薄膜太阳能电池(上、下)

1 Zeng Hauyan 文本框 原文链接：（上） http://topic.solarzoom.com/20120831/ Zeng Hauyan 文本框 （下） http://topic.solarzoom.com/20120831/ 2 导语： 21世纪初之前，太阳能电池主要以硅系太阳能电池为主，超过 89%的光伏市场由硅系列太阳能电 池所占领，但自 2003年以来，晶体硅太阳能电池的主要原料多晶硅价格快速上涨，因此，业内人士自 热而然将目光转向了成本较低的薄膜电池。薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石 墨，金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数 μm，目前转换效率最高可达 13%以上。薄膜电池太阳电池除了平面之外，也因为具有可挠性可以制作成非平面构造其应用范围大， 可与建筑物结合或是变成建筑体的一部份，应用非常广泛。 薄膜电池的分类 硅基薄膜电池 硅基薄膜电池包括非晶硅薄膜电池、微晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池，而目前市场主要是非晶硅 薄膜电池产品。非晶硅的禁带宽度为 1.7eV，通过掺硼或磷可得到 p 型或 n 型 a-Si。为了提高效率和改 善稳定性，还发展了 p-i-n/p-i-n双层或多层结构式的叠层电池。 碲化镉(CdTe)薄膜电池 碲化镉薄膜电池是最早发展的太阳电池之一，由于其工艺过程简单，制造成本低，转换效率 已超过 16%，大规模效率超过 12%，远高于非晶硅电池。不过由于镉元素可能对环境造成污染，使用受 到限制。近年来美国 FirstSolar 公司采取了独特的蒸气输运法沉积等特殊措施，解决了污染问题，开始 大规模生产，并为德国建造世界最大的光伏电站提供 40MW碲化镉太阳电池组件。 铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池 铜铟镓硒薄膜电池是近年来发展起来的新型太阳电池，通过磁控溅射、真空蒸发等，在基底上 沉积铜铟镓硒薄膜，薄膜制作方法主要有多元分布蒸发法和金属预置层后硒化法等。基底一般用玻璃， 也可用不锈钢作为柔性衬底。实验室最高效率已接近 20%，成品组件效率已达到 13%，是目前薄膜电池 中效率最高的电池之一。 砷化镓(GaAs)薄膜电池 砷化镓薄膜电池是在单晶硅基板上以化学气相沉积法生长 GaAs 薄膜所制成的薄膜太阳电池，其直 接带隙 1.424eV，具有 30%以上的高转换效率，很早就被应用于人造卫星的太阳电池板。然而砷化镓电 池价格昂贵，且砷是有毒元素，所以极少在地面应用。 染料敏化太阳电池(DSSC) 染料敏化太阳电池是太阳电池中相当新颖的技术产品，由透明导电基板、二氧化钛(TiO2)纳米微粒 薄膜、染料(光敏化剂)、电解质和 ITO电极所组成。目前仍停留在实验室阶段，实验室最高效率在 11% 左右。 ((上上)) 3 非晶硅薄膜电池 简介 非晶硅（amorphous silicon α-Si）又称无定形硅。单质硅的一种形态。棕黑色或灰黑色的微晶体。 硅不具有完整的金刚石晶胞，纯度不高。熔点、密度和硬度也明显低于晶体硅。非晶硅的化学性质比晶 体硅活泼。可由活泼金属(如钠、钾等) 在加热下还原四卤化硅，或用碳等还原剂还原二氧化硅制得。结 构特征为短程有序而长程无序的α-硅。纯α-硅因缺陷密度高而无法使用。采用辉光放电气相沉积法就 得含氢的非晶硅薄膜，氢在其中补偿悬挂链，并进行掺杂和制作 pn 结。非晶硅在太阳辐射峰附近的光 吸收系数比晶体硅大一个数量级。禁带宽度 1.7～1.8eV，而迁移率和少子寿命远比晶体硅低。