薄膜太陽能電池是緩解能源危機的新型光伏器件。薄膜太陽能電池可以使用在價格低廉的陶瓷、石墨、金屬片等不同材料當(dāng)基板來制造，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)μm，目前轉(zhuǎn)換效率最高可以達13%。薄膜電池太陽電池除了平面之外，也因為具有可撓性可以制作成非平面構(gòu)造其應(yīng)用范圍大，可與建筑物結(jié)合或是變成建筑體的一部份，應(yīng)用非常廣泛。

銅銦鎵硒薄膜太陽電池具有生產(chǎn)成本低、污染小、不衰退、弱光性能好等特點，光電轉(zhuǎn)換效率居各種薄膜太陽能電池之首，接近晶體硅太陽電池，而成本則是晶體硅電池的三分之一，被國際上稱為“下一時代非常有前途的新型薄膜太陽電池”。此外，該電池具有柔和、均勻的黑色外觀，是對外觀有較高要求場所的理想選擇，如大型建筑物的玻璃幕墻等，在現(xiàn)代化高層建筑等領(lǐng)域有很大市場。

銅銦鎵硒電站的建設(shè)已經(jīng)達到兆瓦級水平，據(jù)瑞士的SolarMax光伏并網(wǎng)逆變器公司提供的資料，2008年9月在西班牙建成了的3.24兆瓦銅銦鎵硒電站，并成功運行。這必將加快CIGS的商業(yè)應(yīng)用。

銅銦鎵硒薄膜太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

CIGS電池具有性能穩(wěn)定、抗輻射能力強，光電轉(zhuǎn)換效率目前是各種薄膜太陽電池之首，接近于目前市場主流產(chǎn)品晶體硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率，成本卻是其1/3。正是因為其性能優(yōu)異被國際上稱為下一代的廉價太陽電池，無論是在地面陽光發(fā)電還是在空間微小衛(wèi)星動力電源的應(yīng)用上具有廣闊的市場前景。

CIGS電池具有與多晶硅太陽能電池接近的效率，具有低成本和高穩(wěn)定性的優(yōu)勢，并且產(chǎn)業(yè)化瓶頸已經(jīng)突破，在晶體硅太陽能電池原材料短缺的不斷加劇和價格的不斷上漲背景下，很多公司投入巨資，CIGS產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。目前全球有30多家公司置身于CIGS產(chǎn)業(yè)，但真正進入市場開發(fā)的公司只有德國的Wuerth（伍爾特）、Surlfulcell，美國的GlobalSolarEnergy，日本的Honda（本田）、ShowaSolarShell。2006年、2007年世界CIGS電池組件產(chǎn)能分別為17.5MW、60.5MW，在世界光伏市場上占據(jù)的份額很小。

中國的CIGS產(chǎn)業(yè)遠遠落后于歐美和日本等國家和地區(qū)，南開大學(xué)以國家“十五”“863”計劃為依托，建設(shè)0.3MW中試線，現(xiàn)已制備出30cm&TImes;30cm效率為7%的集成組件樣品。2008年2月，山東孚日光伏科技有限公司宣布與德國的Johanna合作，獨家引進了中國首條CIGSSe（銅銦鎵硫硒化合物）商業(yè)化生產(chǎn)線。

當(dāng)前全球大環(huán)境景氣不佳，傳統(tǒng)硅晶太陽能電池廠正面臨售價跌破成本壓力，但薄膜太陽能電池具成本優(yōu)勢，逐步嶄露頭角。全球經(jīng)濟衰退意味著投資風(fēng)險的加大，而中外風(fēng)投卻在這時不懼風(fēng)險，集體逆市投資太陽能薄膜電池。薄膜電池已成為國內(nèi)光伏領(lǐng)域新的投資熱點。其中CIGS轉(zhuǎn)換效率足以媲美傳統(tǒng)太陽能電池，加上穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率都已相當(dāng)優(yōu)異，被視為是相當(dāng)具有潛力的薄膜太陽能電池種類。未來幾年，CIGS（銅銦鎵硒）薄膜太陽能電池的銷售將會加速增長，到2015年，CIGS將占薄膜太陽能電池市場的43.3%。

銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的現(xiàn)狀及未來

近幾年，世界各國加速發(fā)展各種可再生能源替代傳統(tǒng)的化石能源，以解決日益加劇的溫室效應(yīng)、環(huán)境污染和能源枯竭等全球危機。作為理想的清潔能源，太陽能永不枯竭，正成為當(dāng)今世界最具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)之一。目前，太陽能電池市場主要產(chǎn)品是單晶硅和多晶硅太陽能電池，占市場總額的80%以上。由于晶硅電池的高成本和生產(chǎn)過程的高污染，成本更低、生產(chǎn)過程更加環(huán)保的薄膜太陽能電池得到快速發(fā)展?，F(xiàn)階段，有市場前景的薄膜太陽能電池有3種，分別是非晶硅、碲化鎘（CdTe）和銅銦鎵硒（CuInGaSe2，一般簡稱CIGS）薄膜太陽能電池。作為直接帶隙化合物半導(dǎo)體，銅銦鎵硒吸收層吸收系數(shù)高達105cm-1，轉(zhuǎn)化效率是所有薄膜太陽能電池中最高的，已成為全球光伏領(lǐng)域研究熱點之一，即將成為新一代有競爭力的商業(yè)化薄膜太陽能電池。

1、銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的特性和競爭優(yōu)勢

太陽能電池的材料一般要求主要包括：半導(dǎo)體材料的禁帶寬度適中；光電轉(zhuǎn)化效率比較高；材料制備過程和電池使用過程中，不存在環(huán)境污染；材料適合規(guī)?；?、工業(yè)化生產(chǎn)，且性能穩(wěn)定。經(jīng)過數(shù)十年電子工業(yè)的研究發(fā)展，作為半導(dǎo)體材料硅的提煉、摻雜和加工等技術(shù)已經(jīng)非常成熟，所以，現(xiàn)在的商品太陽能電池主要硅基的。但是，硅是間接帶隙半導(dǎo)體材料，在保證電池一定轉(zhuǎn)化效率前提下，其吸收層厚度一般要求150～300微米以上，理論極限效率為29%，按目前技術(shù)路線，提升效率的難度已經(jīng)非常巨大。同時考慮到加工過程近40%的材料損耗，材料成本是硅太陽能電池的最主要構(gòu)成。

另外，其材料生產(chǎn)過程的高溫提煉、高溫擴散導(dǎo)致其制備過程能耗高，這使其能量償還周期長，整體成本高。盡管經(jīng)過近幾年的規(guī)?；l(fā)展，市場價格得到大幅下降，其每瓦成本仍高于2美元。如果再考慮到其制備過程的高污染，更增加了其環(huán)境治理社會成本，這些都嚴重制約了其競爭優(yōu)勢。相比較，薄膜太陽能電池具有較大的成本下降空間，同時它能夠以多種方式嵌入屋頂和墻壁，非常適合光電一體化建筑和大型并網(wǎng)電站項目。在這種情況下，薄膜太陽能電池引起了人們的重視，近幾年成了科技工作者的研究重點。從全球范圍來看，光伏產(chǎn)業(yè)近期仍將以高效晶體硅電池為主。但向薄膜太陽能電池和各種新型太陽能電池等低成本、低能耗、低污染的方向過渡已經(jīng)成為光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。目前，國際主要光伏企業(yè)已經(jīng)放緩了對晶體硅太陽能電池產(chǎn)能的擴張，我國已經(jīng)出臺相應(yīng)政策，抑制晶硅行業(yè)的盲目擴張。

