硅基薄膜太阳能电池普及知识
CIGS薄膜太阳能电池解读
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 高阻ZnO
低阻AZO
CIGS薄膜太阳能电池的结构
结构原理
减反射膜：增加入射率 AZO： 低阻，高透，欧姆接触 i-ZnO：高阻，与CdS构成n区 CdS： 降低带隙的不连续性，缓 冲晶格不匹配问题 CIGS： 吸收区，弱p型，其空间电 荷区为主要工作区 Mo: CIS的晶格失配较小且热膨 胀系数与CIS比较接近
测试设备主要有：台阶仪，SEM，XRD, RAMAN、分度光透射仪、I-V 分析系统等
铜铟镓硒（CIGS）太阳电池制造工艺路 线
清洁—基膜—单元或多元磁控溅射—沉积—硒化—防护膜—随机检 测—印刷—切割—检测—组装—检测—包装。
CIGS薄膜太阳能电池的制备
• 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有许多不同的方法，这些沉积制备方法包括:蒸发 法、溅射后硒法、电化学沉积法、喷涂热解法和丝网印刷法
CIGS的性能不是Ga越多性能越好的，因为短路电流是随 着Ga的增加对长波的吸收减小而减小的。 当x=Ga/(Ga+In)<0.3时，随着的增加，Eg增加， Voc也增 加; x=0.3时带隙为1.2eV;当x>0.3时，随着x的增加，Eg减小， Voc也减小。 G.Hanna等也认为x=0.28时材料缺陷最少，电池性能最好。
CIGS薄膜太阳能电池介绍
二、铜铟硒（CIS）薄膜太阳能电池介绍 三、铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池介绍
一、第三代太阳能电池
硅基太阳能电池的工作原理
硅基太阳能电池的工作原理
硅基太阳能电池是目前应用最广泛的太阳能电池之一，其工作原理如下：
硅是一种半导体材料，其原子结构中有4个电子在外层能级上，可以与周围的原子形成共价键，形成晶体结构。
当光线照射到硅太阳能电池上时，能量会激发硅原子中的电子跃迁到更高的能级，使其脱离原子，形成自由电子和空穴。
P-N结是硅太阳能电池的关键部分。
P型硅材料中掺杂了少量的杂质，使其原子中存在多余的电子。
N型硅材料中掺杂了其他杂质，使其原子中电子较少。
当P-N结形成时，P型硅中的多余电子会向N型硅中扩散，形成负偏压区；而N 型硅中的电子会向P型硅中扩散，形成正偏压区。
在正偏压区，当光线照射到P-N结上时，会激发自由电子和空穴向P-N结运动，形成电流。
同时，P-N结的内部电场会阻碍自由电子和空穴的扩散，使其被迫朝着正负极移动，产生电势差和电压。
这样，太阳能光线被转化为了电能，从而实现了太阳能电池的工作。
总之，硅太阳能电池的工作原理是利用光的能量激发半导体中的电子和空穴，利用P-N结产生电势差和电流，将太阳能光线转化为电能。
薄膜太阳能电池和硅晶太阳能电池
薄膜太阳能电池和硅晶太阳能电池随着能源危机的日益严重以及对环境保护的需求，太阳能作为一种可再生能源被越来越广泛应用。
而太阳能电池作为太阳能利用的核心技术之一，也得到了持续的研发和改进。
薄膜太阳能电池和硅晶太阳能电池作为两种主要类型的太阳能电池，在市场上占据了主导地位。
本文将分别介绍这两种太阳能电池的原理、特点以及应用领域。
薄膜太阳能电池是一种使用薄膜材料制造的太阳能电池。
薄膜材料可以是非晶硅、铜铟镓硒等。
与硅晶太阳能电池相比，薄膜太阳能电池具有以下几个特点。
薄膜太阳能电池具有较高的柔性。
由于薄膜材料的特性，薄膜太阳能电池可以制成柔性的电池片，能够适应各种形状和曲面。
这为太阳能电池的应用提供了更大的灵活性，可以广泛应用于建筑物外墙、屋顶、车顶等不同的场景中。
薄膜太阳能电池具有较高的光电转换效率。
虽然薄膜太阳能电池的光电转换效率相对较低，但是由于其较高的透明度，可以在低光照条件下仍然具有较高的发电效率。
这使得薄膜太阳能电池在阴天或者室内光照较弱的环境下也能够有效发电。
薄膜太阳能电池具有较低的制造成本。
相对于硅晶太阳能电池来说，薄膜太阳能电池的制造过程更加简单，材料成本也相对较低。
这使得薄膜太阳能电池在大规模生产时具有一定的竞争优势，能够更好地满足市场需求。
薄膜太阳能电池主要应用于一些对电池柔性性能要求较高的场合，如建筑一体化太阳能系统、便携式电子设备以及一些特殊形状的电池应用等领域。
它的柔性和透明性使得它可以与建筑物的外观融为一体，同时也可以为便携设备提供绿色能源。
硅晶太阳能电池是一种使用硅晶片制造的太阳能电池。
与薄膜太阳能电池相比，硅晶太阳能电池具有以下几个特点。
硅晶太阳能电池具有较高的光电转换效率。