现已工业 应用，主要用于提炼纯硅，制造太阳电池、薄膜晶体管、复印鼓、光电传感器等。 非晶硅薄膜电池的起源 非晶硅薄膜太阳能电池由 Carlson和Wronski在 20世纪 70年代中期开发成功，80年代其生产曾达到高潮，约占全球 太阳能电池总量的 20％左右，但由于非晶硅太阳能电池转化 效率低于晶体硅太阳能电池，而且非晶硅太阳能电池存在光 致衰减效应的缺点：光电转换效率会在头 1000个光照时间内 逐渐衰减到稳定状态，对薄膜电池的应用存在影响。 非晶硅薄膜电池的优点 低成本、能量返回期短、大面积自动化生产、高温性能好、|短波响应优于晶体硅太阳能电池 低成本 单结非晶硅太阳电池的厚度 0.2um。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。目前晶体硅太阳电池的基本 厚度多为 200um以下，相差 1000倍，大规模生产需极大 量的半导体级硅，仅硅片的成本就占整个太阳电池成本 的 65-70%，目前在中国晶体硅太阳电池的硅材料成本大 概为 0.2USD/W左右。几年前，从原材料供应角度考虑， 人类大规模使用太阳光发电，非晶硅太阳电池及其它薄 膜太阳电池是比较好的选择。但是在最近两年，硅材料的成本快速下跌，从成本的角度来说，除个别厂 家外，非晶硅太阳能电池已经不具备之前的竞争力。 能量返回期短 转换效率为 6%的非晶硅太阳电池，其生产用电约 1.9度电/瓦，由它发电后返回的时间约为 1.5-2年， 这是晶硅太阳电池无法比拟的。 大面积自动化生产 目前，世界上最大的非晶硅太阳电池是 Switzland Unaxis的 KAI-1200 PECVD 设备生产的 ((上上)) 4 1100mm*1250mm单结晶非晶硅太阳电池，其初始效率高于 9%。其稳定输出功率接近 80W/片。商品晶 体硅太阳电池还是以 156mm*156mm和 125mm*125mm为主。 高温性能好 当太阳能电池工作温度高于标准测试温度 25℃时，其最佳输出功率会有所下降；非晶硅太阳能电池 受温度的影响比晶体硅太阳能电池要小得多。 短波响应优于晶体硅太阳能电池 上海尤力卡公司曾在中国甘肃省酒泉市安装一套 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。 目前存在的问题 （1）效率较低 单晶硅太阳能电池，单体效率为 14%-17%(AMO)，而柔性基体非晶硅太阳电池组件（约 1000平方 厘米）的效率为 10-12%，还存在一定差距。相同的输出电量所需太阳能电池面积增加，对于对太阳能 电池占地面积不高的场合尤其适用，如农村和西部地区。我国目前尚有约 28000个村庄、700万户、 大约 3000万农村人口还没有用上电， 60%的有电县严重缺电；光致衰减效应也可在电量输出中加以考 虑，我们认为以上缺点已不成为其发展的障碍，非晶硅太阳能电池已迎来新的发展机遇。 （2）稳定性问题 非晶硅太阳能电池的光致衰减，所谓的W-S效应，是影响其大规模生产的重要因素。目前，柔性基 体非晶硅太阳能电池稳定效率已超过 10%，已具备作为空间能源的基本条件。 （3）成本问题 非晶硅太阳能电池投资额是晶体硅太阳能电池的 5倍左右，因此项目投资有一定的资金壁垒。且， 成本回收周期较长，昂贵的设备折旧率是大额回报率的一大瓶颈。 非晶硅薄膜电池的市场应用 （1）大规模发电站 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 产业震动。 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 Kaneka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 RWESchott公 司也具有 30MWp 年产量,全部用于建大 规模太阳能电站。 ((上上)) 5 （2）与建筑相结合，建造太阳能房 非晶硅太阳能电池可以制成半透明的，如作为建筑的一部分，白天既能发电又能使部分光线透过玻 璃进入室内，为室内提供十分柔和的照明(紫外线被滤掉)能挡风雨，又能发电;美国，欧洲和日本的太阳 能电池厂家已生产这种非晶硅组件。 （3）太阳能照明光源 由于非晶硅太阳能电池的技术优势，同样功率的非晶硅太阳能灯具，其照明时间要比晶体硅太阳能 路灯的照明时间长 20%，而其成本每瓦要低约 10元人民币。上海尤利卡公司于 2003年-2005年已为松 江区的太阳能路灯提供了 400多个非晶硅太阳能路灯电源，其冬天的发电效果明显优于晶体硅。 （4）弱光下使用 由于非晶硅太阳能电池在室内弱光下也能发电，已被广泛用于太阳能钟，太阳能手，太阳能显示 牌等不直接受光照等场合下。 碲化镉(CdTe)薄膜电池 简介 （1）碲化镉 CdTe 是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，带隙 1.5eV，与太阳光谱非常匹配，最适合于光 电能量转换，是一种良好的 PV材料，具有 很高的理论效率（28%），性能很稳定，一 直被光伏界看重，是技术上发展较快的一 种薄膜电池。碲化镉容易沉积成大面积的 薄膜，沉积速率也高。CdTe薄膜太阳电池 通常以 CdS／CdTe 异质结为基础。尽管 CdS和 CdTe和晶格常数相差 10%，但它们 组成的异质结电学性能优良，制成的太阳 电池的填充因子高达 FF=0.75。 （2）制备工艺 制备 CdTe多晶薄膜的多种工艺和技术已经开发出来，如近空间升华、电沉积、PVD、CVD、CBD、 丝网印刷、溅射、真空蒸发等。丝网印刷烧结法：由含 CdTe、CdS浆料进行丝网印刷 CdTe、CdS膜， 然后在 600～700℃可控气氛下进行热处理 1h得大晶粒薄膜.近空间升华法：采用玻璃作衬底，衬底温度 500～600℃，沉积速率 10μm/min.真空蒸发法：将 CdTe从约 700℃加热钳埚中升华，冷凝在 300～400 ℃衬底上，典型沉积速率 1nm/s.以 CdTe 吸收层，CdS 作窗口层半导体异质结电池的典型结构：减反射 膜/玻璃/（SnO2:F）/CdS/P-CdTe/背电极。 ((上上)) 6 碲化镉电池现状 （1）转换效率 碲化镉薄膜太阳能电池的发展受到国内外的关注，其小面积电池的转换效率已经达到了 16.5%，商 业组件的转换效率约 9%，组件的最高转换效率达到 11%。国内四川大学制备出转换效率为 13.38%的小 面积单元太阳能电池，54cm2集成组件转换效率达到 7％，正在进行 0.1m2组件生产线的建设和大面积 电池生产技术的研发。 （2）成本估算 可见，碲化镉和透明导电玻璃构成材料成本的主体，分别占到消耗材料总成本的 45.4%和 38.2%。 如将碲化镉薄膜的厚度减薄 1 微米，则碲化镉材料的消耗将降低 20%，从而使材料总成本降低 9.1%， 即从每峰瓦 6.21元降为 5.64元。如使用 99.999%纯度的碲化镉，效率依然能达到 7%，材料成本还将进 一步降低。 表 1MW碲化镉薄膜太阳能电池所消耗的材料的成本 注：成本计算依据 ①虑电池的结构为玻璃/SnO2：F /CdS/CdTe/ZnTe/ZnTe：Cu/Ni ②碲化镉薄膜的厚度为 5微米③转换效率为 7%。 （3）碲资源 碲是地球上的稀有元素，发展碲化镉薄膜太阳能电池面临的首要问题就是地球上碲的储藏量是否能 满足碲化镉太阳能电池组件的工业化规模生产及应用。工业上，碲主要是从电解铜或冶炼锌的废料中回 收得到。据相关报导，地球上有碲 14.9万吨，其中中国有 2.2万吨，美国有 2.5万吨。在美国碲化镉薄 膜太阳能电池制造商 First Solar年产量 25MW的工厂中，300~340公斤碲化镉即可以满足 1MW太阳能 电池的生产需要。