铜铟镓硒薄膜太阳能电池的研究进展及展望
摘要：铜铟镓硒薄膜太阳能电池是多元化合物薄膜电池的重要一员，由于其优越的
综合性能，已成为全球光伏领域研究热点之一。本文阐述了铜铟镓硒薄膜太阳能电
池的特性和竞争优势；介绍了国内外在铜铟镓硒薄膜太阳能电池领域的研究现状；
最后探讨了铜铟镓硒薄膜太阳能电池的应用展望。
关键词：太阳能电池；薄膜；铜铟镓硒；展望
近几年，世界各国加速发展各种可再生能源替代传统的化石能源，以解决日益加剧的温室效应、环境污染和能源枯竭等全球危机。作为理想的清洁能源，太阳能永不枯竭，正成为当今世界最具发展潜力的产业之一。目前，太阳能电池市场主要产品是单晶硅和多晶硅太阳能电池，占市场总额的80%以上。由于晶硅电池的高成本和生产过程的高污染，成本更低、生产过程更加环保的薄膜太阳能电池得到快速发展。现阶段，有市场前景的薄膜太阳能电池有3种，分别是非晶硅、碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CuInGaSe2,一般简称CIGS)薄膜太阳能电池。作为直接带隙化合物半导体，铜铟镓硒吸收层吸收系数高达105cm-1，转化效率是所有薄膜太阳能电池中最高的，已成为全球光伏领域研究热点之一，即将成为新一代有竞争力的商业化薄膜太阳能电池。
1 铜铟镓硒薄膜太阳能电池的特性和竞争优势
太阳能电池的材料一般要求主要包括：半导体材料的禁带宽度适中；光电转化效率比较高；材料制备过程和电池使用过程中，不存在环境污染；材料适合规模化、工业化生产，且性能稳定。经过数十年电子工业的研究发展，作为半导体材料硅的提炼、掺杂和加工等技术已经非常成熟，所以，现在的商品太阳能电池主要硅基的[1]。但是，硅是间接带隙半导体材料，在保证电池一定转化效率前提下，其吸收层厚度一般要求150～300微米以上，理论极限效率为29%，按目前技术路线，提升效率的难度已经非常巨大[2]。同时考虑到加工过程近40%的材料损耗，材料成本是硅太阳能电池的最主要构成。另外，其材料生产过程的高温提炼、高温扩散导致其制备过程能耗高，这使其能量偿还周期长，整体成本高。尽管经过近几年的规模化发展，市场价格得到大幅下降，其每瓦成本仍高于2美元。如果再考虑到其制备过程的高污染，更增加了其环境治理社会成本，这些都严重制约了其竞争优势。相比较，薄膜太阳能电池具有较大的成本下降空间，同时它能够以多种方式嵌入屋顶和墙壁，非常适合光电一体化建筑和大型并网电站项目。在这种情况下，薄膜太阳能电池引起了人们的重视，近几年成了科技工作者的研究重点。从全球范围来看，光伏产业近期仍将以高效晶体硅电池为主。但向薄膜
太阳能电池和各种新型太阳能电池等低成本、低能耗、低污染的方向过渡已经成为光伏产业发展的必然趋势。目前，国际主要光伏企业已经放缓了对晶体硅太阳能电池产能的扩张，我国已经出台相应政策，抑制晶硅行业的盲目扩张。
技术比较成熟，且有发展潜力的薄膜太阳能电池有3种，分别是非晶硅(a-Si)、碲化镉(CdTe)、铜铟硒(CuInSe2,一般简称CIS)/铜铟镓硒(CuInGaSe2,一般简称CIGS)。经过几年的快速发展，单结非晶硅薄膜电池的效率达到7%左右,但是，其光致衰减现象还一直没能解决，相同功率条件下，需要更大的安装面积和成本。在此情况下，近年发展的微晶硅多结电池效率已经达到了10%，同时也部分克服了其衰减问题，所以，其必将在未来太阳能市场占有重要地位。CdTe薄膜电池的实验室效率可以达到16%,组件效率达到10%，缺点是Cd是重金属元素,会对环境和人体带来危害。但是，它的制备工艺简单，成本很低，可以满足一定区域的实际利用，也会在未来光伏市场占有一定的份额。
铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池具有多层膜结构(图51)，包括金属栅状电极、减反射膜、窗口层(ZnO)、过渡层(CdS)、光吸收层(CIGS)、金属背电极(Mo)、玻璃衬底等[3]。其中，吸收层CIGS是(化学式CuInGaSe2)由四种元素组成的具有黄铜矿结构的化合物半导体，是薄膜电池的关键材料。
图51 CIGS薄膜太阳能电池层状结构
相比较其它太阳能电池，CIGS竞争优势有以下6点:①通过掺入适量Ga替代部分同族的In,通过调节Ga/(Ga+In)可以调节CIGS的禁带能隙，调整范围为1.04～1.68eV，这是一个非常宽的范围,非常适合制备最佳带隙的半导体化合物材料，这是CIGS材料相对于硅系光伏材料的最特殊优势；②CIGS材料的吸收系数高，达到105cm-1，同时还具有较大范围的太阳光谱的响应特性；③利用CdS 作为缓冲层(具有闪锌矿结构)，和具有黄铜矿结构CIGS吸收层可以形成良好的晶格匹配,失配率不到2%；④在光电转化过程中，作为直接能隙半导体材料,CIGS
的厚度可以很小(约2μm)，当有载流子注入时，会产生辐射复合过程,辐射过程产生的光子可以被再次吸收,即所谓的光子再循环效应；⑤CIGS系半导体可直接由其化学组成的调节得到P型或N型不同的导电形式，不必借助外加杂质，不会产生Si系太阳电池很难克服的光致衰退效应，使用寿命可以长达30年以上；⑥CIGS薄膜的制备过程具有一定的环境宽容性，使得CIGS太阳电池在选择衬底时，具有较大的选择空间。综合比较分析，铜铟镓硒薄膜CIGS太阳能电池具有转换效率高(居各种薄膜太阳能电池之首)、材料来源广泛、生产成本低、污染小、无光衰、弱光性能好的显著特点，已成为各国争相研究的重点领域。
2 CIGS电池的发展现状
2.1 CIGS国外发展现状
