CIGS薄膜太阳能电池(光伏).ppt
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1、CIGS(铜铟镓硒)薄膜太阳能电池CIGS thin films and solar cells,上海大学2011级研究生,目 录,各类太阳能电池的发展现状CCIGS薄膜太阳能电池研究展望参考文献,太阳能电池的发展现状,太阳能的地位:随着原油储备的消耗,油价、电价的持续上升,以及石油燃料引起的气候问题,人们对可持续能源的需求变得十分迫切,利用太阳能来发电无疑是世界未来能源的理想选择。万物生长靠太阳。由于太阳能清洁安全、取之不竭,很多国家将目光投向了清洁的太阳能发电。国际能源署的报告显示,到2030年,全球电力需求将翻番。因此,采用太阳能等可再生能源发电无疑是有效的解决方法。太阳能电池的发展概况
2、 太阳能电池具有许多其他发电方式所不具备的优点:不消耗燃料,不受地域限制,规模可灵活组合,无污染、无噪音,安全可靠,维护简单,建设周期短,最具有大规模应用的可能性。,世界各国政府为大力发展太阳能产业,采取了各种政策和措施,以此促进本国太阳能装机量。2002-2008 年世界各国太阳能装机容量逐年递增,如图1 所示,据PHOTON 资料报导,2008 年全球太阳能电池生产企业排名,如表1 所示。德国Qcells 榜首位置依然稳固,其中最大变化是中、日企业的位置发生对调,以无锡尚德为代表的中国企业产能增长迅速,见下表1:表1 2008 年全球前10 名太阳能电池生产企业,太阳能电池的种类 太阳能电
3、池是通过光电效应或光化学效应直接把光能转化为电能的装置。目前太阳能电池主要有晶体硅型和薄膜型2 大类型。如图2 所示。,图2 太阳能电池的主要种类,晶体硅型 晶体硅太阳能电池可分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池,是目前国际上的主流产品,占世界太阳能电池市场80%。1.单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池在实验室的转换效率为25%,而工业生产的光电转换效率仅达15%,且单晶硅要求的晶体纯度达99.999 999%以上,生产成本高,难以推广应用。单晶硅太阳能电池转换效率达15%左右,其制造工艺已相当成熟由于单晶硅主要采用西门子法生产,从多晶硅中提炼出单晶,然后通过拉硅单晶棒、切割得到单晶硅圆片,
4、再经过刻蚀,最后生产成太阳能电池组件。可见,其生产过程耗能较高,生产成本也相当高,因此推广应用有一定难度,但目前仍占太阳能电池市场份额的主要地位。【1671-2730(2010)03-0182-05 太阳能电池现状及其发展前景 梁昌鑫,陈孝祺】2 多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池由于其生产成本和原料价格低廉,工业生产的光电转换效率达13%16%,因此其产业化发展较快,但还需解决低成本、低能耗和高效率的关键技术。多晶硅太阳能电池主要采用改良型西门子法的制造工艺。由于其省却了单晶硅的纯度要求,使制造成本大大降低,电池的转换效率达到16%,薄膜太阳能电池 由于薄膜电池采用廉价衬底,以低温制造技术沉
5、积半导体薄膜光伏器件,镀膜厚度可薄至2um,远低于晶体硅镀膜厚度80 300um;同时,其生产成本有较大降低,使能源回收期大大缩短。因此,各国相继开发了各种薄膜太阳能电池,主要产品有多晶硅薄膜电池、CdTe 薄膜电池、CIS 薄膜电池、染料敏化薄膜电池(DSSC)等。根据德国研究机构Photon Consulting 的报告显示,2008#2010 年间薄膜太阳能电池产量每年翻番,至2010 年产能将达到4180 MW/a。,硅薄膜太阳能电池,硅薄膜太阳能电池是1976 年由Calson 和Wronski 所发明,该种电池生产制造技术相当成熟,不仅可大量节省成本和能耗,而且产品面积有较大增加。
