工艺步骤四-高温硒化
真空或氩气环 境下Se高温 蒸发。 Se蒸汽和预 制膜反应生成 CIGS。
CuIn0.7Ga0.3Se2表征
•溅射硒化法优点
• 可以比较精确的调节各元素的化学配比 • 薄膜的致密性高，使用寿命长 • 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 • 薄膜均匀性较好，有利于制造大面积CIS电池 • 步骤四应用的固态源硒化法。这一方式可避免使 用剧毒的H2Se气体，因此操作更加安全，设备也 相对简单。
1 光吸收能力强 CIGS太阳能电池由Cu（铜）、In（铟）、 Ga（镓）、Se（硒）四种元素构成最佳比例的 黄铜矿结晶作为吸收层，可吸收光谱波长范围广， 除了晶硅与非晶硅太阳能电池可吸收光的可见光 谱范围，还可以涵盖波长在700~1200nm之间的 红外光区域，即一天内可吸收光发电的时间最长， CIGS薄膜太阳能电池与同一瓦数级别的晶硅太 阳能电池相比，每天可以超出20%比例的总发电 量
• 共蒸发法治铜铟镓硒吸收层的缺点：
薄膜的均匀性比较难控制，材料浪费严重,不能满 足大规模产业化的要求。 薄膜与衬底结合能力差,影响使用寿命 制备符合化学计量比具有黄铜矿结构的多晶薄膜NREL USA NREL USA Empa 瑞士 衬底 玻璃 效率 19.9% 组织 南开 衬底 效率 >13% 柔性不 >9% 锈钢 17%
• 传统硅晶电池：由硅晶体组成,电池主要部 分易碎,易产生隐形裂纹,大多有一层钢化 玻璃作为防护,造成重量大,携带不便,抗震 能力差,造价高,效率或多或少降低 • 薄膜电池：克服了上述缺点，重量轻,厚度 薄.可弯曲,易携带,克服了上述缺点,但并没 有传统硅晶电池转化效率高.
铜铟镓硒（CIGS）具有薄膜光伏的所有优点，性能 稳定、抗辐射能力强，光电转换效率目前是各种薄 膜太阳电池之首，接近于目前市场主流产品晶体硅 太阳电池转换效率，成本却是其1/3。被国际上称为 下一代的廉价太阳电池
工艺步骤1-衬底选择和清洗
• 衬底选择
平整；低杂质浓度；导热系数稍大于CIG。 一般采用soda lime玻璃。
• 清洗
丙酮超声后去离子水清洗。 乙醇超声后去离子水清洗。 去离子水超声，高压氮气吹干。
工艺步骤2 Mo电极的制备和表征
• 方法：DC磁控溅射 • 表征（ SEM ）：表面有明显柱状和鱼鳞状 结构，提高了接触面积；厚度1um。
3 转换效率高
根据美国国家再生能源实验室(National Renewable Energy Labs;NREL)所公布，目前 太阳能电池转换效率最高可达20.2%，而业界 最高纪录可达17%，普遍标准为12%。
4 成产成本低
CIGS太阳能电池主要成本为玻璃基板与Cu （铜）、In（铟）、Ga（镓）、Se（硒）四种 元素构成的原材料，其中玻璃只需采用一般建 材所使用的钠玻璃，不需要使用太阳能专用超 白玻璃或者薄膜导电玻璃。四种金属元素不是 贵重金属，而且每片电池板的CIGS吸收层所需 膜层厚度不超过3μm（微米），原材料需求量 不高，每片成本十分具有竞争力。
我们先来看另外一种物质，CuInSe2具有较大的化学组 成区间,这意味着即使偏离定比组成1:1:2，该材料依然具 有黄铜矿结构以及相似的物理和化学性质-再者CuInSe2 甚至可以直接由其化学组成的调变得到,P型(Cu比例大) 或N型"’(In比例大)而不必借助外加杂质以上两者使得 CuInSe2具有非常优良的抗干扰,耐辐射能力0因而没有光辐射引致性能衰退效应,使用寿命长。
•国内外工业制法的发展现状
国外：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。 国内：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。
内容大纲
• • • • • • 铜铟镓硒太阳能电池板的制作方法 实验室制法简介及研究现状 工业制法简介及研究现状 发展铜铟镓硒太阳能电池遇到的阻碍 CIGS电池结构改进的探索 我国CIGS太阳能电池的发展前景
铜铟镓硒太阳能电池板的制作方法
• • • • • 1 2 3 4 5 蒸镀法（多用于实验室制法） 磁控溅射法（多用于工业制法） 分子束外延法 喷涂热解法 电沉积方法
优点
2 发电稳定性高
由于晶硅电池本质上有光致衰减的特性，经过 阳光的长时间暴晒，其发电效能会逐渐减退， 而CIGS太阳能电池则没有光致衰减特性，发 电稳定性高。晶硅太阳能电池经过较长一段时 间发电后，或多或少存在热斑现象，导致发电 量小，增加维护费用，而CIGS太阳能电池能 采用内部连接结构、可避免此现象的发生，较 晶硅太阳能电池比所需的维护费用低。
•Mo电极的制备
