學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界普遍認為太陽能電池的發(fā)展已經(jīng)進入了第三代。第一代為單晶硅太陽能電池，第二代為多晶硅、非晶硅等太陽能電池，第三代太陽能電池就是銅銦鎵硒CIGS（CIS中摻入Ga）等化合物薄膜太陽能電池及薄膜Si系太陽能電池。
銅銦鎵硒薄膜太陽能電池是多元化合物薄膜電池的重要一員，由于其優(yōu)越的綜合性能，已成為全球光伏領(lǐng)域研究熱點之一。本文闡述了銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的特性和競爭優(yōu)勢；介紹了國內(nèi)外在銅銦鎵硒薄膜太陽能電池領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀；最后探討了銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的應(yīng)用展望。
關(guān)鍵詞：太陽能電池；薄膜；銅銦鎵硒；展望
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。
圖1 CIGS薄膜太陽能電池層狀結(jié)構(gòu)
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