6、但是,该种电池转化效率相对较低,目前仅为12%14%,且光电效率随使用时间的增长而衰退,为此美国United Solar 公司、日本Kameka,uHI 等公司正继续研究,重点研究的是多结构、微晶硅ucsi、叠层型ucsi 的太阳能电池等。目前硅薄膜太阳能电池大多采用等离子增强化学气相沉积法(PECVD).化合物薄膜太阳能电池 化合物薄膜太阳能电池的光转换效率高,理论值可达28%,又易于薄膜化,因此,世界各国都开展了该种电池的研发。目前主要有碲化镉(CdTe)、铜铟硒(CIS,CIGS)太阳能电池等。,染料敏化太阳能电池,1991 年,瑞士Graetzel 教授等成功研制了染料敏化太阳能电池(
7、DSSC),当时的转换效率仅达8%。经多年研究,转换效率已提高到10%,但目前产品的转换效率仅为7%。由于其成本低、制造容易、设备简单,因此价格可低于0.5 美元/WP。目前美国K onarKa 和英国G24 Innovations 公司已开始生产这种太阳能电池。纵观太阳能电池的发展历史,其关键技术是提高光电转换效率,降低生产成本和能耗,才能加快太阳能电池的推广应用。我们相信随着世界各国在太阳能电池的不断研发成功和产业化,太阳能电池将会在新能源中占有重要的地位。,CIGS薄膜太阳能电池,据光伏信息报道,无锡尚德CEO施正荣认为,为了使太阳电池的价格能够不断下降,必须进行技术革新和装备改造,而技
8、术革新方面就是使用薄膜电池,既可节省成本,也可适用于更广泛的行业。如果薄膜电池的效率在15%以上,那么,未来的市场将以薄膜电池为主导。对光伏组件而言,薄膜电池的优势主要体现在:1.成本低,这是薄膜光伏技术的最大优势;2.一体化集成性,明显降低了工艺复杂性和生产成本;3.不依赖于硅材料;4.更适合在高温环境下工作;5.可制造成柔性电池,质量轻,运输方便,应用广泛。,图3是来自Deutsche Bank对各种薄膜光伏电池到2010年的市场状况,在薄 膜电池的市场中还将以硅基薄膜电池和CdTe电池为主流。,图3,各种薄膜光伏电池到2010年的市场状况,CIGS的晶体结构,CuInSe2黄铜矿晶格结构
9、,CuInSe2复式晶格:a=0.577,c=1.154直接带隙半导体,其光吸收系数高达105/cm量级通过掺入适量的Ga以替代部分In,形成CulnSe2和CuGaSe2的固熔晶体Ga的掺入会改变晶体的晶格常数,改变了原子之间的作用力,最终实现了材料禁带宽度的改变,在1.04一1.7eV范围内可以根据设计调整,以达到最高的转化效率,CIGS薄膜电池,CIGS薄膜制备的聚光太阳能电池转化率达到21.5%,是所有目前研制的薄膜太阳电池中最高的转换效率。Cu(In,Ga)Se2可通过改变In和Ga的比例调整来优化禁带宽度,可带隙调整是CIGS系相对于其他系列电池如CIS系、Si系和CdTe系等的最
10、大优势,所以对CIS系薄膜太阳电池的研究重点就转向CIGS薄膜太阳电池。1 CIGS薄膜太阳电池结构及特点 太阳电池的基本原理是光生伏特效应.单结CIGS薄膜太阳电池的基本结构由衬底、背电极层、吸收层、缓冲层、窗口层、减反层、电极层组成。典型的CIGS薄膜太阳电池的结构为:Glass/Mo/CIGS/ZnS/i-ZnO/ZAO/MgF2,如图4所示。,CIGS薄膜太阳能电池的结构,金属栅电极,减反射膜(MgF2),窗口层ZnO,过渡层CdS,光吸收层CIGS,金属背电极Mo,玻璃衬底,低阻AZO,高阻ZnO,金属栅电极,减反射膜(MgF2),金属栅电极,减反射膜(MgF2),金属栅电极,窗口层
11、ZnO,减反射膜(MgF2),金属栅电极,窗口层ZnO,减反射膜(MgF2),金属栅电极,过渡层CdS,窗口层ZnO,减反射膜(MgF2),金属栅电极,过渡层CdS,窗口层ZnO,减反射膜(MgF2),金属栅电极,光吸收层CIGS,过渡层CdS,窗口层ZnO,减反射膜(MgF2),金属栅电极,光吸收层CIGS,光吸收层CIGS,过渡层CdS,光吸收层CIGS,过渡层CdS,光吸收层CIGS,窗口层ZnO,过渡层CdS,光吸收层CIGS,金属栅电极,减反射膜(MgF2),金属栅电极,减反射膜(MgF2),金属栅电极,窗口层ZnO,减反射膜(MgF2),金属栅电极,金属栅电极,减反射膜(MgF2)
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