由于硅晶材料的特性，硅晶太阳能电池的光电转换效率相对较高，可以达到20%以上。
这使得硅晶太阳能电池在光照充足的环境下具有较高的发电效率，能够提供更多的电能。
硅晶太阳能电池具有较长的使用寿命。
硅晶太阳能电池的材料稳定性较高，能够在较长的时间内保持较高的发电效率。
硅基太阳能电池工作原理
硅基太阳能电池工作原理1. 什么是硅基太阳能电池？说到太阳能电池，大家可能会觉得这玩意儿有点高大上，其实不然！硅基太阳能电池就是把阳光转化为电能的神奇小装置，听起来是不是像魔法？其实，这里边有科学的奥秘在作祟，咱们一起来揭开它的神秘面纱吧。
简而言之，硅基太阳能电池的主要成分就是硅。
硅，作为一种常见的元素，它在地球上的存在量可是相当丰富的，基本上就像咱们身边的石头一样随处可见。
因此，制造成本低廉，简直是环保小卫士！2. 硅基太阳能电池的工作原理2.1 光伏效应那么，硅基太阳能电池究竟是如何工作的呢？首先要提到的就是“光伏效应”。
这玩意儿听起来可能有点复杂，但其实就是阳光照射到电池上，导致里面的电子活动起来了。
简单来说，就是阳光里的光子（别小看这些小家伙，它们可是能量的携带者哦）撞击到了硅原子，瞬间让一些电子“活蹦乱跳”了起来，释放出能量。
有点像咱们上学时，老师一说“起立”，学生们瞬间都变得精神焕发。
这些跃动的电子接着会开始“跑”，并在电池内部形成电流，最终被我们收集起来，转化为可以使用的电能。
是不是很神奇？想象一下，这就好比阳光为这些电子开了一个舞会，它们在舞池中尽情跳舞，而咱们正好在一旁收获电能的“门票”。
2.2 硅的特性再来聊聊硅本身。
硅是一种半导体材料，这意味着它的导电性介于导体和绝缘体之间。
用得好，简直就是个“变色龙”。
比如，在阳光强烈的时候，它可以很好的导电，而在阴天或是夜晚，它的导电性又会降低，省电又环保，真是一举两得。
就像咱们平时出门，太阳一晒，瞬间就能补充活力，夜晚躺在床上又能享受静谧的休息时间。
3. 硅基太阳能电池的组成部分3.1 电池结构那么，硅基太阳能电池到底长得啥样呢？简单来说，它一般由几个层组成。
最外面是保护层，起到防风雨、防灰尘的作用，确保它在各种环境下都能正常工作。
接下来是硅层，这是电池的“心脏”。
而在这层之下，还有一个透明的导电层，可以把产生的电流有效地导出。
就像一台精密的机器，各个零件缺一不可。
薄膜太阳能电池技术
薄膜太阳能电池技术
薄膜太阳能电池技术是一种太阳能电池的制造技术。
与传统的硅基太阳能电池相比，薄膜太阳能电池采用了更薄、更轻的材料来制造电池片。
薄膜太阳能电池技术具有以下特点：
1.轻薄柔性：薄膜太阳能电池使用的是薄膜材料，相对于硅基太阳能电池的玻璃基底，薄膜太阳能电池更轻薄，也更柔性，可以适应弯曲和复杂的表面形状。
2.成本低：薄膜太阳能电池制造过程相对简单，不需要高温和高真空条件，可以以较低的成本大规模生产。
3.高温稳定性：薄膜太阳能电池具有较好的高温稳定性，相对于硅基太阳能电池，在高温环境下性能衰减较小。
4.良好的低光强效果：薄膜太阳能电池对于低光强度环境有较好的适应能力，相对于硅基太阳能电池，在阴天或弱光条件下也能产生较高的电能输出。
薄膜太阳能电池技术目前有几种不同材料的薄膜电池，包括硅薄膜太阳能电池、铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池、半导体量子点薄膜太阳能电池等。
每种薄膜材料都有其独特的特性和应用领域。
薄膜太阳能电池技术在光伏发电领域得到广泛应用，并且不断进行研发和改进，以提高效率、降低成本，推动太阳能产业的发展。
cigs薄膜太阳能电池工作原理
cigs薄膜太阳能电池工作原理
薄膜太阳能电池是一种轻薄、灵活、高效的太阳能转换设备，其工作原理基于薄膜太
阳能电池产生的光电效应。
该电池由多个薄膜层叠构成，在光照条件下，太阳能会激发电
池中的光敏材料，产生光电子和空穴，然后被电场引导到电池两侧的电极上，形成电流。
1.光吸收：在薄膜太阳能电池中，光线通过厚度仅有几微米的薄膜层，直接被吸收并
转化为电能。
2.载流子的产生：当光线进入电池的吸收层时，吸收层内的半导体材料将能量吸收，
并通过光电效应将其转化为电子。
这些自由电子和空穴分别分布在半导体中，在光子的作
用下自由电子和空穴被产生并控制在不同区域内，形成载流子。
3.分离载流子：产生的自由电子和空穴在电池内部自由移动，由于电场的作用电子流
向电池的一个极端，空穴流向电池的另一个极端，这样就形成了电池两端的电势差。
同时，电池内部的能带与电子或空穴的运动方向相互作用，使其趋于分离，在太阳能的作用下形
成了电流。
4.电流输送：产生的电流在电池中沿导电材料传输，到达电池的输出端接受外负载。
