CIS产业化可行性分析.doc

铜铟镓硒(Cu(In1-xGax)Se2)薄膜太阳能电池 产业化可行性调研分析 鄢 强 2010年1月21日 一、铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池简介 铜铟硒(CuInSe2，简称CIS)薄膜太阳能电池是多元化合物半导体应用中最具有代表性的光伏器件。该多元化合物半导体是以进行半导体的带隙调节为初步目的，以II-VI族二元化合物半导体为原型，通过选用新的元素组分，并采用相应的制备技术研制而成。以三元铜铟硒化合物半导体为基础，通过加入Al、Ga、S等元素中的一种或多种，形成了一个多元化合物半导体系列。其中，以铜铟镓硒(Cu(In1-xGax)Se2，简称CIGS)为核心材料的薄膜太阳能电池是目前研发较快的一种薄膜太阳能电池。由于它具有优良的光学性能，高的转换效率、低的制造成本、污染小、弱光性能好以及性能稳定而成为国际光伏界研究热点之一，很有可能成为下一代的商品化薄膜太阳电池。目前铜铟镓硒薄膜太阳电池的实验室光电转换最高效率居各种薄膜太阳能电池之首。 二、铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池研发及产业化进展简况 1、CIGS薄膜的制备方法 目前制备CIGS的方法很多，但主要有两种思路：一是直接蒸发Cu、In、Ga、Se四种独立元素，使其气体化合制得CIGS；二是硒化铜铟镓合金，对该合金直接加元素Se或在H2Se气氛中加Se。工艺方法主要有蒸镀法、磁控溅射、分子束外延技术、喷雾热解、电沉积、丝网印刷及快速凝固技术等。目前在向产业化转化中主要采用的是蒸镀法和溅射法，其它技术只处于实验室研究阶段。 三源共蒸发法在Boeing公司和美国可再生能源实验室(NREL)得到实用[1]。虽然用蒸镀法可制备出高质量的CIGS薄膜，但元素的化学配比很难靠蒸发来精确控制，薄膜的均匀性比较难控制，电池的良品率不高。另外对原材料浪费大，成本较高。薄膜与衬底结合力不牢固，影响使用寿命。这也进一步限制了蒸镀法制备CIS和CIGS薄膜在工业上的应用。 由于溅射原子与轰击离子数量成正比，这一过程可精确地控制薄膜的沉积速率。溅射方法在制备CIS薄膜上与蒸镀法比具有以下优点[2]：(1)可以比较可靠地调节各元素的化学配比，薄膜的致密性高，原材料的利用率高，对不需要沉积薄膜的地方加以屏蔽，可减少对真空室的污染。(2)薄膜的均匀性较好，有利于制造大面积的CIGS薄膜电池，是目前最有产业化应用前景的CIGS薄膜制备方法。 2、铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池研发及产业化进展简况 1974年，Wagner利用单晶CuInSe2研制出高效太阳能电池，标志着CIS光伏材料的崛起。1976年，第一个CIS多晶薄膜太阳能电池诞生。近年来，日本和欧美在CIGS薄膜太阳电池的研发方面投入了大量人力物力，并取得相当快的进展。 目前，CIGS薄膜太阳电池实验室最高光电转换效率是由美国NREL[3]采用三步共蒸发法研制(0.419cm2，19.9%[4])。美国国家可再生能源重点实验室(National Renewable Energy Laboratory, 简称NREL)开始于1977年，当时称太阳能研究所，1991年归属美国能源部(U.S.Department of Energy(DOE))，才改称为NREL。其研发的CIGS薄膜太阳电池结构如图1所示。器件制备的工艺流程为：衬底为钠钙玻璃(Soda-lime glass substrate)→直流磁控溅射法(DC sputtering)在玻璃衬底上镀Mo背接触电极→三步共蒸发法(three-stage co-evaporation)制备CIGS吸收层→化学浴沉积(chemical bath deposition)CdS→射频溅射镀(RF sputtering)本征ZnO/导电ZnO双层膜→电子束蒸发镀(e-beam evaporation)Ni/Al栅电极和MgF2减反射层以及平版印刷式(photolithographic)器件分割→电池封装→性能测试。 图1 NERL研发的CIGS薄膜太阳能电池结构示意图 其制备核心吸收层CIGS薄膜的三步共蒸发法工艺(图2)为：整个流程都是在含Se(g)或H2Se(g))蒸汽中进行。第一步，先蒸发组分的80-90%的In和Ga，形成(In1-xGax)2Se3薄膜；第二步，蒸发Cu，形成富Cu的Cu2-xSe薄膜；第三步，再蒸发组分的20-10%的In和Ga。然后在从560℃到350℃降温的约20min时间内进行后Se化处理。最后形成了因组分变化而造成能隙变化的梯度带隙吸收层。该三步法工艺的专利权于1995年就已取得[5]。且该三步法在玻璃、不锈钢片、铝箔、PET上都开展过研发工作。除取得上述目前薄膜太阳能电池最高世界纪录外，还有1