1976年，美国首次研究成功CIS薄膜太阳电池，转换效率达到6.6%。时隔6年之后，波音公司通过3元(Cu、In、Se)蒸发方法，制造出了效率超过10%的薄膜电池。1983年，Arco Solar公司提出新的制备方法——硒化法，该项技术具有简单、廉价的特点,现在已经发展为制作CIS电池最重要的技术。80年代后期，德国开发出了转换效率为11.1%的CIS电池，这是转换效率首次超过10%。其稳定性好、耐空间辐射的优良特性也逐渐得到行业的重视。90年代初，瑞典报道了效率为17.6%，面积0.4cm2的CIS太阳电池，这是当时的世界记录。日本从1994年启动CIGS产业化项目，研发投入高达200亿日元(相当于14亿元人民币)。到90年代末期，美国可再生能源实验室(NREL)将转化效率提高到了18.8%，同时开始生产发电用CIGS太阳能电池组件(40W)，组件效率达到当时最高的12.1%。到2001年，德国风险投资企业WurthSolar开始在欧洲销售60cm×120cm 的CIGS太阳能电池组件,它是制备在钠玻璃基片上的。2000年，美国可再生能源研究所制备出亚微米级(0.74μm)CIGS太阳能电池，效率达12%～13%，更加显示出了铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池的性价优势及广阔的市场前景。2003年，日本昭和壳牌石油公司开发的3459cm2组件转换效率达到了13.4%。在2007年，美国可再生能源实验室，用三步共蒸发法制备的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，转化效率达到了19.9%，这是单结薄膜太阳能电池的世界记录[4]。
现在CIGS薄膜太阳能电池组件面积已经可以达到0.5平方米以上，主要有600mm×900mm和600mm×1200mm等规格。主要由各公司不同设备条件决定。其组件生产工艺流程如图(52)所示：
图52 CIGS组件生产工艺流程
现在CIGS组件处于产业化初级阶段，主要是美国、德国和日本等发达国家公司。其工艺各具特色，主要采用的都是真空溅射技术，区别主要是制备CIGS 吸收层的部分工艺差别。表43给出了主要公司生产工艺比较。可以看出，最主流形式是溅射金属预制层后硒化工艺。该工艺对溅射设备防腐要求低，维护简单，生产过程更容易控制。也有采用四元化合物靶直接溅射CIGS的研究，由于设备防腐要求高，吸收层存在缺陷，溅射后仍需要热退火处理，这种方法现阶段没有表现出产业化优势。
表43 世界主要CIGS组件厂家工艺比较
企业吸收层吸收层工艺组件面积mm2组件效率
Showa CIGSSe 溅射硒化600×1200 13.6%
Honda CIGS 溅射硒化600×1200 12.7% Centrotherm CIGS 溅射蒸发RTP 1100×1400 11%
Wuerth CIGS 蒸发法300×300 13%
Johanna CIGSSe 溅射硒化500×1200 10.5%
Avancis CIGSSe 溅射RTP 300×300 15.1%
Nanosolar CIGS 粒子印刷
IBM CIGS 化学法
在CIGS组件产业方面，从表43可以看出世界主要CIGS厂家技术现状。可以看出，蒸发和溅射后硒化是两种最广泛采用，最有实际应用前景的方法。尤其是预制膜硒化技术，更有优势，可以满足大面积生产，同时又能保证产品效率的最有效方法。
2.2 CIGS国内发展现状
自“六五”以来，我国政府一直把研究开发太阳能作为可再生能源技术的重
要组成部分而列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能技术和产业的发展。但与世界发达国家相比，我国在这一领域研究与应用力度和规模还比较落后。在2002年以前，我国(不含台湾、港澳)所有的太阳电池年产量不足5MWp，主要市场还局限在通讯领域，管道防腐保护和偏远乡村供电等。2002年之后，在“西部省区无电乡通电计划”、“金太阳示范工程”等一系列政策的激励下，我国的光伏产业成为快速发展的产业之一。2008年，我国光伏产业产值已超千亿元。其中，光伏组件的产能约为2000MWp，首次超过德国，位居世界第一，产品95%以上出口海外。到2009年底，我国光伏发电累计装机量约300MW，比2008年增长114%。
经过近20年的努力,我国在光伏发电技术的研究方面，开发储备了一定的技术基础,先后在实验室制备出了晶硅高效电池，多晶硅电池，非晶硅电池，以及CdTe和CIGS等等。国内最早开展CIGS研究的是南开大学，先后承担了国家“十五”“863”等重点课题。在“铜铟硒太阳能薄膜电池实验平台与中试线”和天津市的支持下，南开大学光电子薄膜器件与技术研究所的研究取得了关键性突破，其采用共蒸发法制备的CIS薄膜电池效率在2003年达到了12.1%[5]。2008年12月，位于天津滨海新区的“国家863铜铟硒薄膜太阳电池中试基地”研制出29×36cm2的CIGS太阳电池组件，转换效率达到7%。最近几年，国内也有一些单位，如清华大学、北京大学、华东师范大学等，也在开展CIS、CIGS薄膜太阳能电池制备工艺方面的研究工作,但是整体水平与国外的差距是非常大的。
3 CIGS薄膜太阳能电池应用展望
CIGS薄膜太阳能电池的底电极Mo和上电极n-ZnO一般采用磁控溅射的方法，工艺路线比较成熟。最关键的吸收层的制备必须克服许多技术难关，目前主要方法包括：共蒸发法、溅射后硒化法、电化学沉积法、喷涂热解法和丝网印刷法等。现在研究最广泛、制备出电池效率比较高的是共蒸发和溅射后硒化法，被产业界广泛采用。
本征缺陷、杂质、错配等均可影响CIGS材料的性能。制备性能优良的CIGS 太阳能电池，要尽量提高电池器件短路电流、开路电压、包括填充因子等。由于CIGS吸收层优异的光电特性，其短路电流一般可达30～40mA/cm2，决定短路电流的另一个主要因素就是电池器件的串联电阻，主要由上下电极的体电阻，各层接触电阻构成。制备器件工艺中，主要需要优化Mo电极、低阻ZnO的制备工艺，包括各层之间的匹配。
作为异质结薄膜太阳能电池，控制其结特性将是制备高效电池核心。制备性能优良CIGS薄膜太阳能电池的关键是提高器件的开路电压。主要是尽可能减少器件的短路现象(漏电)。关键是要提高器件的并联电阻。影响并联电阻的主要因
