CIGS太阳能电池的发展历史.
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
CIGS薄膜太阳能电池简要介绍和发展现状
汇报人：XX
目 录
• CIGS薄膜太阳能电池概述 • CIGS薄膜太阳能电池发展历程 • CIGS薄膜太阳能电池制备技术 • CIGS薄膜太阳能电池性能评价 • CIGS薄膜太阳能电池应用领域拓展 • CIGS薄膜太阳能电池产业发展现状及挑战 • 总结与展望
01
CIGS薄膜太阳能电池概述
定义与基本原理
CIGS薄膜太阳能电池定义
CIGS是铜铟镓硒（CuInGaSe2）的缩写，是一种基于多元化合物半导体的薄 膜太阳能电池。
工作原理
CIGS薄膜太阳能电池利用光电效应，将光能转换为电能。当太阳光照射到电池 表面时，光子被吸收并激发出电子-空穴对，在内建电场作用下分离并收集到电 极上，从而产生电流。
优点
工艺简单，成本低，适用于大面积生产。
缺点
薄膜质量受喷涂工艺和热处理条件等因素影响， 难以控制。
不同制备方法比较
真空蒸发法与电化学沉积法比较
真空蒸发法制备的薄膜质量较高，但设备成本高；电化学沉积法设备简单，成本 低，但沉积速率较慢。
喷涂热解法与前两者比较
喷涂热解法工艺简单，成本低，适用于大面积生产，但薄膜质量相对较难控制。 在实际应用中，可根据具体需求和条件选择合适的制备方法。
器件结构
初步构建CIGS薄膜太阳能电池的 器件结构，研究各层之间的相互 影响。
实验室规模制备
在实验室规模下，制备出小面积 的CIGS薄膜太阳能电池，并对其 性能进行评估。
技术突破与产业化进程
01
02
03
大面积制备技术
突破大面积均匀制备CIGS 薄膜的技术难题，为产业 化奠定基础。
转换效率提升
通过优化材料组成、改进 制备工艺等方式，不断提 高CIGS薄膜太阳能电池的 转换效率。
CIGS薄膜太阳能电池
二、铜铟硒（CIS）薄膜太阳能电池(diànchí)介绍 三、铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池(diànchí)介绍
精品文档
一、第三代太阳能电池(diànchí) 学术界和产业界普遍认为太阳能电池(diànchí)的发展已经进入了
第三代。第一代为单晶硅太阳能电池(diànchí)，第二代为多晶硅、非晶 硅等太阳能电池(diànchí)，第三代太阳能电池(diànchí)就是铜铟镓硒 CIGS(CIS中掺入Ga)等化合物薄膜太阳能电池(diànchí)及薄膜Si系太阳能 电池(diànchí)。
铜铟镓硒薄膜太阳能电池(diànchí)是多元化合物薄膜电池 (diànchí)的重要一员，由于其优越的综合性能，已成为全球光伏领域研 究热点之一。
按
硅基太阳能电池 主要:GaAs CdS CIGS
制
备
多元化合物薄膜
材
太阳能电池
料 的
有机聚合物太阳
目前,综合性能最好 的薄膜太阳能电池
不
能电池
同
纳米晶太阳能电池
• 大规模地成本发电站
• 1996年美国APS公司在美国加州建了一个400千瓦的 非晶硅电站,引起光伏产业振动。
• Mass公司(欧洲第三大太阳能系统(xìtǒng)公司)去 年从中国进口约5MWp的非晶硅太阳能电池。
• 日本CANECA公司年产25MWp的非晶硅太阳能电池大部 分输往欧洲建大型发电站(约每座500KWp-1000KWp)。
• 上海尤力卡公司曾在中国甘肃省酒泉市安装(ānzhuāng) 一套6500瓦非晶硅太阳能电站，其每千瓦发电量为 1300KWh，而晶体硅太阳电池每千瓦的年发电量约为 1100-1200KWh。非晶硅太阳电池显示出其极大的使用 优势。下图为该电站的现场照片，第一代非晶硅太阳 电池的以上优点已被人们所接受。2003年以来全世界 太阳能市场需求量急剧上升，非晶硅太阳电池也出现 供不应求的局面。
CIGS薄膜太阳能电池简要介绍和发展现状
三、铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池介绍
以铜铟镓硒为吸收层的高效薄膜太阳能电池，简称为铜铟镓硒电池 CIGS电池。其典型结构是：Glass/Mo/CIGS/ZnS/ZnO/ZAO/MgF2。（多 层膜典型结构：金属栅/减反膜/透明电极/窗口层/过渡层/光吸收层/背电极/ 玻璃）
CIGS薄膜电池组成可表示成Cu(In1-xGax)Se2的形式，具有黄铜矿相 结构，是CuInSe2和CuGaSe2的混晶半导体。
铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能 电池简要介绍和发展现状
目录
第一章 太阳能电池产业概述 第二章 太阳能电池的种类 第三章 CIGS薄膜太阳能电池介绍 第四章 CIGS薄膜太阳能电池产业现状
第一章 太阳能电池产业概述
一、太阳能是人类未来能源的必然选择 二、太阳能光伏电池的原理及材料要求 三、我国太阳能利用现状及和主要发达国家的差距
单晶硅
多晶硅
非晶硅薄膜
二、多元化合物薄膜太阳能电池