总之，薄膜太阳能电池的工作原理可以归纳为光线的吸收，产生载流子，分离载流子，电流输送等过程。
相比于传统的硅基太阳能电池，薄膜太阳能电池具有更高的光电转化效率、更少的材料消耗以及更灵活的形态，这些优点使得薄膜太阳能电池在未来应用非常广泛。
硅太阳能电池的工作原理
硅太阳能电池的工作原理
一、光吸收
硅太阳能电池利用光吸收原理将太阳光转化为电能。
当太阳光照射到硅太阳能电池表面时，光线中的光子与硅材料的原子相互作用，将光能转化为电子-空穴对。
二、能带隙
硅的能带隙约为 1.1eV，这意味着硅只能吸收能量大于或等于1.1eV的光子。
太阳光中能量低于此阈值的光子无法被硅吸收，因此它们穿过太阳能电池，不被转换为电能。
三、光电效应
当高能光子撞击硅原子时，其能量足以使硅原子中的电子从价带跃迁至导带，形成自由电子（电子）和自由空穴（空穴）。
这一过程称为光电效应。
四、载流子收集
一旦在硅太阳能电池中产生电子和空穴，就会在内部电场的作用下被分别推向电池的负极和正极。
电子流过负极，而空穴流过正极。
这样，光生载流子在电池内部形成电流。
五、串联结构
硅太阳能电池通常以串联方式连接，以提高输出电压。
每个太阳能电池都产生一定的电压，串联连接将这些电压相加，以产生更高的总输出电压。
串联结构还可以增加电池组的电流容量，使其能够提供更大的电力输出。
总结：硅太阳能电池通过光吸收将太阳光转换为电能，利用能带隙选择性地吸收特定能量的光子，产生自由电子和空穴。
这些载流子在内部电场的作用下被收集并形成电流。
太阳能电池通过串联连接以提高输出电压和电流容量。
微晶硅薄膜太阳能电池课件
目前，微晶硅薄膜太阳能电池 的生产成本仍然较高，需要进 一步降低成本以扩大市场份额。
为了提高能源转换效率和降低 成本，需要不断进行技术创新 和研发。同时，还需要解决生 产过程中对环境的影响问题。
政府对可再生能源的支持和鼓 励政策对微晶硅薄膜太阳能电 池行业的发展至关重要。政策 的稳定和持续有利于行业的长 期发展。
光电转换原理及能量转化过程
光电转换原理
微晶硅薄膜太阳能电池利用光照射在半导体材料上，产生电子-空穴对，电子 和空穴在外电场的作用下分离，分别聚集在电池的两端，产生电压和电流。
能量转化过程
光能转化为电能的过程，通过光伏效应实现。
电池性能参数及影响因素
性能参数
主要包括短路电流、开路电压、填充因子、转换效率等。
薄膜表面处理
通过刻蚀、光刻等技术处理薄膜表面，提高微晶硅薄膜的光电性能。
封装保护
将微晶硅薄膜太阳能电池封装在保护壳内，以保护其不受环境影响，提高其稳定 性和耐久性。
04 微晶硅薄膜太阳 能电池的应用与 市场前景
应用领域及实例
01
02
03
04
建筑行业
将微晶硅薄膜太阳能电池集成 到建筑外墙、屋顶和窗户中， 为建筑物提供可再生能源。
制造工 艺
钙钛矿太阳能电池的制造工艺相对简单，但需要使用有毒物质，对 环境造成一定影响。而微晶硅薄膜太阳能电池的制造过程相对环保。
使用寿命
钙钛矿太阳能电池的使用寿命较短，需要进一步改进和完善，而微晶 硅薄膜太阳能电池的使用寿命较长。
06 研究进展及展望
新型微晶硅薄膜太阳能电池的研究进展
实验室成果
05 微晶硅薄膜太阳 能电池与其他太 阳能电池的比较
晶体硅太阳能电池的比较
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非晶/微晶硅薄膜电池优势
单色光源
‹#›
光电流/入射光子流 （％）
+ α-Si uc-Si
+
光强计标定 光强
Байду номын сангаас
-
-
A
短路电流 测量
非晶/微晶叠层结构能够吸收频率更广的太阳光谱，从而更好地利用太阳能，增 强光电转换效率
Gongchuang PV Confidential
全面的质量管理
产品关键参数 的全面监控 基于SPC的完整 的质量控制计 划 高效整合的工 艺、设备、生 产团队，快速 有效地排除产 线波动 提供高质量的 薄膜产品
‹#›
Gongchuang PV Confidential
Laser Pattern Schematic 激光划刻结构
‹#›
• Process Schematic 制程变化演示
+
TCO back contact
a-Si:H/uc-Si:H PIN/PIN（KAI）
TCO front contact
2050 ~ 10 Billion People
‹#›
R. E. Smalley (1985 Nobel Laureate for discovery of C60)