素有：电池内部缺陷、晶粒小、导致晶界过多、晶粒排列不紧密、层间晶格不匹配、复合中心多、电池周界的漏电流等。在制备器件中，主要是控制CIGS吸收层化学成分比，制备晶粒大、排列紧密、表面平整的吸收层；优化过渡层CdS、缓冲层高阻ZnO的制备工艺；避免杂质、缺陷引起的复合等。
最近几年，原子层沉积技术(ALD)快速发展，它是一种类似CVD的化学沉积制备薄膜的方法[6]。主要优点是制备的薄膜更加致密，缺陷更少，对衬底表面没有任何要求。如果用这种方法制备CIGS薄膜太阳能电池的缓冲层ZnS，不仅可以实现电池的无镉化，避免废水处理等不利因素，还可以实现电池制备工艺的流水化。整个工艺过程可以实现全真空化，提高电池转化效率，同时提高电池的生产效率。按照这一技术路线，电池组件的效率有希望达到15%到18%的水平。IBM 公司的研究部门正在开发常温下制造CIGS太阳能电池的工艺，光电转换效率的目标也在15%以上。随着技术的发展和研究的深入，CIGS电池的性能将会快速提高，即将成为未来薄膜太阳能组件的主流产品。
参考文献
[1] 施敏. 现代半导体器件物理[m]. 北京: 科学出版社, 2001: 370-372.
[2] 徐静波. 太阳能电池技术发展方向的展望[EB/OL].
https://www.doczj.com/doc/654914137.html,/nylt/5901. htm.
[3] 褚家宝. 铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池研究[R]. 上海: 华东师范大学, 2009: 19-20.
[4] IngridRepins, MiguelA.Contreras, BrianEgaas, ClayDeHart, JohnScharf, CraigL. Perkins,
Bobby Toand Rommel Noufi, 19.9%-efficientZnO/CdS/CuInGaSe2SolarCellwith81.2% Fill Factor. Prog. Photovolt: Res. Appl. 2008; 16: 235–239.
[5] 何青, 孙云. 效率为12.1%的Cu(In,Ga)Se2薄膜太阳电池[J]. 太阳能学报, 2004(9):
782-784.
[6] Spiering S, Hariskos D, Powalla M, et a1. Cd-freeCu (In,Ga). Se2thin. Filmsolarcellsmodules
with In2S3bufferlayerbyALCVD. ThinSolidFilms, 2003, 359: 431.
碲化镉与铜铟镓硒对比报告 主要特点对比 薄膜光伏太阳能电池 学术界和产业界普遍认为太阳能电池的发展已经进入了第三代。第一代为单晶硅太阳能电池，第二代为多晶硅、非晶硅等太阳能电池，第三代太阳能电池就是薄膜太阳能电池。 薄膜光伏太阳能电池（TF PV）已经是光伏技术中最耀眼的一员，其生产份额不断扩张。TF PV 以其低成本、低重量和灵活性而发展。TF PV太阳能电池有几种不同种类，包括铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能板和碲化镉（CdTe）太阳能板。根据《走向成功的薄膜光伏》和《薄膜、有机、可印刷光伏市场：2007-2015》研究报告中的预测，由于采用简单印刷和roll-to-roll（R2R）制造 工艺降低了成本，新产能的增加，以及通过技术改进提高了效率，这些都将使得TF PV成为市 场的主要角色，TF PV太阳电池将取代目前市场上由传统的晶硅制造的PV面板而成为主流技术。铜铟镓硒 CIGS电池具有与多晶硅太阳能电池接近的效率，具有低成本和高稳定性的优势，并且产业化瓶颈已经突破，在晶体硅太阳能电池原材料短缺的不断加剧和价格的不断上涨背景下，很多公司投入巨资，CIGS产业呈现出蓬勃发展的态势。目前全球有30多家公司置身于CIGS产业，但真 正进入市场开发的公司只有德国的Wuerth（伍尔特）、Surlfulcell，美国的Global Solar Energy，日本的Honda（本田）、Showa Solar Shell。2006年、2007年世界CIGS电池组件产能分别 为17.5MW、60.5MW，在世界光伏市场上占据的份额很小。 中国的CIGS产业远远落后于欧美和日本等国家和地区，南开大学以国家“十五”“863”计划为依托，建设0.3MW中试线，现已制备出30cm×30cm效率为7%的集成组件样品。2008年2月，山东孚日光伏科技有限公司宣布与德国的Johanna合作，独家引进了中国首条CIGSSe（铜铟镓硫 硒化合物）商业化生产线。
铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池研究 【摘要】：铜铟镓硒Cu(InGa)Se_2(CIGS)薄膜太阳能电池,具有转换效率高、成本低、稳定性好等特点,是最有发展前景的薄膜太阳能电池之一。到目前为止,基于三步共蒸发工艺制备的CIGS薄膜太阳能电池的效率已达19.99%,是所有薄膜太阳能电池中最高的。尽管这种制备方法有很多优点,制备成分均匀的大面积电池却具有难以克服的困难,不能满足大规模产业化的要求。在CIGS薄膜太阳能电池产业化进程中,克服其层间的附着力差,制备符合化学计量比具有黄铜矿结构的多晶薄膜吸收层是必须解决的两个最重要的工艺技术。本论文主要研究一种工艺简单、可控、适合产业化需要的技术工艺,即溅射制备合金预制膜后硒化的制备方法。研究采用的溅射系统,是本中心自行设计研制的三靶共溅设备,阴极大小为3英寸,衬底基座可以旋转,以保证制备薄膜的均匀。首先,在碱石灰玻璃衬底上制备厚度约1微米的钼电极,在溅射过程中通过改变工作气压,使Mo电极具有类似层状结构,消除了内应力的影响。通过扫描电镜分析,薄膜表面具有鱼鳞状结构,从而增加了Mo电极和CIGS吸收层之间的接触面积。Mo电极和玻璃衬底之间,及其和CIGS吸收层之间的附着力得到显著提高。然后,在沉积有Mo电极的玻璃衬底上,通过共溅射的方法制备约700纳米厚度的Cu(InGa)预制层薄膜,靶材采用CuIn和CuGa合金靶。硒化采用低温和高温过程依次进行的2步方法,采用固态硒源,硒化室是一个半密封的石墨盒。通过在高温区保温30分钟,制备出了性能优异的CIGS