为了寻找单晶硅电池的替代品,人们除开发了多晶硅、非晶硅薄膜太阳 能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓III-V族 化合物、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池等。 1、尽管硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池 效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒 ，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替 代。 2、砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到 人们的普遍重视。Ga(镓)\As（砷）属于III-V族化合物半导体材料，其能隙 为1．4eV，正好为高吸收率太阳光的值，因此，是很理想的电池材料。 铜铟硒CuInSe2简称CIS。CIS材料的能降为1．leV，适于太阳光的光 电转换,另外，CIS薄膜太阳电池不存在光致衰退问题。因此，CIS用作高转 换效率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注目。
太阳能电池的发展历史
太阳能电池的发展历史太阳能电池是一种能够将太阳能转化为电能的装置。
它的发展历史可以追溯到19世纪初，经过了多个阶段的探索和改进，逐渐成为可靠的可再生能源技术。
1. 早期研究与发现太阳能电池的研究始于1839年，当时法国物理学家贝克勒尔发现了光电效应。
他发现，当光线照射到某些物质表面时，会产生电流。
这一发现为后来太阳能电池的发展奠定了基础。
2. 第一代太阳能电池20世纪初，美国发明家查尔斯·费德尔利在光电效应的基础上制造出了第一台实用的太阳能电池。
这种电池使用硒元素和金属电极，虽然效率较低，但标志着太阳能电池的诞生。
3. 硅基太阳能电池的发展在20世纪50年代，美国贝尔实验室的科学家们开始研究硅材料的光电转换性能。
他们发现，硅材料对光的吸收效果较好，并且可以转化为电能。
这一发现推动了硅基太阳能电池的发展。
1954年，贝尔实验室的德雷珀和基尔比两位科学家成功研制出了第一块高效率的硅太阳能电池。
这种电池的效率达到了6%，并且可以在宇宙航天器上使用。
这一突破标志着硅基太阳能电池的商业化应用开始。
4. 多晶硅太阳能电池的出现20世纪60年代，科学家们开始研究如何提高太阳能电池的效率。
他们发现，通过改变硅材料的结晶方式，可以获得更高效的太阳能电池。
于是，多晶硅太阳能电池应运而生。
多晶硅太阳能电池通过将多个晶体颗粒组合在一起制成电池片，提高了电池的效率。
这种电池的效率可以达到10%左右，成为当时最常用的太阳能电池技术。
5. 单晶硅太阳能电池的发展随着对太阳能电池效率的不断追求，科学家们开始研究如何制造更高效的太阳能电池。
他们发现，通过单晶硅材料制造太阳能电池可以获得更高的效率。
单晶硅太阳能电池采用单个晶体生长而成，具有更高的纯度和更均匀的结构。
这种电池的效率可以达到20%以上，成为目前商业化应用最广泛的太阳能电池技术。
6. 薄膜太阳能电池的发展为了降低太阳能电池的成本和提高生产效率，科学家们开始研究如何制造更薄、更轻、更灵活的太阳能电池。
太阳能电池的发展历史
太阳能电池的发展历史太阳能电池是一种能够将太阳光转化为电能的装置，它的发展历史可以追溯到19世纪。
以下是太阳能电池发展历史的详细描述。
1. 19世纪初期太阳能电池的诞生1839年，法国物理学家安东尼·贝克勒尔发现了光电效应，即光照射到某些物质上时会产生电流。
这一发现为太阳能电池的发展奠定了基础。
2. 20世纪初期的太阳能电池研究20世纪初，物理学家爱因斯坦对光电效应进行了深入研究，并提出了解释光电效应的理论。
这一理论的建立进一步推动了太阳能电池的研究。
3. 第一代太阳能电池的诞生1954年，美国贝尔实验室的科学家发明了第一代太阳能电池，采用了硅材料制成的PN结构。
这种太阳能电池的效率较低，但标志着太阳能电池的商业化应用的开始。
4. 太阳能电池的进一步发展在接下来的几十年里，太阳能电池经历了不断的改进和创新。
研究人员发现了更高效的材料，如多晶硅和单晶硅，并提出了新的电池结构，如薄膜太阳能电池和有机太阳能电池。
5. 太阳能电池的商业化应用随着太阳能电池技术的不断进步，太阳能电池开始在各个领域得到广泛应用。
太阳能电池板被安装在房屋屋顶上，用于发电；太阳能电池还被应用在航天器、卫星和无人机等领域，提供独立的电力供应。
6. 太阳能电池的效率提升近年来，太阳能电池的效率不断提升。
研究人员利用纳米技术、多结构设计和新型材料等手段，将太阳能电池的转换效率提高到了20%以上。
此外，太阳能电池的成本也在不断降低，推动了太阳能发电的普及和应用。
7. 太阳能电池的未来发展趋势太阳能电池作为一种清洁、可再生的能源技术，具有广阔的发展前景。