技術(shù)比較成熟，且有發(fā)展?jié)摿Φ谋∧ぬ柲茈姵赜?種，分別是非晶硅（a-Si）、碲化鎘（CdTe）、銅銦硒（CuInSe2，一般簡稱CIS）/銅銦鎵硒（CuInGaSe2，一般簡稱CIGS）。經(jīng)過幾年的快速發(fā)展，單結(jié)非晶硅薄膜電池的效率達到7%左右，但是，其光致衰減現(xiàn)象還一直沒能解決，相同功率條件下，需要更大的安裝面積和成本。在此情況下，近年發(fā)展的微晶硅多結(jié)電池效率已經(jīng)達到了10%，同時也部分克服了其衰減問題，所以，其必將在未來太陽能市場占有重要地位。CdTe薄膜電池的實驗室效率可以達到16%，組件效率達到10%，缺點是Cd是重金屬元素，會對環(huán)境和人體帶來危害。但是，它的制備工藝簡單，成本很低，可以滿足一定區(qū)域的實際利用，也會在未來光伏市場占有一定的份額。

銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池具有多層膜結(jié)構(gòu)（圖1），包括金屬柵狀電極、減反射膜、窗口層（ZnO）、過渡層（CdS）、光吸收層（CIGS）、金屬背電極（Mo）、玻璃襯底等。其中，吸收層CIGS是（化學(xué)式CuInGaSe2）由四種元素組成的具有黃銅礦結(jié)構(gòu)的化合物半導(dǎo)體，是薄膜電池的關(guān)鍵材料。

相比較其它太陽能電池，CIGS競爭優(yōu)勢有以下6點：

①通過摻入適量Ga替代部分同族的In，通過調(diào)節(jié)Ga/（Ga+In）可以調(diào)節(jié)CIGS的禁帶能隙，調(diào)整范圍為1.04～1.68eV，這是一個非常寬的范圍，非常適合制備最佳帶隙的半導(dǎo)體化合物材料，這是CIGS材料相對于硅系光伏材料的最特殊優(yōu)勢；

②CIGS材料的吸收系數(shù)高，達到105cm-1，同時還具有較大范圍的太陽光譜的響應(yīng)特性；

③利用CdS作為緩沖層（具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)），和具有黃銅礦結(jié)構(gòu)CIGS吸收層可以形成良好的晶格匹配，失配率不到2%；

④在光電轉(zhuǎn)化過程中，作為直接能隙半導(dǎo)體材料，CIGS的厚度可以很?。s2μm），當(dāng)有載流子注入時，會產(chǎn)生輻射復(fù)合過程，輻射過程產(chǎn)生的光子可以被再次吸收，即所謂的光子再循環(huán)效應(yīng)；

⑤CIGS系半導(dǎo)體可直接由其化學(xué)組成的調(diào)節(jié)得到p型或N型不同的導(dǎo)電形式，不必借助外加雜質(zhì)，不會產(chǎn)生Si系太陽電池很難克服的光致衰退效應(yīng)，使用壽命可以長達30年以上；

⑥CIGS薄膜的制備過程具有一定的環(huán)境寬容性，使得CIGS太陽電池在選擇襯底時，具有較大的選擇空間。綜合比較分析，銅銦鎵硒薄膜CIGS太陽能電池具有轉(zhuǎn)換效率高（居各種薄膜太陽能電池之首）、材料來源廣泛、生產(chǎn)成本低、污染小、無光衰、弱光性能好的顯著特點，已成為各國爭相研究的重點領(lǐng)域。

2、CIGS電池的發(fā)展現(xiàn)狀

CIGS國外發(fā)展現(xiàn)狀

1976年，美國首次研究成功CIS薄膜太陽電池，轉(zhuǎn)換效率達到6.6%。時隔6年之后，波音公司通過3元（Cu、In、Se）蒸發(fā)方法，制造出了效率超過10%的薄膜電池。1983年，ArcoSolar公司提出新的制備方法硒化法，該項技術(shù)具有簡單、廉價的特點，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為制作CIS電池最重要的技術(shù)。80年代后期，德國開發(fā)出了轉(zhuǎn)換效率為11.1%的CIS電池，這是轉(zhuǎn)換效率首次超過10%。其穩(wěn)定性好、耐空間輻射的優(yōu)良特性也逐漸得到行業(yè)的重視。90年代初，瑞典報道了效率為17.6%，面積0.4cm2的CIS太陽電池，這是當(dāng)時的世界記錄。日本從1994年啟動CIGS產(chǎn)業(yè)化項目，研發(fā)投入高達200億日元（相當(dāng)于14億元人民幣）。到90年代末期，美國可再生能源實驗室（NREL）將轉(zhuǎn)化效率提高到了18.8%，同時開始生產(chǎn)發(fā)電用CIGS太陽能電池組件（40W），組件效率達到當(dāng)時最高的12.1%。