吸收层薄膜,具有(112)晶面择优取向,显示明显的黄铜矿单一结构。薄膜表面平整,晶粒大小均匀、排列紧密,晶粒大小达到3到5微米。用化学水浴法,制备厚度约70纳米的CdS过渡层。分别采用醋酸镉和硫尿作为镉源和硫源。研究了ZnS薄膜的制备工艺,对无镉电池的制备做了初步探索。最后用射频磁控溅射的方法,研究了常温下制备透明导电材料IT0和ZnO的制备工艺,研究了溅射功率和溅射气压对薄膜性能的影响。所制备的透明导电薄膜在可见光谱范围内,透过率到达80%到90%,方块电阻达到15Ω/□以下。在CIGS薄膜太阳能中,作为上电极材料,具有广泛的应用前景。通过大量的实验,优化了背电极Mo、吸收层CIGS、过渡层CdS(ZnS)、本征氧化锌i-ZnO和搀杂氧化锌n-ZnO(或者ITO)的制备工艺。最后,制备出了结构为Glass/Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/n-ZnO/A1的CIGS电池器件。对器件的性能做了测试分析,在没有减反射层的情况下,转化效率达到7.8%。该研究采用的CIGS薄膜太阳能电池的制备工艺简单、过程容易控制、设备和材料费用低,没有采用剧毒的气源,适合大规模产业化的要求,为以后进一步的研究开发做了技术储备。【关键词】：CIGS薄膜太阳能电池TCO磁控溅射合金靶固态硒源硒化 【学位授予单位】：华东师范大学 【学位级别】：博士 【学位授予年份】：2009
铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池技术综述 一、薄膜太阳电池概术 铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池由于效率高、无衰退、抗辐射、寿命长、成本低廉等特点，是备受人们关注的一种新型光伏电池产品，经过近30年的研究和发展，其光电转化效率为所有已知薄膜太阳能电池中最高的。而且其光谱响应范围宽，在阴雨天条件下输出功率高于其他任何种类太阳电池，因而成为最有前途的光伏器件之一。 铜铟镓硒CuInSe2（简称CIS）薄膜材料是属于Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2族化合物直接带隙半导体，光吸收系数达到105量级，薄膜厚度约为1-2μm就能吸收太阳光，其禁带宽度为1.02eV。通过掺入适量的Ga元素以代替部分的In，成为CuInSe2与CuGaSe2（简称CGS）的固溶半导体CuIn1-xGaxSe2（简称CIGS）。CIGS电池在制作过程中，通过控制不同的Ga掺入量，其禁带宽度可在1.02-1.67eV范围内调整，这就为太阳能电池的带隙优化提供了很好的途径。 二、国内外研究现状 （一）国外研究进展 CIGS薄膜太阳电池材料与器件的实验室技术在发达国家趋于成熟，大面积电池组件和量产化开发是CIGS电池目前发展的总体趋势，而柔性电池和无镉电池是近几年的研究热点。 美国国家可再生能源实验室（NREL）在玻璃衬底上利用共蒸发三步工艺制备出最高效率达19.9%的电池。这种柔性衬底CIGS太阳电池在军事上很有应用前景。近期，CIGS小面积电池效率又创造了新的记录，达到了20.1%，与主流产品多晶硅电池效率相差无几。 美国NREL和日本松下电器公司在不锈钢衬底上制备的CIGS电池效率均超过17.5%；瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）的科学家AyodhyaN.Tiwari领导的小组经过多年努力，完善了之前开发的柔性不锈钢衬底太阳能电池，实现了18.7%的效率。 由美国能源部国家光伏中心与日本“新能源和工业技术开发机构（NEDO）”联合研制的无镉CIGS电池效率达到18.6％。这说明即使不使用CdS也能制备出高转化效率的CIGS太阳电池。 （二）国内研究进展 我国研究CIGS薄膜太阳电池在二十世纪八十年代开始起步，内蒙古大学、云南师范大学和南开大学等单位开始CIS材料和电池研究。南开大学采用蒸发法制备吸收层CIS薄膜，n型层CdS与窗口低阻层CdS：In薄膜。1999年研制(1cm2面积)的CIS电池效率为8.83％，CIGS电池效率为9.13％。1999年得到教育部“211”工程资助，开始研究金属预置层后硒化制备CIGS薄膜，CBD法制备过渡层CdS薄膜，溅射本征ZnO、ZnO：A1薄膜等工艺技术。2002年得到国家“863”计划的重点投入，建立了CIGS薄膜电池10×10cm2面积组件的研究平台，为中国发展CIGS薄膜太阳电池以及化合物电子薄膜与器件奠定了基础。 南开大学信息学院光电子研究所CIGS课题组研制的CIGS薄膜太阳电池转换效率已达13％以上，其电池结构为Al／ZnO：A1／Zn0／CdS／CIGS／Mo／Glass，柔性不锈钢衬底上的转换效率也已超过9％。2011年6月初，中国科学院深圳先进技术研究院与香港中文大学合作，成功研发出了光电转换效率达17%的铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池，此技术为国内报道的CIGS太阳电池的最高转换率。 三、CIGS薄膜制备技术 铜铟镓硒（CIGS）薄膜是电池的核心材料，CIGS电池的吸收层CIGS薄膜是一种多元化合物多晶半导体材料，元素配比是决定材料性能的主要因素。由于元素成分多、结构复杂，工艺中某一项参数略有偏差，则材料的电学性能和光学性能变化很大，制备过程难于控制。CIGS吸收层的制作方法很多，这些沉积制备方法包括：共蒸发法、后硒化法、电镀法、喷涂热解法和丝网印刷等。 其中普遍采用和制备出高效率电池的是共蒸发法和后硒化法。其他方法沉积得到符合元素化学计量比的CIGS薄膜比较困难并且容易出现二元或一元杂相，影响了电池效率的进一步提高。作为实验室里制备小面积的CIGS薄膜太阳电池时，共蒸发法沉积的CIGS薄膜质量明显高于其他技术手段，电池效率较高。但由于蒸发法对设备要求严格，蒸发过程中各元素沉积速率不容易控制，大面积生产均匀性不好；