未来，太阳能电池有望进一步提高效率、降低成本，并与其他能源技术相结合，如储能技术和智能电网，实现可持续发展。
总结：太阳能电池的发展历史可以追溯到19世纪初期的光电效应发现。
经过多年的研究和创新，太阳能电池从第一代硅材料制成的PN结构发展到多晶硅、单晶硅、薄膜和有机太阳能电池等多种类型。
CIGS薄膜太阳能电池解析
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。下表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。
CuInSe2黄铜矿晶格结构
非晶硅薄膜太阳能电池的优点
• • • • • • 低成本 能量返回期短 大面积自动化生产 高温性好 弱光响应好(充电效率高) 其他
• 低成本
• 单结晶硅太阳电池的厚度<0.5um。 • 主要原材料是生产高纯多晶硅过程中使用的硅烷，这种气体， 化学工业可大量供应，且十分便宜，制造一瓦非晶硅太阳能 电池的原材料本约RMB3.5-4（效率高于6%） • 且晶体硅太阳电池的基本厚度为240-270um，相差200多倍， 大规模生产需极大量的半导体级，仅硅片的成本就占整个太 阳电池成本的65-70%，在中国1瓦晶体硅太阳电池的硅材料 成本已上升到RMB22以上。
非晶硅太阳电池的市场
• 大规模地成本发电站
• 1996年美国APS公司在美国加州建了一个400千瓦的非晶硅电 站,引起光伏产业振动。 • Mass公司(欧洲第三大太阳能系统公司)去年从中国进口约 5MWp的非晶硅太阳能电池。 • 日本CANECA公司年产25MWp的非晶硅太阳能电池大部分输往 欧洲建大型发电站(约每座500KWp-1000KWp)。 • 德国RWESCHOOTT公司也具有30MWp年产量,全部用于建大规模 太阳能电站。
太阳能电池的发展历史
太阳能电池的发展历史太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的设备，它的发展历史可以追溯到19世纪初。
以下将详细介绍太阳能电池的发展历程。
1. 19世纪初：光电效应的发现太阳能电池的基础是光电效应，即光照射到某些物质表面时，会产生电流。
1839年，法国物理学家贝克勒尔首次发现了光电效应。
他发现，当光照射到金属板上时，会引起电流的流动。
这一发现为太阳能电池的发展奠定了基础。
2. 20世纪初：第一代太阳能电池的诞生1904年，美国科学家查尔斯·菲茨杰拉德和华伦斯·斯密斯发明了第一代太阳能电池。
他们使用硒作为光敏材料，将其暴露在阳光下，通过光电效应产生电流。
尽管这种太阳能电池转换效率很低，但它标志着太阳能电池的诞生。
3. 20世纪50年代：硅太阳能电池的发展20世纪50年代，美国贝尔实验室的研究人员发明了第一种硅太阳能电池。
他们将硅材料与其他材料结合，形成为了一种能够更高效地转换太阳能的太阳能电池。
这种硅太阳能电池的转换效率较高，成为当时最常用的太阳能电池。
4. 20世纪70年代：太阳能电池商业化20世纪70年代，由于能源危机的影响，人们对可再生能源的需求增加。
太阳能电池作为一种可再生能源的代表，开始被广泛应用。
太阳能电池的商业化生产也在这一时期开始。
美国、日本等国家的公司纷纷投入太阳能电池的研发和生产，太阳能电池的产量大幅增加。
5. 21世纪初：太阳能电池的技术突破21世纪初，太阳能电池的技术取得了重大突破。
研究人员开始探索新的太阳能电池材料和结构，以提高太阳能电池的转换效率。
其中，薄膜太阳能电池、多结太阳能电池等新型太阳能电池相继问世。
这些新型太阳能电池具有更高的转换效率和更低的创造成本，推动了太阳能电池产业的快速发展。
6. 当前和未来：太阳能电池的广泛应用如今，太阳能电池已经广泛应用于各个领域。
在家庭和商业建造中，太阳能电池用于发电，为电力需求提供可再生能源。
在交通运输领域，太阳能电池被用于汽车、飞机和船只等交通工具的动力系统。
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铜铟硒太阳电池
• 铜铟硒(CuInSe2, CIGS)薄膜太阳能电池具有以下特点： • (1)铜铟硒薄膜的能隙为1.04eV，通入适量的镓取代铟 • (2)铜铟硒是一种直接能隙材料，其可见光的吸收系数高达105cm-1数量
4
美国再生能源实验室(NREL)发明了拥有更高的光电转换效率 的CIGS电池﹐这就是现代CIGS太阳能电池的雏形。
5 2010年，德国太阳能和氢能研究中心(ZSW)采用用共蒸
发法使CIGS电池上达到了20.3%的高转换效率﹐使CIGS
薄膜的效率与仍然主导市場的多晶硅太阳能电池之间的 差距縮小到了0.1%。
• university of maine
• boeing
• ARCO Solar(即Siemens Solar)
• NERL
• Euro-CIS
•
ZSW : Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, Germany