IEEE 31st Photovoltaic , Specialist Conference, January 4, 2005, Orlando, Florida. Gongchuang PV Confidential
中国
金属薄膜
铜铟系(CIS,CIGS)
山东孚日股份
染料薄膜和有机薄膜(TiO2)
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硅基薄膜太阳能电池的特点
• 优势:
– – – – 材料耗费少：硅基薄膜太阳电池的硅层厚度可达1μm左右，仅为晶硅电池的0.5% 能耗低：相比晶片型电池产业链的高能耗，硅基薄膜电池产业链耗能少； 无毒，无污染 更多的发电量：同样的入射角度和环境条件下，相同额定功率硅基薄膜电池要比 晶片型电池高出15%的发电量；
稳定电性能数据的获取
初始电性能 （Initial State） 光致衰减过程 稳定电性能 （Stabilized State）
‹#›
• 模组的标签电性能为预测的光老化1000h小时后的稳定电 性能（ IEC标准规定的条件为：1000W/m2 @50C 光谱条件
至少满足AM1.5G的Class-C）
‹#›
US
硅薄膜 非晶,非晶/微晶(a-Si,a-Si/c-Si)
LG, 周星(~9.6%) 韩国 正泰(~9.0%),天威(6`7%),新奥 (8~8.5%),金太阳(~8%%),尚德(6`7%), 百世德(8~8.5%) 共创（～10%）中国
碲镉系(CdTe)
First Solar， US
JST German
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‹#›
（基板尺寸）
薄膜太阳能电池世代划分
‹#›
（结构与材料）
设备：EPV, Oerlikon, AMAT,ULVAC,JUSUNG, 宏威, 铂阳 生产：天威、创益、津能、 新能、富阳光电、MBI、 联相
设备： EPV 生产：创益、津能、 强生、拓日、普乐、 泉州金太阳
‹#›
Gongchuang PV Confidential
稳定数据的获取方法
• 组件的标签效率为预测的光老化1000h小时后的稳定效率
‹#›
（ IEC标准规定的条件为：1000W/m2 @50C 光谱条件至少 满足AM1.5G的Class-C） 功率为短期稳定功率，判定通过条件为 48KWh/m2剂量的 光照前后Pmax变化小于2％，其他条件同前）
P3 P2 P1
Substrate
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‹#›
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模组局部结构解析图
‹#›
•
模组从受光面以此向内结构为：前板玻璃（基板）Front Glass, 透明导电前电极(正极) TCO front electrode, 非晶硅薄膜 a-Si p-i-n, 微晶硅薄膜 uc-Si p-i-n, 透明导电背电极(正极) TCO front electrode, 白色封装胶膜（反光层）White Foil (back reflector), 背板玻璃 Back Glass。（注：BIPV一般需要通过Laser激光调整模组透光率，封装胶膜由白色改成透明）
• • • 采用多叠层结构，扩展吸收光谱范围； 增加对入射光的陷光能力，提升光利用率； 改善各层材料间界面性能，减少对载流子的阻碍，提高光吸收率
– 新产品、新材料、新工艺的开发，适应市场需求；
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非晶硅的光致衰减(Staebler-Wronski效应)
晶圆型
复合类
有机与 纳米类
薄膜型
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单晶硅、多晶/微晶硅、非晶硅
单晶硅
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多晶硅/微晶硅
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薄膜太阳能电池世代划分
• 按照玻璃基板尺寸(mm)划分：
– 1代线 320*400 – 2代线 370*470 – 3代线 550*650 – 4代线 680*880 – 4.5代线 730*920 – 5代线 1100*1300 (Oerlikon, JUSUNG, ……) – 5.5代线 1100*1400 (ULVAC, 宏威，……) – 6代线 1500*1850 – 7代线 1950*2250 – 8代线 2200*2500 – 8.5代线 2200*2600 (AMAT, ……) – 10代线 2880*3130 – 11代线 3000*3320