到2001年，德國風(fēng)險投資企業(yè)WurthSolar開始在歐洲銷售60cm&TImes;120cm的CIGS太陽能電池組件，它是制備在鈉玻璃基片上的。2000年，美國可再生能源研究所制備出亞微米級（0.74μm）CIGS太陽能電池，效率達12%～13%，更加顯示出了銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽電池的性價優(yōu)勢及廣闊的市場前景。2003年，日本昭和殼牌石油公司開發(fā)的3459cm2組件轉(zhuǎn)換效率達到了13.4%。在2007年，美國可再生能源實驗室，用三步共蒸發(fā)法制備的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池，轉(zhuǎn)化效率達到了19.9%，這是單結(jié)薄膜太陽能電池的世界記錄。

現(xiàn)在CIGS薄膜太陽能電池組件面積已經(jīng)可以達到0.5平方米以上，主要有600mm&TImes;900mm和600mm&TImes;1200mm等規(guī)格。主要由各公司不同設(shè)備條件決定。其組件生產(chǎn)工藝流程如圖（2）所示：

現(xiàn)在CIGS組件處于產(chǎn)業(yè)化初級階段，主要是美國、德國和日本等發(fā)達國家公司。其工藝各具特色，主要采用的都是真空濺射技術(shù)，區(qū)別主要是制備CIGS吸收層的部分工藝差別。表3給出了主要公司生產(chǎn)工藝比較?？梢钥闯觯钪髁餍问绞菫R射金屬預(yù)制層后硒化工藝。該工藝對濺射設(shè)備防腐要求低，維護簡單，生產(chǎn)過程更容易控制。也有采用四元化合物靶直接濺射CIGS的研究，由于設(shè)備防腐要求高，吸收層存在缺陷，濺射后仍需要熱退火處理，這種方法現(xiàn)階段沒有表現(xiàn)出產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢。

在CIGS組件產(chǎn)業(yè)方面，從表43可以看出世界主要CIGS廠家技術(shù)現(xiàn)狀?？梢钥闯?，蒸發(fā)和濺射后硒化是兩種最廣泛采用，最有實際應(yīng)用前景的方法。尤其是預(yù)制膜硒化技術(shù)，更有優(yōu)勢，可以滿足大面積生產(chǎn)，同時又能保證產(chǎn)品效率的最有效方法。

CIGS國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

自“六五”以來，我國政府一直把研究開發(fā)太陽能作為可再生能源技術(shù)的重要組成部分而列入國家科技攻關(guān)計劃，大大推動了我國太陽能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但與世界發(fā)達國家相比，我國在這一領(lǐng)域研究與應(yīng)用力度和規(guī)模還比較落后。在2002年以前，我國（不含臺灣、港澳）所有的太陽電池年產(chǎn)量不足5MWp，主要市場還局限在通訊領(lǐng)域，管道防腐保護和偏遠鄉(xiāng)村供電等。2002年之后，在“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計劃”、“金太陽示范工程”等一系列政策的激勵下，我國的光伏產(chǎn)業(yè)成為快速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一。2008年，我國光伏產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值已超千億元。其中，光伏組件的產(chǎn)能約為2000MWp，首次超過德國，位居世界第一，產(chǎn)品95%以上出口海外。到2009年底，我國光伏發(fā)電累計裝機量約300MW，比2008年增長114%。

