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薄膜太阳能电池电池铜铟镓硒薄膜太阳能电池展望

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铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池由于效率高、无衰退、抗辐射、寿命长、成本低廉等特点,是备受人们关注的一种新型光伏电池产品,经过近30年的研究和发展,其光电转化效率为所有已知薄膜太阳能电池中最高的,目前,美国国家可再生能源实验室在玻璃衬底上利用共蒸发三步工艺制备出最高效率达19.9%的电池。2009年全球CIGS薄膜太阳能电池产能超过660MW,实际产量达到180MW,年增幅超过300%,远高于行业内的增长速度,显示了极强的发展势头,近期,CIGS小面积电池效率又创造了新的记录,达到了20.1%,与主流产品多晶硅的效率相差无几,尽管如此,CIGS薄膜电池的研究并未终止,人们还在提高效率、降低成本、改进产业化技术的方向上探索前进。

CIGS薄膜电池对高效电池的最大贡献莫过于对吸收层CIGS材料的成膜机理、导电机制等基础物理问题的科学认识和器件结构中各层薄膜的合理组合。我国南开大学、内蒙古大学、云南师范大学、地质大学等单位于20世纪80年代中期开展了CIGS薄膜材料和太阳能电池的研究,但是由于技术条件等等原因,进展缓慢。直至2002年南开大学获得国家“863”能源技术领域的后续能源技术项目支持,才使得国内对于CIGS薄膜太阳能电池的研究达到一定国际水平。

现阶段CIGS薄膜太阳能电池产业化的真空制备方法主要有两种,即共蒸发法和溅射后硒化法,但该两种方法各有其难点,共蒸法的主要问题在于要在一个真空腔体内安装三个蒸发温度都超过1000℃的金属线性蒸发源,并且温度独立可控不受其他热源影响,尤其是铜元素,蒸发温度高达1300℃,而且蒸发时易溅散,极难控制。另蒸发时衬底处于加热500℃以上的环境下,而硒元素源蒸发温度只有200℃,要控制其不受高温影响具有极强的挑战性。而后硒化法的后硒化过程一般在高温非真空的条件下实现,其稳定性,可靠性和重复性一直是公认的难点,同时后硒化使用剧毒气体也是难以解决的问题。

虽然有着上述结构、材料和工艺的复杂性,CIGS光伏组件产业化和商业化的进程相对比较缓慢,但是电池优异的光电特性始终是各国科学家们不懈努力追求的目标,激励科学家们在光电材料和器件物理方面不断取得新的突破,使得CIGS光伏组件与其他薄膜电池同步发展、同步提高,这是CIGS薄膜电池产业化、商业化的基础前提。

目前,国际上CISG薄膜太阳能电池的产业化、商业化进行已经开始,如日本的ShowaShell公司的小组件(300×300mm)效率已经达到15.2%,只比小面积电池世界纪录地4.7个百分点,该公司2008年得产能就达到了80MW。我们可以预计,一个CIGS光伏产业的辉煌时代即将到来。

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