考虑到碲的密度为 6.25g/cm3，镉的密度为 8.64g/cm3，则 130~140公斤碲即可以满足 1MW 碲化镉薄膜太阳能电池的生产需要。由以上数据可以知道，按现已探明储量，地球上的碲资源可 以供 100个年生产能力为 100MW的生产线用 100年。 环境影响 （1）镉排放量 太阳能电池的排放量均小于 1g /GWh，其中又以碲化镉的镉排放量最低，为 0.3 g / GWh。 ((上上)) 7 图 1 太阳能电池组件与其他能源的镉排放量的比较图 （2）重金属排放量 碲化镉太阳能电池的砷、铬、铅、汞、镍等其他重金属的排放量也比硅太阳能电池的低。 关键技术 （1）结构&工艺 硫化镉、碲化镉、复合背接触层等三层薄膜的沉积和后处理是获得高效率的技术关键。 图 2 硅太阳能电池和碲化镉太阳能电池的重金属排放量的比较图 图 3碲化镉薄膜太阳能电池组件集成结构示意图 ((上上)) 8 图 4碲化镉薄膜太阳能电池组件制备工艺流程图 （2）激光刻蚀 图 5 是分别用 1064nm 激光 和 532nm 的激光刻划 CdS/CdTe 薄膜后，用探针式表面轮廓分析 仪测量的刻痕形貌。 1064nm激 光刻划的刻槽边缘有高达 4微米 的"脊状峰"，这不利于后续沉积 的背电极接触层及金属背电极与 透明导电薄膜之间形成连续的具 有良好欧姆特性的连接。 （3）表面腐蚀技术 使用磷酸-硝酸混合溶液可以获得 较好的腐蚀效果，典型溶液的体积浓度 为（硝酸：磷酸：水）0.5：70：29.5， 室温下腐蚀时间为 1分钟。降低硝酸浓 度和温度可以进一步延长腐蚀。磷硝酸 溶液沿晶界的择优腐蚀较为严重，容易 在沉积背电极后形成局部的短路漏电 通道。使用硝酸-冰乙酸溶液可以进一 步减轻晶体择优腐蚀程度，获得更好的 膜面腐蚀效果。 图 6 不同温度下使用硝酸-冰乙酸腐蚀后碲化镉的 XRD谱图 前景展望 目前，碲化镉薄膜太阳能电池的生产成本正在逐步接近、甚至低于传统发电系统的，这种廉价的清 洁能源在全世界范围内引起了关注，各国均在大力研究解决制约碲化镉薄膜太阳能电池发展的因素，相 信存在的问题不久将会逐个解决，从而使碲化镉薄膜电池成为未来社会的主导新能源之一。 (以下重点介绍 CIGS、GaAs) 图 5 CdTe薄膜激光刻划刻痕形貌 ((上上)) 9 铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池 简介 CIGS 是一种半导体材料，是在通常所称的铜铟 硒(CIS)材料中添加一定量的ⅢA族 Ga元素替代相 应的 In元素而形成的四元化合物。鉴于添加 Ga元 素后能适度调宽材料的带隙，使电池的开路电压得 到提高，因此，近年来 CIGS反而比 CIS更受关注。 单晶硅、多晶硅以及非晶硅属于元素半导体材 料，尤其单晶硅，在电子、信息科学领域占据着不 可撼动的地位，作为硅太阳电池，只是它诸多的重 要应用之一。与硅系太阳电池在材料性质上有所不 同的是：CIGS 属于化合物半导体范畴。固体物理 学的单晶硅金刚石型晶体结构和 CIGS 黄铜矿型晶 体结构如下图所示。 在化合物半导体系列太阳电池家族中，某些成员 也有不凡表现，如砷化镓(GaAs)太阳电池，其最高 的光电转换效率使其他类型的太阳电池难以望其 项背。然而，其高昂的制备成本使其只能应用于高 层次的不计工本的特殊场合，如太空、军事领域。 在各领风骚的太阳电池阵容中，CIGS 太阳电池以 其特性方面的闪光点脱颖而出。 CIGS性能特点 1 多晶材料的制备难度、成本低于单晶材料 2 相对较高的光利用特质 3 光电转换效率居各类薄膜太阳电池之首 砷化镓(GaAs)太阳能电池 简介 砷化镓（GaAs）半导体材料与传统的硅材料相比， 它具有很高的电子迁移率、宽禁带、直接带隙，消 耗功率低的特性，电子迁移率约为硅材料的 5.7倍。 