經(jīng)過近20年的努力，我國在光伏發(fā)電技術(shù)的研究方面，開發(fā)儲備了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，先后在實驗室制備出了晶硅高效電池，多晶硅電池，非晶硅電池，以及CdTe和CIGS等等。國內(nèi)最早開展CIGS研究的是南開大學(xué)，先后承擔(dān)了國家“十五”“863”等重點課題。在“銅銦硒太陽能薄膜電池實驗平臺與中試線”和天津市的支持下，南開大學(xué)光電子薄膜器件與技術(shù)研究所的研究取得了關(guān)鍵性突破，其采用共蒸發(fā)法制備的CIS薄膜電池效率在2003年達到了12.1%。2008年12月，位于天津濱海新區(qū)的“國家863銅銦硒薄膜太陽電池中試基地”研制出29×36cm2的CIGS太陽電池組件，轉(zhuǎn)換效率達到7%。最近幾年，國內(nèi)也有一些單位，如清華大學(xué)、北京大學(xué)、華東師范大學(xué)等，也在開展CIS、CIGS薄膜太陽能電池制備工藝方面的研究工作，但是整體水平與國外的差距是非常大的。

3、CIGS薄膜太陽能電池應(yīng)用展望

CIGS薄膜太陽能電池的底電極Mo和上電極n-ZnO一般采用磁控濺射的方法，工藝路線比較成熟。最關(guān)鍵的吸收層的制備必須克服許多技術(shù)難關(guān)，目前主要方法包括：共蒸發(fā)法、濺射后硒化法、電化學(xué)沉積法、噴涂熱解法和絲網(wǎng)印刷法等?，F(xiàn)在研究最廣泛、制備出電池效率比較高的是共蒸發(fā)和濺射后硒化法，被產(chǎn)業(yè)界廣泛采用。

本征缺陷、雜質(zhì)、錯配等均可影響CIGS材料的性能。制備性能優(yōu)良的CIGS太陽能電池，要盡量提高電池器件短路電流、開路電壓、包括填充因子等。由于CIGS吸收層優(yōu)異的光電特性，其短路電流一般可達30～40mA/cm2，決定短路電流的另一個主要因素就是電池器件的串聯(lián)電阻，主要由上下電極的體電阻，各層接觸電阻構(gòu)成。制備器件工藝中，主要需要優(yōu)化Mo電極、低阻ZnO的制備工藝，包括各層之間的匹配。

作為異質(zhì)結(jié)薄膜太陽能電池，控制其結(jié)特性將是制備高效電池核心。制備性能優(yōu)良CIGS薄膜太陽能電池的關(guān)鍵是提高器件的開路電壓。主要是盡可能減少器件的短路現(xiàn)象（漏電）。關(guān)鍵是要提高器件的并聯(lián)電阻。影響并聯(lián)電阻的主要因素有：電池內(nèi)部缺陷、晶粒小、導(dǎo)致晶界過多、晶粒排列不緊密、層間晶格不匹配、復(fù)合中心多、電池周界的漏電流等。在制備器件中，主要是控制CIGS吸收層化學(xué)成分比，制備晶粒大、排列緊密、表面平整的吸收層；優(yōu)化過渡層CdS、緩沖層高阻ZnO的制備工藝；避免雜質(zhì)、缺陷引起的復(fù)合等。

最近幾年，原子層沉積技術(shù)（ALD）快速發(fā)展，它是一種類似CVD的化學(xué)沉積制備薄膜的方法。主要優(yōu)點是制備的薄膜更加致密，缺陷更少，對襯底表面沒有任何要求。如果用這種方法制備CIGS薄膜太陽能電池的緩沖層ZnS，不僅可以實現(xiàn)電池的無鎘化，避免廢水處理等不利因素，還可以實現(xiàn)電池制備工藝的流水化。整個工藝過程可以實現(xiàn)全真空化，提高電池轉(zhuǎn)化效率，同時提高電池的生產(chǎn)效率。按照這一技術(shù)路線，電池組件的效率有希望達到15%到18%的水平。IBM公司的研究部門正在開發(fā)常溫下制造CIGS太陽能電池的工藝，光電轉(zhuǎn)換效率的目標也在15%以上。隨著技術(shù)的發(fā)展和研究的深入，CIGS電池的性能將會快速提高，即將成為未來薄膜太陽能組件的主流產(chǎn)品。