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中國電鍍網(wǎng)資訊：學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界普遍認(rèn)為太陽能電池的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了第三代。第一代為單晶硅太陽能電池，第二代為多晶硅、非晶硅等太陽能電池，第三代太陽能電池就是銅銦鎵硒CIGS(CIS中摻入Ga)等化合物薄膜太陽能電池及薄膜Si系太陽能電池。
銅銦鎵硒薄膜太陽能電池是多元化合物薄膜電池的重要一員，由于其優(yōu)越的綜合性能，已成為全球光伏領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。本文闡述了銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的特性和競爭優(yōu)勢;介紹了國內(nèi)外在銅銦鎵硒薄膜太陽能電池領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀;最后探討了銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的應(yīng)用展望。
關(guān)鍵詞：太陽能電池;薄膜;銅銦鎵硒;展望
近幾年，世界各國加速發(fā)展各種可再生能源替代傳統(tǒng)的化石能源，以解決日益加劇的溫室效應(yīng)、環(huán)境污染和能源枯竭等全球危機(jī)。作為理想的清潔能源，太陽能永不枯竭，正成為當(dāng)今世界最具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)之一。目前，太陽能電池市場主要產(chǎn)品是單晶硅和多晶硅太陽能電池，占市場總額的80%以上。由于晶硅電池的高成本和生產(chǎn)過程的高污染，成本更低、生產(chǎn)過程更加環(huán)保的薄膜太陽能電池得到快速發(fā)展。現(xiàn)階段，有市場前景的薄膜太陽能電池有3種，分別是非晶硅、碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒(CuInGaSe2,一般簡稱CIGS)薄膜太陽能電池。作為直接帶隙化合物半導(dǎo)體，銅銦鎵硒吸收層吸收系數(shù)高達(dá)105cm-1，轉(zhuǎn)化效率是所有薄膜太陽能電池中最高的，已成為全球光伏領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一，即將成為新一代有競爭力的商業(yè)化薄膜太陽能電池。
1、銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的特性和競爭優(yōu)勢
太陽能電池的材料一般要求主要包括：半導(dǎo)體材料的禁帶寬度適中;光電轉(zhuǎn)化效率比較高;材料制備過程和電池使用過程中，不存在環(huán)境污染;材料適合規(guī)模化、工業(yè)化生產(chǎn)，且性能穩(wěn)定。經(jīng)過數(shù)十年電子工業(yè)的研究發(fā)展，作為半導(dǎo)體材料硅的提煉、摻雜和加工等技術(shù)已經(jīng)非常成熟，所以，現(xiàn)在的商品太陽能電池主要硅基的。但是，硅是間接帶隙半導(dǎo)體材料，在保證電池一定轉(zhuǎn)化效率前提下，其吸收層厚度一般要求150～300微米以上，理論極限效率為29%，按目前技術(shù)路線，提升效率的難度已經(jīng)非常巨大。同時(shí)考慮到加工過程近40%的材料損耗，材料成本是硅太陽能電池的最主要構(gòu)成。另外，其材料生產(chǎn)過程的高溫提煉、高溫?cái)U(kuò)散導(dǎo)致其制備過程能耗高，這使其能量償還周期長，整體成本高。盡管經(jīng)過近幾年的規(guī)模化發(fā)展，市場價(jià)格得到大幅下降，其每瓦成本仍高于2美元。如果再考慮到其制備過程的高污染，更增加了其環(huán)境治理社會(huì)成本，這些都嚴(yán)重制約了其競爭優(yōu)勢。相比較，薄膜太陽能電池具有較大的成本下降空間，同時(shí)它能夠以多種方式嵌入屋頂和墻壁，非常適合光電一體化建筑和大型并網(wǎng)電站項(xiàng)目。在這種情況下，薄膜太陽能電池引起了人們的重視，近幾年成了科技工作者的研究重點(diǎn)。從全球范圍來看，光伏產(chǎn)業(yè)近期仍將以高效晶體硅電池為主。但向薄膜太陽能電池和各種新型太陽能電池等低成本、低能耗、低污染的方向過渡已經(jīng)成為光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。目前，國際主要光伏企業(yè)已經(jīng)放緩了對晶體硅太陽能電池產(chǎn)能的擴(kuò)張，我國已經(jīng)出臺相應(yīng)政策，抑制晶硅行業(yè)的盲目擴(kuò)張。
技術(shù)比較成熟，且有發(fā)展?jié)摿Φ谋∧ぬ柲茈姵赜?種，分別是非晶硅(a-Si)、碲化鎘(CdTe)、銅銦硒(CuInSe2,一般簡稱CIS)/銅銦鎵硒(CuInGaSe2,一般簡稱CIGS)。經(jīng)過幾年的快速發(fā)展，單結(jié)非晶硅薄膜電池的效率達(dá)到7%左右,但是，其光致衰減現(xiàn)象還一直沒能解決，相同功率條件下，需要更大的安裝面積和成本。在此情況下，近年發(fā)展的微晶硅多結(jié)電池效率已經(jīng)達(dá)到了10%，同時(shí)也部分克服了其衰減問題，所以，其必將在未來太陽能市場占有重要地位。CdTe薄膜電池的實(shí)驗(yàn)室效率可以達(dá)到16%,組件效率達(dá)到10%，缺點(diǎn)是Cd是重金屬元素,會(huì)對環(huán)境和人體帶來危害。但是，它的制備工藝簡單，成本很低，可以滿足一定區(qū)域的實(shí)際利用，也會(huì)在未來光伏市場占有一定的份額。
銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池具有多層膜結(jié)構(gòu)(圖1)，包括金屬柵狀電極、減反射膜、窗口層(ZnO)、過渡層(CdS)、光吸收層(CIGS)、金屬背電極(Mo)、玻璃襯底等。其中，吸收層CIGS是(化學(xué)式CuInGaSe2)由四種元素組成的具有黃銅礦結(jié)構(gòu)的化合物半導(dǎo)體，是薄膜電池的關(guān)鍵材料。
相比較其它太陽能電池，CIGS競爭優(yōu)勢有以下6點(diǎn):①通過摻入適量Ga替代部分同族的In,通過調(diào)節(jié)Ga/(Ga+In)可以調(diào)節(jié)CIGS的禁帶能隙，調(diào)整范圍為1.04～1.68eV，這是一個(gè)非常寬的范圍,非常適合制備最佳帶隙的半導(dǎo)體化合物材料，這是CIGS材料相對于硅系光伏材料的最特殊優(yōu)勢;②CIGS材料的吸收系數(shù)高，達(dá)到105cm-1，同時(shí)還具有較大范圍的太陽光譜的響應(yīng)特性;③利用CdS作為緩沖層(具有閃鋅礦結(jié)構(gòu))，和具有黃銅礦結(jié)構(gòu)CIGS吸收層可以形成良好的晶格匹配,失配率不到2%;④在光電轉(zhuǎn)化過程中，作為直接能隙半導(dǎo)體材料,CIGS的厚度可以很小(約2μm)，當(dāng)有載流子注入時(shí)，會(huì)產(chǎn)生輻射復(fù)合過程,輻射過程產(chǎn)生的光子可以被再次吸收,即所謂的光子再循環(huán)效應(yīng);⑤CIGS系半導(dǎo)體可直接由其化學(xué)組成的調(diào)節(jié)得到P型或N型不同的導(dǎo)電形式，不必借助外加雜質(zhì)，不會(huì)產(chǎn)生Si系太陽電池很難克服的光致衰退效應(yīng)，使用壽命可以長達(dá)30年以上;⑥CIGS薄膜的制備過程具有一定的環(huán)境寬容性，使得CIGS太陽電池在選擇襯底時(shí)，具有較大的選擇空間。綜合比較分析，銅銦鎵硒薄膜CIGS太陽能電池具有轉(zhuǎn)換效率高(居各種薄膜太陽能電池之首)、材料來源廣泛、生產(chǎn)成本低、污染小、無光衰、弱光性能好的顯著特點(diǎn)，已成為各國爭相研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。
2、CIGS電池的發(fā)展現(xiàn)狀
CIGS國外發(fā)展現(xiàn)狀
1976年，美國首次研究成功CIS薄膜太陽電池，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6.6%。時(shí)隔6年之后，波音公司通過3元(Cu、In、Se)蒸發(fā)方法，制造出了效率超過10%的薄膜電池。1983年，ArcoSolar公司提出新的制備方法——硒化法，該項(xiàng)技術(shù)具有簡單、廉價(jià)的特點(diǎn),現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為制作CIS電池最重要的技術(shù)。80年代后期，德國開發(fā)出了轉(zhuǎn)換效率為11.1%的CIS電池，這是轉(zhuǎn)換效率首次超過10%。其穩(wěn)定性好、耐空間輻射的優(yōu)良特性也逐漸得到行業(yè)的重視。90年代初，瑞典報(bào)道了效率為17.6%，面積0.4cm2的CIS太陽電池，這是當(dāng)時(shí)的世界記錄。日本從1994年啟動(dòng)CIGS產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，研發(fā)投入高達(dá)200億日元(相當(dāng)于14億元人民幣)。到90年代末期，美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)將轉(zhuǎn)化效率提高到了18.8%，同時(shí)開始生產(chǎn)發(fā)電用CIGS太陽能電池組件(40W)，組件效率達(dá)到當(dāng)時(shí)最高的12.1%。到2001年，德國風(fēng)險(xiǎn)投資企業(yè)WurthSolar開始在歐洲銷售60cm×120cm的CIGS太陽能電池組件,它是制備在鈉玻璃基片上的。2000年，美國可再生能源研究所制備出亞微米級(0.74μm)CIGS太陽能電池，效率達(dá)12%～13%，更加顯示出了銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池的性價(jià)優(yōu)勢及廣闊的市場前景。2003年，日本昭和殼牌石油公司開發(fā)的3459cm2組件轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了13.4%。在2007年，美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室，用三步共蒸發(fā)法制備的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池，轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了19.9%，這是單結(jié)薄膜太陽能電池的世界記錄。