铜铟镓硒薄膜太阳能电池的现状及未来学术界和产业界普遍认为太阳能电池的发展已经进入了第三代。第一代为单晶硅太阳能电池，第二代为多晶硅、非晶硅等太阳能电池，第三代太阳能电池就是铜铟镓硒CIGS(CIS中掺入Ga)等化合物薄膜 太阳能电池及薄膜Si系太阳能电池。 铜铟镓硒薄膜太阳能电池是多元化合物薄膜电池的重要一员，由于其优越的综合性能，已成为全球光伏领域研究热点之一。本文阐述了铜铟镓硒薄膜太阳能电池的特性和竞争优势;介绍了国内外在铜铟 镓硒薄膜太阳能电池领域的研究现状;最后探讨了铜铟镓硒薄膜太阳 能电池的应用展望。 关键词：太阳能电池;薄膜;铜铟镓硒;展望 近几年，世界各国加速发展各种可再生能源替代传统的化石能源，以解决日益加剧的温室效应、环境污染和能源枯竭等全球危机。作为理想的清洁能源，太阳能永不枯竭，正成为当今世界最具发展潜力的产业之一。目前，太阳能电池市场主要产品是单晶硅和多晶硅太阳能电池，占市场总额的80%以上。由于晶硅电池的高成本和生产过程的高污染，成本更低、生产过程更加环保的薄膜太阳能电池得到快速发展。现阶段，有市场前景的薄膜太阳能电池有3种，分别是非晶硅、碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CuInGaSe2,一般简称CIGS)薄膜太阳能电池。作为直接带隙化合物半导体，铜铟镓硒吸收层吸收系数高达
105cm-1，转化效率是所有薄膜太阳能电池中最高的，已成为全球光伏领域研究热点之一，即将成为新一代有竞争力的商业化薄膜太阳能电池。 1、铜铟镓硒薄膜太阳能电池的特性和竞争优势 太阳能电池的材料一般要求主要包括：半导体材料的禁带宽度适中;光电转化效率比较高;材料制备过程和电池使用过程中，不存在环境污染;材料适合规模化、工业化生产，且性能稳定。经过数十年电子工业的研究发展，作为半导体材料硅的提炼、掺杂和加工等技术已经非常成熟，所以，现在的商品太阳能电池主要硅基的。但是，硅是间接带隙半导体材料，在保证电池一定转化效率前提下，其吸收层厚度一般要求150～300微米以上，理论极限效率为29%，按目前技术路线，提升效率的难度已经非常巨大。同时考虑到加工过程近40%的材料损耗，材料成本是硅太阳能电池的最主要构成。另外，其材料生产过程的高温提炼、高温扩散导致其制备过程能耗高，这使其能量偿还周期长，整体成本高。尽管经过近几年的规模化发展，市场价格得到大幅下降，其每瓦成本仍高于2美元。如果再考虑到其制备过程的高污染，更增加了其环境治理社会成本，这些都严重制约了其竞争优势。相比较，薄膜太阳能电池具有较大的成本下降空间，同时它能够以多种方式嵌入屋顶和墙壁，非常适合光电一体化建筑和大型并网电站项目。在这种情况下，薄膜太阳能电池引起了人们的重视，近几年成了科技工作者的研究重点。从全球范围来看，光伏产业近期仍将以
2010-2012年中国铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池市场全景调查及未来发展趋势报告 报告简介 报告目录、图表部份 目录 第一章铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池概述 1 第一节太阳能电池的分类 1 一、硅系太阳能电池 1 二、多元化合物薄膜太阳能电池 3 三、聚合物多层修饰电极型太阳能电池 3 四、纳米晶化学太阳能电池 5 第二节铜铟硒（CIS）薄膜太阳能电池介绍7 一、CIS太阳电池的结构7 二、CIS太阳电池的特点7 三、生产高效CIS太阳电池的难点8 第三节铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池介绍8 一、CIGS太阳能电池基本概念8 二、CIGS太阳电池的结构9 三、CIGS薄膜太阳电池的优势9 四、CIGS薄膜三种制备技术的特点10 第二章2008-2009年世界CIGS薄膜太阳能电池产业发展状况分析12 第一节2008-2009年世界薄膜太阳能电池的发展分析12 一、全球薄膜太阳能电池产业迅速发展12 二、三种薄膜太阳能电池进入规模生产12 三、薄膜太阳能电池企业纷纷布局14 第二节2008-2009年世界CIGS薄膜太阳能发展概况14
二、全球CIGS电池发展现状16 三、全球铜铟镓硒太阳能电池领导厂商发展概况19 第三节2009-2012年世界CIGS薄膜太阳能电池产业发展趋势分析21 第三章2008-2009年世界主要国家CIGS薄膜太阳能电池发展分析23 第一节2008-2009年世界CIGS薄膜太阳能企业发展动态23 一、IBM与TOK将共同开发新型CIGS太阳能电池23 二、德国SOLIBRO开始提供CIGS太阳能电池23 三、IBM涂布法CIGS太阳能电池转换效率突破12.8％24 四、VEECO公司CIGS薄膜太阳能电池设备获得订单24 五、亚化宣布进军CIGS薄膜太阳能领域25 第二节2008-2009年美国CIGS薄膜太阳能电池发展分析25 一、美国化合物太阳能电池专利权人分析25 二、美国CIGS化合物太阳能电池研发状况26 三、美国CIGS化合物太阳能电池厂商商业化动向27 四、2008年美国CIGS电池转换效率再创历史新高28 第三节2008-2009年日本CIGS薄膜太阳能研发状况28 一、日本研制成功CIGS太阳电池新制法28 二、日本采用CIGS太阳电池技术成功试制图像传感器29 三、日本量产型CIGS型太阳电池模块光电转换率实现15.9% 30 四、日本柔性CIGS太阳能电池单元转换率达全球之首31 第四章2008-2009年国外CIGS太阳电池主要生产企业运营透析32 第一节美国GLOBAL SOLAR ENERGY INC.（GSE）32 一、公司概况32 二、2008年GSE美国CGIS太阳能电池生产厂投产32 三、世界最大CIGS薄膜太阳能电池阵在GSE投入使用32 第二节日本的HONDA SOLTEC CO.，LTD 33 一、公司概况33 二、本田SOLTEC开发出CIGS型太阳能电池33