因此，广泛应用于高频及无线通讯中制做 IC器件。 所制出的这种高频、高速、防辐射的高温器件，通 常应用于激光器、无线通信、光纤通信、移动通信、 GPS 全球导航等领域。砷化镓除在 IC 产品应用以 外，也可加入其它元素改变能带隙及其产生光电反 应，达到所对应的光波波长，制作成光电元件。还 可与太阳能结合制备砷化镓太阳能电池。 砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统的基本构想 在薄膜光伏电池中，非晶硅电池效率低下，且稳 定性有待提高。尽管硫化镉、碲化镉薄膜电池的效 率较非晶硅薄膜电池效率高，成本较晶体硅电池 低，且易于大规模生产，但是镉有剧毒，会对环境 造成严重污染，硒和铟是储量很少的稀有元素，因 此大规模发展必将受到材料制约。而砷化镓化合物 材料具有十分理想的禁带宽度以及较高的光吸收 效率，适合于制造高效电池。此外，还可以通过叠 层技术做成多结砷化镓基电池，以进一步提高转换 效率。但是，由于砷化镓基材料价格昂贵，砷化镓 薄膜电池目前只在航天等特殊领域应用，离地面应 用的商业化运行还有很大距离。 ((下下)) 10 4 电池发电稳定性好 5 弱光发电性能好 6 抗辐照能力强 7 外观漂亮 8 带隙可依性能要求调节 9 可做柔性电池 1 多晶材料的制备难度、成本低于单晶材料 用来制备 CIGS 太阳电池的材料是多晶态。一般 多晶材料的制备难度和成本都低于单晶材料，这一 点对产业化和民用化具有重要意义。理论和试验结 果都证实，制备 CIGS 电池器件工艺中，对成分配 比的离散相对有较大的宽容度，对材料纯度和制备 温度的要求也低于常规晶态的半导体工艺。这为工 业化制备的良品率和制备成本的优化提供了较大 的空间。 2 相对较高的光利用特质 用半导体专业语言来讲，CIGS 是一种直接带隙 材料，对可见光的吸收系数高达 105(cm-1)，优于 其他电池材料。对比图 2中的各种薄膜电池材料吸 收系数的曲线，可知 CIGS 材料的吸收系数最高。 CIGS薄膜电池的吸收层仅需 1～29m厚，就可将阳 光全部吸收利用。因此，CIGS 最适合做薄膜太阳 电池，其电池厚度薄且材料用量少，大大降低了对 原材料的消耗，减轻了 In等稀有元素的资源压力。 3 光电转换效率居各类薄膜太阳电池之首 目前太阳电池家族中，尚存在几种不同材料类型 为了降低光伏电池的发电成本，可采取的有效途 径之一就是研发和应用砷化镓薄膜电池聚光发电 系统。在获得同样输出功率情况下，可以大大减少 所需的砷化钾薄膜电池面积。相当于用比较便宜的 普通金属、玻璃材料做成聚光器和支撑系统，来代 替部分昂贵的砷化镓薄膜电池。在这种聚光系统 中，如果聚光率超过 10 倍以上，则系统只能利用 直射阳光，因而必须采用跟踪系统相互配合，才能 充分发挥效能。在固定温度下，光伏电池效率随聚 光率变化的一般趋势是，在低聚光率时，电池效率 随聚光率的增加而增加，在高聚光率时，则随聚光 率的增加而降低。光伏电池在高聚光大电流下，其 工作温度的升高将导致效率的下降，因此，聚光跟 踪系统还需要配备有效的散热设备。考虑到系统的 整体经济性，可以通过主动制冷方式，在对光伏电 池快速散热的同时，充分利用热能生产热水，最终 实现实现太阳能光热和光伏的综合利用，以充分发 挥整体效能。 砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统的组成 电池片、聚光器、跟踪器、散热器 1、电池片 市场上的聚光光伏电池系统组件大部分仍采用 单晶硅太阳能电池，基于砷化镓基多结太阳能电池 的产品在国际市场上刚刚崭露头角，尚未进入国内 市场。高效太阳能电池是聚光光伏、光热综合利用 系统的核心部件。在 500－1000倍的高倍聚光条件 下，其芯片和模组制作工艺都与低倍聚光下不同， ((下下)) 11 的薄膜电池。