為晶硅組件的革命性替代產(chǎn)品還是未知數(shù)，但是對(duì)技術(shù)創(chuàng)新的鼓勵(lì)與支持，是社會(huì)與科技進(jìn)步與發(fā)展的原動(dòng)力，是各國(guó)都應(yīng)當(dāng)認(rèn)真對(duì)待的重要課題之一。 就在漢能對(duì)美國(guó)CIGS薄膜組件企業(yè)MiaSol完成并購(gòu)的當(dāng)天，日本CIGS電池廠商Solar Frontier宣布，日前通過濺射和硒化工藝，刷新了無鎘CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄，使其實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了19.7%。由此看來，我國(guó)CIGS光伏企業(yè)現(xiàn)在還遠(yuǎn)不到志得意滿的時(shí)候，

37、在國(guó)際光伏行業(yè)的舞臺(tái)上，唯有不斷技術(shù)創(chuàng)新，才能使自己屹立于行業(yè)潮頭。砷化鎵（GaAs）薄膜電池砷化鎵簡(jiǎn)介砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體材料與傳統(tǒng)的硅材料相比，它具有很高的電子遷移率、寬禁帶、直接帶隙，消耗功率低的特性，電子遷移率約為硅材料的5.7倍。因此，廣泛應(yīng)用于高頻及無線通訊中制做IC器件。所制出的這種高頻、高速、防輻射的高溫器件，通常應(yīng)用于激光器、無線通信、光纖通信、移動(dòng)通信、GPS全球?qū)Ш降阮I(lǐng)域。砷化鎵除在IC產(chǎn)品應(yīng)用以外，也可加入其它元素改變能帶隙及其產(chǎn)生光電反應(yīng)，達(dá)到所對(duì)應(yīng)的光波波長(zhǎng)，制作成光電元件。還可與太陽(yáng)能結(jié)合制備砷化鎵太陽(yáng)能電池。砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)想在薄膜光伏

38、電池中，非晶硅電池效率低下，且穩(wěn)定性有待提高。盡管硫化鎘、碲化鎘薄膜電池的效率較非晶硅薄膜電池效率高，成本較晶體硅電池低，且易于大規(guī)模生產(chǎn)，但是鎘有劇毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，硒和銦是儲(chǔ)量很少的稀有元素，因此大規(guī)模發(fā)展必將受到材料制約。而砷化鎵化合物材料具有十分理想的禁帶寬度以及較高的光吸收效率，適合于制造高效電池。此外，還可以通過疊層技術(shù)做成多結(jié)砷化鎵基電池，以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率。但是，由于砷化鎵基材料價(jià)格昂貴，砷化鎵薄膜電池目前只在航天等特殊領(lǐng)域應(yīng)用，離地面應(yīng)用的商業(yè)化運(yùn)行還有很大距離。為了降低光伏電池的發(fā)電成本，可采取的有效途徑之一就是研發(fā)和應(yīng)用砷化鎵薄膜電池聚光發(fā)電系統(tǒng)。在獲得同樣輸出

39、功率情況下，可以大大減少所需的砷化鉀薄膜電池面積。相當(dāng)于用比較便宜的普通金屬、玻璃材料做成聚光器和支撐系統(tǒng)，來代替部分昂貴的砷化鎵薄膜電池。在這種聚光系統(tǒng)中，如果聚光率超過10倍以上，則系統(tǒng)只能利用直射陽(yáng)光，因而必須采用跟蹤系統(tǒng)相互配合，才能充分發(fā)揮效能。在固定溫度下，光伏電池效率隨聚光率變化的一般趨勢(shì)是，在低聚光率時(shí)，電池效率隨聚光率的增加而增加，在高聚光率時(shí)，則隨聚光率的增加而降低。光伏電池在高聚光大電流下，其工作溫度的升高將導(dǎo)致效率的下降，因此，聚光跟蹤系統(tǒng)還需要配備有效的散熱設(shè)備?？紤]到系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性，可以通過主動(dòng)制冷方式，在對(duì)光伏電池快速散熱的同時(shí)，充分利用熱能生產(chǎn)熱水，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)

40、現(xiàn)太陽(yáng)能光熱和光伏的綜合利用，以充分發(fā)揮整體效能。砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的組成1.電池片市場(chǎng)上的聚光光伏電池系統(tǒng)組件大部分仍采用單晶硅太陽(yáng)能電池，基于砷化鎵基多結(jié)太陽(yáng)能電池的產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上剛剛嶄露頭角，尚未進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。高效太陽(yáng)能電池是聚光光伏、光熱綜合利用系統(tǒng)的核心部件。在5001000倍的高倍聚光條件下，其芯片和模組制作工藝都與低倍聚光下不同，需要重新設(shè)計(jì)工藝條件。在適合高倍聚光的光伏電池工藝中應(yīng)充分借鑒激光器、發(fā)光二極管等器件的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法。采用低成本、高熱穩(wěn)定性的不含金的合金作為III-V聚光光伏電池頂部網(wǎng)格電極材料，通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和制作工藝，在不改變電池外延結(jié)構(gòu)的條件下，

41、開發(fā)出500至1000倍聚光下高效多結(jié)光伏電池低成本產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝，使光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到30，并獲得較高的工作穩(wěn)定性。2.聚光器由于高效砷化鎵光伏電池的生產(chǎn)成本較高，因此提高聚光器的聚光倍數(shù)、聚光效率和均勻性成為充分發(fā)揮砷化鎵光伏電池效率優(yōu)勢(shì)、降低聚光光伏、光熱綜合利用系統(tǒng)成本的關(guān)鍵之一。光伏聚光器是利用透鏡或反射鏡將太陽(yáng)光聚焦到光伏電池上。按光學(xué)類型劃分，常用的聚光系統(tǒng)通常分為折射聚光系統(tǒng)和反射聚光系統(tǒng)。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來說，菲涅爾透鏡成為理想之選。它的聚焦方式可以是點(diǎn)聚焦，也可以是線聚焦。點(diǎn)聚焦時(shí)，將太陽(yáng)光聚焦在一個(gè)光伏電池片上；線聚焦時(shí)，將太陽(yáng)光聚焦在 光伏電池組成的線列陣上。反射式聚光系統(tǒng)也可以分為點(diǎn)聚焦結(jié)構(gòu)和線聚焦結(jié)構(gòu)。但是傳統(tǒng)菲涅爾透鏡存在難以實(shí)現(xiàn)的高接收角、聚光后光強(qiáng)分布不均勻和易老化