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(2)所示:
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3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。
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。
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%。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。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。

