• 磁控溅射制备金属预制 层：
少量氩气辉光放电产生 Ar+。 Ar+电磁场加速作用下， 高速飞向金属靶材，轰 击靶材表面，溅射Cu、 In、Ga离子。 溅射出的粒子沉积在基 片（玻璃+Mo）表面。
工艺步骤3-制备CuIn0.7Ga0.3薄膜
• 三靶磁控溅射 系统共溅：
靶材： Cu9In11 Cu10Ga10 工作气压： 0.8Pa
CIGS就是在CuInSe2基础上掺杂Ca元素使Ca元素 部分取代同族的In原子,通过调节Ca/(In+Ga)可以改 变CIGS的带隙，调节范围为1.04到1.72。其结构仍 然是黄铜矿结构和具有CuInSe2所具有的性能上的 优点
历史
最早对ＣＩGＳ的基础性研究是在六十年代到八十年代, １９７４年，Ｗａｇｎｅｒ等人制备出了第一块ＣＩ Ｓ高效电池， １９８１年。Ｒ．Ａ．Ｍｉｃｌｃｅｌ ｓｅｎ等科学家用多源共蒸发的方法制备出了效率 为 ９．４％的多晶ＣｕｌｎＳｅ２薄膜太阳电池，８０ 年代中期，ＡＲＣＯ太阳公司首次利用溅射金属预制 层硒化法制备 出了适合商业开发的太阳电池。
与国内外设备厂商分别开发设备与工艺，整体组合集成创新是快速发展的有 效模式。
发展铜铟镓硒太阳能电池遇到的阻碍 • 实验室研究所遇到的阻碍
薄膜中第二相的存在是影响CIS光电性能的主要 原因 。在CIS材料的制备中常出现如CuXSe等第 二相。当第二相存在于晶粒间时，将有效阻止载 流子在晶粒间的运动，减小载流子的效率。 电池串联电阻是太阳电池功率损耗的一个重要因 素 。通过理论计算分析，结果表明电池窗口层横 向电阻、本征层i-ZnO电阻和基区体电阻是电池串 联电阻的主要来源，分别占电池总的串联电阻的 45．7％、26．6％、21．3％．
• 三步法治铜铟镓硒吸收层优点：
得到表面更加光滑的CIGS薄膜，可以降低CIGS 层与缓冲层的界面态密度，减少了器件的暗电流。 三步法中的富铜过程有利于结晶质量的改善和晶 粒尺寸的增加。（利用液相Cu2-xSe的作用，使 CIGS晶粒重结晶，以形成CIGS大晶粒。） 减少其在Mo背接触的复合，提高了开路电压 。 薄膜前部Ga的梯度变化有利于提高器件在长波波 段区域的量子效率，提高了短路电流。
铜铟 镓硒
薄膜 太阳 能电 池
薄膜太阳能电池目前主要分为非晶硅薄膜太 阳能电池、碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池、 铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池三类。
仅在数年以前，薄膜光伏 技术在光伏产业 中还只能用“微不足道”来形容，但在今 天，其生产份额不断扩张。
2005-2010年薄膜太阳能电池
薄膜电池与传统硅晶电池的比较
我国CIGS太阳能电池的发展前景
• 资源上：在CIGS太阳能电池的所有膜系结构中，涉及Mo、ZnO、AI、 ZnS、MgO以及Cu、In、Ga、Se等材料。除了In以外，都不是稀缺 材料。我国In的产量和已探明的储量占世界的六分之一，说明在我国 发展CIGS太阳能技术在资源上具有优势和可行的。 • 成本：根据日本NEDO太阳光发电技术研究组合战略企划委员会的预 测，到2010年CIGS太阳能电池板的价格可以达到75日元／W(相当于 5RMB／W)。根据CIGS太阳能电池的长寿命特点(有人预测100年)， 若以30年寿命计算，并保守地考虑电池板(组件)的光电转化率为13％， 其成本为人民币0.25元／度，此价格可以与普通民用电价格相当。说 明发展CIGS技术在成本上是具有较强的市场竞争力。 • 技术上：我国要发展CIGS薄膜太阳电池技术产业，应以自主创新为主题，
实验室制法简介
• 制法名称：共蒸发法 • 利用共蒸发法的原因：产生薄膜效率最高、设备要求最高 • 步骤：第一步：共蒸发In，Ga和Se沉积在Mo覆盖的玻璃 衬底上，衬底温度250—400℃，形成InGa-Se层。 第二步：共蒸发Cu和Se沉积在In-Ga-Se层上，衬 底温度升高至大于540℃，形成富Cu的 CIGS层。 第三步：就是少量的In，Ga，Se沉积以形成 少量贫铜的CIGS薄膜，衬底温度同第二 步
• 工业量化生产面对的阻碍 原材料In的稀缺性。 缓冲层CdS具有潜在的毒性。无Cd缓冲层 的工艺是目前研发的重点。 制程复杂，投资成本高。
CIGS电池结构改进的探索
• 更换太阳能电池的衬 底 • 采用双面照射。
为了改善背面照射时电池的效 率，可以通过降低吸收层CIGS 的厚度，使得吸收层产生的光 生载流予能够到达异质结的耗 尽区，从而被电场分离，提高 短路电流，从而提高电池的转 换效率。
缺点
1.制程复杂，投资成本高 2.关键原料的供应不足 3.缓冲层CdS具有潜在的毒性。