CIGS太阳能薄膜电池结构和组件生产工艺 陈群 CIGS目前是最具潜力的高效率、低成本的太阳能薄膜电池，具有如下优点：最高太阳能薄膜电池转换效率；薄膜电池的低成本制作；长期稳定的工作性能；易大规模商业化生产等。如图1所示，完整的CIGS电池结构包括：1-5毫米厚的钠钙玻璃基底；约1微米厚的钼金属背面电极；约2微米厚的铜铟镓硒（硫）光吸收层；约50纳米厚的硫化镉缓冲层；约50纳米厚的氧化锌和约1微米厚的铝杂氧化锌窗口层；约100纳米厚氟化镁光学增透层；约2微米厚镍铝正面电极。 图1 CIGS电池结构 CIGS电池组件在电池制备过程中形成串联，方式如下图2所示。其中P1使用激光刻划，防止相邻电池钼金属电极接触形成短路。P2使用机械探针刻划，使真空溅射的铝掺杂氧化锌与钼金属电极相连形成串联。P3使用机械探针刻划，防止相邻铝杂氧化锌电极接触形成短路。 图2 CIGS电池串联方式 图3概括了CIGS电池组件的生产流程：1、清洗钠钙玻璃基底；2、真空溅镀钼金属背面电极；3、激光刻蚀钼金属形成P1划线；4、制备CIGS光吸收层； 5、化学浴沉积CdS缓冲层； 6、真空溅镀一薄层氧化锌； 7、探针机械切割形成
P2划线；8、真空溅镀一层铝杂氧化锌；9、探针机械切割ZnO，CdS和CIGS形成P3划线；10、并联连接各个电池模块；11、封装电池形成组件。 图3 CIGS电池组件的生产流程 CIGS电池组件成套生产线仪器设备的信息请参考centrotherm公司：https://www.doczj.com/doc/654914137.html,/startseite/bomuzujian/chanpin1/ctscx.html
铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池 项目 可行性研究报告 编制单位：北京中投信德国际信息咨询有限公司 编制时间：https://www.doczj.com/doc/654914137.html, 高级工程师：高建
关于编制铜铟镓硒（CIGS ）薄膜太阳能电池 项目可行性研究报告编制说明 （模版型） 【立项 批地 融资 招商】 核心提示： 1、本报告为模板形式，客户下载后，可根据报告内容说明，自行修改，补充上自己项目的数据内容，即可完成属于自己，高水准的一份可研报告，从此写报告不在求人。 2、客户可联系我公司，协助编写完成可研报告，可行性研究报告大纲（具体可跟据客户要求进行调整） 编制单位：北京中投信德国际信息咨询有限公司 专 业 撰写节能评估报告资金申请报告项目建议书 商业计划书可行性研究报告
目录 第一章总论 (1) 1.1项目概要 (1) 1.1.1项目名称 (1) 1.1.2项目建设单位 (1) 1.1.3项目建设性质 (1) 1.1.4项目建设地点 (1) 1.1.5项目主管部门 (1) 1.1.6项目投资规模 (2) 1.1.7项目建设规模 (2) 1.1.8项目资金来源 (3) 1.1.9项目建设期限 (3) 1.2项目建设单位介绍 (3) 1.3编制依据 (3) 1.4编制原则 (4) 1.5研究范围 (5) 1.6主要经济技术指标 (5) 1.7综合评价 (6) 第二章项目背景及必要性可行性分析 (8) 2.1项目提出背景 (8) 2.2本次建设项目发起缘由 (8) 2.3项目建设必要性分析 (8) 2.3.1促进我国铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池产业快速发展的需要 (9) 2.3.2加快当地高新技术产业发展的重要举措 (9) 2.3.3满足我国的工业发展需求的需要 (9) 2.3.4符合现行产业政策及清洁生产要求 (9) 2.3.5提升企业竞争力水平，有助于企业长远战略发展的需要 (10) 2.3.6增加就业带动相关产业链发展的需要 (10) 2.3.7促进项目建设地经济发展进程的的需要 (11) 2.4项目可行性分析 (11) 2.4.1政策可行性 (11) 2.4.2市场可行性 (11) 2.4.3技术可行性 (12) 2.4.4管理可行性 (12) 2.4.5财务可行性 (13) 2.5铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池项目发展概况 (13)
普尼太阳能（杭州）有限公司年产3MW铜铟镓硒薄膜太阳能电池、组件研发增资项目 环境影响报告书 （简本） 浙江大学 Zhejiang University 国环评证：甲字第2002号 二○一○年四月