1.2 太阳能电池的应用
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不同形态的薄膜电池（柔性）
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不同形态的薄膜电池（刚性）
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1.2 薄膜太阳电池产业概况
United Solar(~8%) ,EPV(5~6%) Leybold Optics(~9.5%) German Kaneka, Sharp ( 8~10%) Japan
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产品工艺流程简介
基板玻璃上料 基板玻璃清洗 基板缺陷的光 学自动化检视 TCO透明导电 前电极沉积 （LPCVD镀 膜） 非晶硅顶电池 沉积 （PECVD镀 膜） 第一道激光划 刻
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TCO透明导电 背电极沉积 （LPCVD镀 膜）
第二道激光划 刻
微晶硅底电池 沉积 （PECVD镀 膜）
高质量清洗
第三道激光划 刻
激光清边
自动引线
边缘密封胶布 置
前后板及胶膜 铺叠
太阳模拟测试
高电压测试
接线盒安装
割边
层压封装
接线盒灌封及 盒盖安装
铭牌和标签打 印
模组下料
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非晶/微晶硅薄膜电池结构
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Gongchuang PV Confidential
开发太阳能 的意义
1. 2. 3. 4. 5. 6.
7. 8. 9. 10. Humanity’s Top Ten Problems for next 50 years (人类下一个五十年最重要的十个问题) ENERGY (能源) WATER (水) FOOD (食物) ENVIRONMENT (环境) POVERTY (贫困) TERRORISM & WAR (恐怖主义和战争) DISEASE (疾病) EDUCATION(教育) DEMOCRACY (民主) POPULATION (人口) 2004 6.5 Billion People
1.1 太阳能电池的分类
• 太阳能电池按照不同的 材料和技术流派分为如 右所示类别：
单晶硅电池与模组 硅基薄膜电池与模组 多晶硅电池与模组
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太阳能电池种类
晶圆型 硅半导 体类 单晶硅 多晶硅 非晶硅 薄膜型 微晶硅 多结叠层型 砷化镓 (GaAs)
发展方向
降低制造和材料成本 简化制程，降低制程成本 和提高电池稳定性
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300
！！！需求状况（缺口）
200
非化石能源
100
煤
石油
天然气
焦油与页岩
0
John F. Bookout (President of Shell USA) ,“Two Centuries of Fossil Fuel Energy” International Geological Congress, Washington DC; July 10,1985. Gongchuang PV Confidential
设备： EPV , 铂阳 生产：泉州金太阳、 Unit-solar、汉能
设备：EPV, Oerlikon, AMAT,ULVAC,JUSUN G, 宏威, 生产： Kanaka、 Sharp、正泰、天威、 百世德、新奥、共创
R&D 生产成本高，处于研发 阶段
Gongchuang PV Confidential
化合物 半导体 类
磷化铟 (InP) 铜铟硒/铜铟镓 降低材料使用成本，改善 硒 制程技术 (CIS/CIGS) 薄膜型 碲化镉 (CdTe) 硫化镉 (CdS) 薄膜-晶圆型 a-Si+c-Si 薄膜-薄膜型 a-Si+CIS 降低制程和材料使用成本 a-SiGe 染料敏化 提高效率、热稳定性和抗 (DSSC) 有机导电高分 紫外能力 子