source:/doi/10.1002/pip.1078/pdf
EMPA -20.4% 2013年1月
/news/empa_achieves_record_efficiency_for_converting_sunlight_into_electricity
料CIS是在1953年由Hahn首次合成。
2 1974年，贝尔实验室的Wagner等人
制备出第一块CIS太阳能电池。
3
19世紀80年代，波音公司和ARCO Solar(即Siemens Solar)公司
分別用共蒸发和溅射硒化法进行了进一步研究。之后，又将CIS的
材料中参入镓（Ga）和硫（S）元素使之与太阳光谱更匹配。
In the IMM cell, high-performance subcells are realized by: (1) inverting the usual growth order, growing mismatched cells last, (2) (2) engineering a transparent buffer layer to mitigate dislocations, (3) (3) removing the primary substrate/attachment to the secondary "handle."
(a) shows only a few smaller grains with a diameter of approximately 0.5–1.0 μm, (b) (b); however, nearly all of the left half of the cross-section is filled with grains of that smaller size, (c) (c) we even find a continuous bottom layer of 0.5 μm thickness that consists of grains with a diameter of
级，相较于硅基系列(mono-Si, a-Si)，更多了约100倍以上的吸收，非 常适合做为薄膜太阳能电池的吸收层。 • (3)技术成熟后，制造成本和回收时间将远低于晶体硅太阳能电池。 • (4)抗辐射能力强。 • (5)高光电转换效率，目前铜铟镓硒薄膜太阳能电池的最高转换效率已达 20.3%，是所有薄膜太阳能电池中的最高纪录。 • (6)电池稳定性佳，效率稳定几乎不衰减。 • (7)弱光特性好。因此铜铟硒薄膜太阳能电池可望成为新一代太阳能电池 的主流产品之一。
The morphology of the CIGS absorber.
Although we observe large grains with a diameter of approximately 2 μm in all three examples, we always see smaller grains right beside these as well.
(Centre for Solar Energy and Hydrogen Research, )
• EMPA (Flex polymer sub) The Swiss Federal
Laboratories for Materials Science and Technology
1 CIGS电池由最初的CIS电池发展而來，薄膜材
.
• beginning with about 6% efficient cells at the University of Maine .
EuroCIS-14.8% 1993年
BOEING-15.9%
1994年
/getpdf/servlet/GetPDFServlet?filetype=pdf&id=APCPCS000306000001000059000001&idtype=cvips&doi=10.1063/1.45732&prog=normal
NREL—19.9% 2008年2月
source：/doi/10.1002/pip.822/pdf
2008年10月
Source:http://www.op-solar.de/pdfs/The%20first%2020-percent%20thin-film%20cell.pdf
6
2013年，瑞士联邦材料科学与技术实验室（EMPA）宣布
其研发的柔性衬底铜铟镓硒CIGS太阳能光伏电池已凭借
20.4%的高转换效率刷新世界记录
Chalcopyrite （黄铜矿结构）
Red = Cu, yellow = Se, blue = In/Ga
/pv/multijunction.html#addressing sorse : NREL
ZSW -20.1% 2010年4月
Dr. Michael Powalla
/news/cigs_record_of_20.1_efficiency_reported_by_researchers_at_zsw
ZSW -20.3% 2010年8 月
Dr. Michael Powalla