第1章总论 1.1 项目由来 太阳能作为一种清洁能源，对我国能源替代及可持续发展意义重大。目前，学术界和产业界普遍认为太阳能光电池的发展目前已经进入了第三代，第一代为单晶硅太阳能电池片，第二代为多晶硅、非晶硅太阳能电池片，第三代就是薄膜太阳能电池，分硅系列和非硅系列。 目前传统晶硅电池应用仍较多，商业化程度高，但硅材料的匮乏及不断高涨的价格限制了晶硅太阳能电池的发展。而薄膜太阳能电池从根本上解决这一问题，且具有光电转换效率高、成本低、可大面积沉积在廉价的玻璃甚至塑料衬底上等优势，发展前景越来越被人看好。据预测，到2030年薄膜太阳能电池将占整体太阳能电池份额的30%以上，从而与晶体硅太阳能电池平分秋色。 铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池就是薄膜太阳能电池中的佼佼者。CIGS薄膜太阳能电池是多元化合物半导体薄膜电池，具有生产成本低、污染小、不衰退、弱光性能好等显著特点，光电转换效率接近于晶体硅太阳能电池，居各种薄膜太阳能电池之首，而成本则是晶体硅电池的三分之一，被国际上称为“下一时代非常有前途的新型薄膜太阳能电池”，是近几年研究开发的热点。该电池具有柔和、均匀的黑色外观，在现代化高层建筑等领域也将有很大的市场，是对于外观有较高要求场所的理想选择，如大型建筑物的玻璃幕墙等。另外，该电池在空间微小卫星动力电源的应用
上也具有广阔的市场前景。 根据《杭州高新技术产业开发区管理委员会文件》杭高新[2009]246号文“关于薄膜太阳能电池、组件研发增资项目核准的批复”，普尼太阳能（杭州）有限公司由HONGKONG OPTONY CO., LIMITED和哈尔滨高科技（集团）股份有限公司共同出资，总投资由10万美元增加到4000万美元，注册资本由10万美元增加到1500万美元，于2009年9月18日在滨江区注册成立。公司自主研发设计的高效薄膜太阳能电池及组件结合了当今世界最高效率的薄膜太阳能光伏技术与先进的聚光概念，兼具低成本及高效率的特点，可为产品用户提供了可靠而廉价的清洁电力。普尼太阳能（杭州）有限公司在杭州高新技术开发区租用杭州市滨江区江陵路88号浙江万轮车业集团有限公司5幢1~2层生产厂房，租赁面积3086.56m2，投资4000万美元，引进进口先进设备，建设一条3MW的CIGS薄膜太阳能电池生产线，主要从事技术开发、技术服务、太阳能系统集成、薄膜太阳能电池配套组件等。目前，企业生产基地处于厂区施工建设及设备安装调试阶段，计划于2010年运营第一条中试生产线。 根据《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国环境影响评价法》、国务院[1998]第253号令《建设项目环境保护管理条例》中的有关规定，在工程项目可行性研究阶段须进行环境影响评价工作。建设单位于2010年1月委托浙江大学承担该项目中试生产线的环境影响评价报告书的编制工作。我单位在接受委托后，对项目拟建地进行了现场踏勘，对周围环境进行了调查分析，在征求环保主管部门意见和相关资料收集整理的基础上，编制了本环境影响评价报告书。
铜铟镓硒项目环境影响 报告书 Document serial number【LGGKGB-LGG98YT-LGGT8CB-LGUT-
年产3MW铜铟镓硒薄膜太阳能 电池、组件研发增资项目 环境影响报告书 （简本） 二○一○年四月 第1章总论 项目由来 太阳能作为一种清洁能源，对我国能源替代及可持续发展意义重大。目前，学术界和产业界普遍认为太阳能光电池的发展目前已经进入了第三代，第一代为单晶硅太阳能电池片，第二代为多晶硅、非晶硅太阳能电池片，第三代就是薄膜太阳能电池，分硅系列和非硅系列。 目前传统晶硅电池应用仍较多，商业化程度高，但硅材料的匮乏及不断高涨的价格限制了晶硅太阳能电池的发展。而薄膜太阳能电池从根本上解决这一问题，且具有光电转换效率高、成本低、可大面积沉积在廉价的玻璃甚至塑料衬底上等优势，发展前景越来越被人看好。据预测，到2030年薄膜太阳能电池将占整体太阳能电池份额的30%以上，从而与晶体硅太阳能电池平分秋色。 铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池就是薄膜太阳能电池中的佼佼者。CIGS薄膜太阳能电池是多元化合物半导体薄膜电池，具有生产成本低、污染小、不衰退、弱光性能好等显着特点，光电转换效率接近于晶体硅太阳能电池，居各种薄膜太阳能电池之首，而成本则是晶体硅电池的三分之一，被国际上称为“下一时代非常有前途的新型薄膜太阳能电池”，是近几年研究开发的热点。该电池具有柔和、均匀的黑色外观，在现代化高层建筑等领域也将有很大的市场，是对于外观有较高要求场所的理想选
择，如大型建筑物的玻璃幕墙等。另外，该电池在空间微小卫星动力电源的应用上也具有广阔的市场前景。 根据《杭州高新技术产业开发区管理委员会文件》杭高新[2009]246号文“关于薄膜太阳能电池、组件研发增资项目核准的批复”，普尼太阳能（杭州）有限公司由HONGKONG OPTONY CO., LIMITED和哈尔滨高科技（集团）股份有限公司共同出资，总投资由10万美元增加到4000万美元，注册资本由10万美元增加到1500万美元，于2009年9月18日在滨江区注册成立。公司自主研发设计的高效薄膜太阳能电池及组件结合了当今世界最高效率的薄膜太阳能光伏技术与先进的聚光概念，兼具低成本及高效率的特点，可为产品用户提供了可靠而廉价的清洁电力。普尼太阳能（杭州）有限公司在杭州高新技术开发区租用杭州市滨江区江陵路88号浙江万轮车业集团有限公司5幢1~2层生产厂房，租赁面积3086.56m2，投资4000万美元，引进进口先进设备，建设一条3MW的CIGS薄膜太阳能电池生产线，主要从事技术开发、技术服务、太阳能系统集成、薄膜太阳能电池配套组件等。目前，企业生产基地处于厂区施工建设及设备安装调试阶段，计划于2010年运营第一条中试生产线。 根据《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国环境影响评价法》、国务院[1998]第253号令《建设项目环境保护管理条例》中的有关规定，在工程项目可行性研究阶段须进行环境影响评价工作。建设单位于2010年1月委托浙江大学承担该项目中试生产线的环境影响评价报告书的编制工作。我单位在接受委托后，对项目拟建地进行了现场踏勘，对周围环境进行了调查分析，在征求环保主管部门意见和相关资料收集整理的基础上，编制了本环境影响评价报告书。 通过环境影响评价，可了解建设项目建设前的环境现状，预测项目建成后对周围大气环境、水环境及声环境的影响程度和范围，并提出防治措施和减轻项目建设对周围环境影响的可行措施。同时进行公众参与调查，可了解项目周围公众对本项目的态
