铜铟镓硒薄膜太阳电池技术分析

铜铟镓硒薄膜太阳电池（简称CIGS太阳电池）具有性能稳定、抗辐射能力强的特点，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多晶硅太阳电池的转换效率，成本是多晶硅太阳电池的1／3，是最有发展前景的薄膜太阳电池之一。20世纪80年代，美国波音公司开创了多元素金属共蒸发方法制备铜铟镓硒薄膜材料，使这类太阳电池光电转换效率最先突破10％，并将它放入太空进行考核验证，确立了该类电池开发应用的前景，1994年又取得CIGS太阳电池光电转换效率14.9％的世界纪录（小面积单体电池）。随后德国斯图加特大学、瑞典乌普萨拉大学、日本东京工业大学等高校研制的CIGS太阳电池，其转换效率也纷纷超过了17％。1999年，美国国家可再生能源实验室（NREL）将世界纪录提高到18.8％，2002年达到19.2％，2010年公布的数据已达到19.9％（面积为0.4cm²）。但是，小面积电池（1cm²左右）效率再高也不能作为产品应用于实际中去，研究人员从单纯追求高效率CIGS太阳电池的研究，转向研究大面积集成太阳电池组件（采用集成工艺技术将单体电池内部级联串接，构成高电压大面积太阳电池板）以及产业化技术。“溅射后硒化技术”比较容易实现均匀的大面积铜铟镓硒薄膜，可大大地提高吸收层制备的重复性。20世纪90年代，Shell Solar公司就已制备出3830cm²铜铟镓硒电池组件，效率达11.2％，1999年达到12.3％，被称为铜铟镓硒电池工业化最成熟的技术。2001年开发了薄膜材料快速升温热处理技术，使后硒化工艺由70min降到十几分钟，不但提高了生产效率，而且使100cm²面积电池组件的最高效率达到14.7％。2003年60cm×90cm面积组件的最高效率达到13.1％，输出功率为65W，基于三步共蒸发工艺制备的CIGS太阳电池的效率已达19.99％，是所有薄膜太阳电池中最高的。

在传统的CIGS太阳电池中，由于含有很少的重金属镉元素，使其不能成为真正的无污染“绿色”电池。选用无镉材料来替代缓冲层CdS薄膜是发展CIGS太阳电池的必然趋势。日本松下公司和Showa Shell Skiyu公司由Zn（O，S，OH）x材料替代硫化镉过渡层取得巨大成功，他们研制的无镉CIGS太阳电池转换效率达到18.6％，并用于中试线生产工艺，所制备的集成组件也都实现了无镉，目前所用的无镉缓冲层包括ZnS、ZnSe、（Zn，Mg）O、In（OH）3、In₂ S₃、In₂Se₃、In₂ZnSe₃、SnO₂、SnS₂等。由美国能源部国家光伏中心（NCPV）与日本新能源和工业技术开发机构（NEDO）合作研制的无镉CIGS太阳电池效率达到18.6％，面积为3456cm²的组件效率达到13.4％，二者均创造了无镉CIGS太阳电池效率的世界纪录，真正成为绿色高效薄膜太阳电池，被国际上称为下一代的廉价太阳电池，其无论是在地面阳光发电还是在空间微小卫星动力电源的应用上都具有广阔的市场前景，很多公司投入巨资置身于CIGS产业，有德国的Wuerth（伍尔特）、Surlfulcell，美国的Global Solar Energy，日本的Honda（本田）、Showa Solar Shell。电池组件商品进入市场的企业有德国的WürthSolar、Solibro，美国的GlobalSolar、Miasole，日本的Hond、ShowaShell等公司。我国台湾企业新能公司投资7000万欧元与德国Centrotherm公司合作开发30MW CIGS电池生产线，以溅射后硒法制备电池的面积为1.1m×1.4m；我国台湾铼德、绿阳光电等公司自主开发，均已制备出不同面积的玻璃衬底CIGS组件，正在进行量产化开发。2010年全球产能超过760MW，显示了良好的发展势头。

南开大学以国家“十五”、“863”计划为依托，建设0.3MW中试线，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公司合作，独家引进了我国首条CIGSSe（铜铟镓硫硒化合物）商业化生产线，2010年量产效率达10％。2010年日本厂商昭和壳牌石油（ShowaShell）投入超过9亿美元，建造CIGS太阳电池厂，产能为1GWp。(www.xing528.com)

CIGS太阳电池具有敏感的元素配比和复杂的多层结构。由于这种电池使用4种材料，因此要有准确的化学计量比，控制其晶相结构，控制成膜后的光学和电学特性，才能达到最好的光电效应，而要做到这一点很难，尤其是在大规模生产状态下很好地控制大面积产品的成分均匀性、重复性、稳定性和一致性，增强层间的附着力问题成为制约这种电池发展的关键所在。

另一个问题是，由于该种电池的原材料In和Ga都属于稀有金属材料，地球含量较低，这就导致在将来大规模生产后原材料的供应将成为一种隐忧。