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铜铟硒(镓)(CIGS)太阳能电池

字体大小: - - yaqian   发表于 10-08-11 11:32     阅读(2231)   评论(0)     分类:薄膜太阳能导体浆料

铜铟硒(镓)(CIGS)太阳能电池

一、项目简介

 

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。

 

CuInSe2多晶薄膜太阳能电池的研究起始于20世纪80年代初。经过近20年的研究,近期已有了突破性的进展。目前,电池在效率、稳定性和大面积生产技术方面都有可喜的进展,小面积电池(CuInGaSe)的效率已超过了18.8%,大面积的电池效率达到了13%。国外许多大公司和国家实验室,如西门子公司(Siemens Solar),美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory),已开始大规模地实施制造薄膜太阳能电池的计划,2005年德国投入5500万欧元,正在建造生产能力达10MW的CIS生产线。

 

在国内,内蒙古大学、南开大学、云南师范大学、中国科学院长春应用化学研究所等单位先后在80年代中期开展了CuInSe2多晶薄膜太阳能电池的研究。1986年长春应用化学研究所用喷涂法制备了CIS薄膜,1990年内蒙古大学采用双源法,研制了CdS/CulnSe2薄膜太阳能电池,面积为0.9cm×0.9cm,效率为8.5%,南开大学采用蒸发硒化法制作CulnSe2薄膜太阳能电池,面积为lcm2的太阳能电池效率为7.28%,5cm×5cm电池的平均效率达到了6.67%。比较而言,我国的技术还处于实验室阶段,而且水平较低,投入很少。在国内的专利检索上,目前还没有与CIS相关的报道。而在文献报道方面,至今还没有用溅射及CBD制备CIS电池方面的报道。

 

生产高效CIS电池的难点:

 

(1)    多层薄膜的制备技术,及薄膜厚度和掺杂的均匀控制。

 

(2)    高质量多晶薄膜的制备,产生致密性粒径大于1微米CIS薄膜。

 

(3)    大面积生产的稳定性。

 

二、CIS电池结构

 

铜铟硒(CIS)太阳能电池是多元化合物半导体薄膜电池,它是在玻璃或是其它廉价衬底上依次沉积多层薄膜而构成的光伏器件,其结构如图所示。在玻璃衬底到最顶层依次是:金属Mo背电极/ CIS吸收层/ CdS过渡层/本征ZnO(i-ZnO)层/ZnO:Al窗口层,最后可以选择在表面依次镀上减反射层(AR Coating)来增加光的入射,再镀上金属栅极用于引出电流。

 

 

CIS薄膜太阳能电池的结构示意图

 

三、CIS电池的特点

 

1.      低成本

 

CIS电池采用了廉价的Na-Lime玻璃做衬底,采用溅射技术为制备的主要技术,这样Cu,In,Ga,Al,Zn的耗损量很少,对大规模工业生产而言,如能保持比较高的电池的效率,电池的价格以每瓦计算会比相应的单晶硅和多晶硅电池的价格低得多。

 

2.      高效率

 

禁带宽度(1.1eV)适于太阳光的光电转换;容易形成固溶体以控制禁带宽度的特点,目前实验室样片效率达到18.8%。

 

3.      可大规模生产

 

    近二十年的研究表明,CIS电池的界面是化学稳定的;亚稳态缺陷对载流子有正面的影响;而Cu漂移是可逆的,它的漂移缓解了在材料中的化学势产生的缺陷梯度,这种适应性使其有很好的抗辐照和抗污染能力,从而具备大规模生产的优势。

 

四、技术优势及项目发展状况

 

北京大学新能源中心有多名教授和高工长期从事超导腔薄膜的研制、真空及溅射系统的设计、光电转换材料的制备以及能带工程等方面的科研工作。可以满足研制CIS电池的各方面的工作(包括溅射设备、真空硒化设备的设计,溅射薄膜的研制、改性及优化,光电性能的检测和产品的实用化规模化)的需要。

 

课题组于2000年就开始CIS太阳能电池的研发工作,用磁控溅射的方法制备出了Mo、Cu-In薄膜,用真空硒化退火的方法制备出了具有CuInSe2 单一晶相的多晶硅薄膜,用CBD方法准备了CdS薄膜。结果显示CuInSe2薄膜有很好的晶相,薄膜质量非常致密,平均的晶粒直径已超过了2mm

 

2003年,课题组开始研制具有中试生产规模的CIS薄膜制备系统。研制的目标是:研制300´300mm2的CIS太阳能电池、效率达到8%以上,掌握关键技术与工艺。在此基础上提出大规模生产线的工艺流程及设备配置。经过一年半的设计、制造,2005年中,一条多室、多靶的镀膜设备在北大射频超导实验室建立起来,并开始调试实验。这台设备采用了我们自主研制的关键部件,系统总长12米,有7个真空室,6只定向同轴磁控溅射转靶,两台线蒸发源,以及齿条传动的样片车。下图是正在调试的制备系统照片。

 

 

    自2005年8月以来,课题组在此镀膜设备上进行了CIS太阳能电池的研制工作,由于设备设计合理、加工制造精良、真空系统可靠(每个室均好于2´10-4Pa的真空度)、溅射靶的选型正确等等,我们以较快的速度研制出针对大规模生产制备CIS的新工艺,我们称其为“三源叠层硒化法”。用这种方法已研制出CIS太阳能电池,目前正在进一步优化各层膜的结构和组分、研制掺入镓的方法、克服AZO窗口用的靶材的制备困难(国内外不易解决AZO圆筒型靶材)。

返回文章列表标签:薄膜太阳能导体浆料  

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