铜铟镓硒（CIGS ）太阳能薄膜电池项目 可行性研究报告
第一章总论 一、项目背景 （一）项目名称：铜铟镓硒（CIGS太阳能薄膜电池 （二）项目承担单位：某某浩德集团有限公司 （三）项目主管单位：国家高新技术开发区管理委员会 （四）项目拟建地区和地点：国家高新技术开发区新能源产业园 （五）可行性研究报告研究范围 1、太阳能光伏产业和技术发展趋势研究 2、市场需求及产品销售预测 3、项目建设的必要性、建设条件及选址 4、CIGS太阳能薄膜电池的技术方案和工程方案 5、环境保护方案 6、节能措施 7、投资估算及资金筹措 &财务及经济效益分析 （六）可行性研究报告编制依据 2007 年1、国务院颁布的《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南（ 度）》 2、《建设项目经济评价方法和参数》（第三版） 3、技术提供方德国centroherm公司提供的经济技术参数 4、国内外太阳能光伏产业发展状况
5、国家有关法律法规和财税政策 （七）研究工作概况 1、项目建设的必要性 （1）太阳能电池是太阳能光伏产业中技术含量高、经济体量最高的核心组件，成长性好，市场空间巨大，投资引进技术先进的太阳能电池项目将推动光伏产业的快速发展，有利于节能减排目标的实现，有利于能源结构的调整，有利于区域经济结构的优化。 未来数年光伏行业的复合增长率将高达30％以上。至2020 年全球光伏发电装机容量将达到300GW整个产业的年产值将超过3000亿美元，至2040年光伏发电将达到全球发电总量的15－20％。 该项目的引进与建设将有力促进城市圈“两型社会”的建设。加快太阳能光伏产业的发展，有望改变我国城乡的民用能源结构。大力引进、发展和生产包括CIGS模组片产品系列在内的新能源项目既具有良好的发展前景，又符合国家、省、市产业发展政策，国家发改委、科技部、商务部、知识产权局发布的《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南（2007）》将开发生产高效率低成本的太阳能光伏电池、新型太阳能电池及制造设备确定为重点项目。既有很好的经济效益，又有良好的社会效益。本项目建设将有力促进城市圈“两型社会”的建设和发展。 （2）德国centrotherm公司开发生产的CIGS薄膜太阳能电池是目前世界上光电转化率最高的第三代太阳能电池，并提供交钥匙工程服务，包销生产初期所有产品。该项目的引进将填补国内空白，带动我国太阳能电池的升级换代，推动区域高新技术产业结构优化，并具有良好经济回报。 Centrotherm公司开发的CIGS太阳能薄膜电池技术水平在世界处于领先，规模化生产技术成熟，生产成本低、原材料消耗少、单位产品能耗低、用途广泛，产品具有强劲的市场竞争力，经济性能优良将为投资者带来丰厚的回报。
铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池 项目 可行性研究报告 编制单位：北京中投信德国际信息咨询有限公司 编制时间：https://www.doczj.com/doc/654914137.html, 高级工程师：高建
关于编制铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池 项目可行性研究报告编制说明 （模版型） 【立项 批地 融资 招商】 核心提示： 1、本报告为模板形式，客户下载后，可根据报告内容说明，自行修改，补充上自己项目的数据内容，即可完成属于自己，高水准的一份可研报告，从此写报告不在求人。 2、客户可联系我公司，协助编写完成可研报告，可行性研究报告大纲（具体可跟据客户要求进行调整） 编制单位：北京中投信德国际信息咨询有限公司 专 业 撰写节能评估报告资金申请报告项目建议书 商业计划书可行性研究报告
目录 第一章总论 (1) 1.1项目概要 (1) 1.1.1项目名称 (1) 1.1.2项目建设单位 (1) 1.1.3项目建设性质 (1) 1.1.4项目建设地点 (1) 1.1.5项目主管部门 (1) 1.1.6项目投资规模 (2) 1.1.7项目建设规模 (2) 1.1.8项目资金来源 (3) 1.1.9项目建设期限 (3) 1.2项目建设单位介绍 (3) 1.3编制依据 (3) 1.4编制原则 (4) 1.5研究范围 (5) 1.6主要经济技术指标 (5) 1.7综合评价 (6) 第二章项目背景及必要性可行性分析 (8) 2.1项目提出背景 (8) 2.2本次建设项目发起缘由 (8) 2.3项目建设必要性分析 (8) 2.3.1促进我国铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池产业快速发展的需要 (9) 2.3.2加快当地高新技术产业发展的重要举措 (9) 2.3.3满足我国的工业发展需求的需要 (9) 2.3.4符合现行产业政策及清洁生产要求 (9) 2.3.5提升企业竞争力水平，有助于企业长远战略发展的需要 (10) 2.3.6增加就业带动相关产业链发展的需要 (10) 2.3.7促进项目建设地经济发展进程的的需要 (11) 2.4项目可行性分析 (11) 2.4.1政策可行性 (11) 2.4.2市场可行性 (11) 2.4.3技术可行性 (12) 2.4.4管理可行性 (12) 2.4.5财务可行性 (13) 2.5铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池项目发展概况 (13)