如硅基薄膜电池、碲化镉薄膜电池等。 但值得提出的是，在所有类型的薄膜太阳电池中， CIGS 薄膜太阳电池的光电转换效率在理论上和实 际上都是最高的，迄今实验室最高效率已超过 20 ％，仍没封顶。 4 电池发电稳定性好 电池的稳定性是描述电池使用价值的另一个非 常重要的指标，尤其对电站来讲，是首要指标，同 时也直接影响到电池的能量回收水平及使用寿命 的长短。有试验证明，CIGS 薄膜电池组件在户外 条件下使用，历时三年之久，性能没有衰减，并非 每种太阳电池都能有这种出色的表现，见下图。 5 弱光发电性能好 弱光发电性能不容忽视。太阳的光强有四季、早 晚、阴晴的变化。因此，我们不仅要重视太阳电池 在强光下的峰值发电能力，更要关注一天或一年时 段中的累计发电量，即追究太阳电池的弱光发电能 力。正是在这一指标上，与不同类型太阳电池相比， CIGS 太阳电池有着突出的表现。在晨昏时节、阴 天冬季，仍具有相当的发电能力。 6 抗辐照能力强 CIGS材料的Cu迁移和点缺陷反应的动态协同作 用导致受辐射损伤的电池具有自愈合能力，这就保 证了 CIGS 太阳电池在强辐射下的良好反应。如同 摆擂台一样，将几种太阳电池置于 1MeV电子辐照 需要重新设计工艺条件。在适合高倍聚光的光伏电 池工艺中应充分借鉴激光器、发光二极管等器件的 先进设计方法。采用低成本、高热稳定性的不含金 的合金作为 III-V聚光光伏电池顶部网格电极材料， 通过优化电极结构和制作工艺，在不改变电池外延 结构的条件下，开发出 500 至 1000 倍聚光下高效 多结光伏电池低成本产业化生产工艺，使光电转换 效率达到 30％，并获得较高的工作稳定性。 2、聚光器 由于高效砷化镓光伏电池的生产成本较高，因此 提高聚光器的聚光倍数、聚光效率和均匀性成为充 分发挥砷化镓光伏电池效率优势、降低聚光光伏、 光热综合利用系统成本的关键之一。光伏聚光器是 利用透镜或反射镜将太阳光聚焦到光伏电池上。按 光学类型划分，常用的聚光系统通常分为折射聚光 系统和反射聚光系统。对于实际应用来说，菲涅尔 透镜成为理想之选。它的聚焦方式可以是点聚焦， 也可以是线聚焦。点聚焦时，将太阳光聚焦在一个 光伏电池片上；线聚焦时，将太阳光聚焦在 光伏 电池组成的线列阵上。反射式聚光系统也可以分为 点聚焦结构和线聚焦结构。但是传统菲涅尔透镜存 在难以实现的高接收角、聚光后光强分布不均匀和 易老化变形等问题。而反射式聚光器聚光倍数较 低，难以大幅度降低发电成本。 3、跟踪器 对于砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统来说，对 日跟踪器必不可少。这主要是由于随着聚光比的提 高，聚光光伏系统所接收到光线的角度范围就越 小，为了更加充分地利用太阳光，聚光光伏系统必 须辅以对日跟踪装置。因此，通过对聚光光伏系统 跟踪信号的产生、自动控制的机理、驱动执行部分 的实现以及保护应急措施的考虑，研究出跟踪精度 高、运行安全可靠、抗干扰能力强、制造和运用成 本低、用户操作界面友好的太阳能跟踪器，对于成 功开发砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统是至为 重要的。目前，对日跟踪器的设计众多，形式 不拘一格。点聚光结构的聚光器一般要求双轴跟 ((下下)) 12 下，结果屉示，大多数电池输出功率明显衰退时， C1S(CIS在此可代表CIGS)电池却无任何衰减(见下 图)。在领取用作空间电源的通行证的竞争中，CIGS 太阳电池顺利过。 7 外观漂亮 CIGS 薄膜太阳电池组件因其黑亮沉穆的色泽备 受赞叹(因其极高的吸收系数)。无论作为屋顶或幕 墙，CIGS 薄膜电池无疑是功能建筑一体化的最佳 选择，作为发电功能与装饰效果的完美组合，CIGS 独具风格。 8 带隙可依性能要求调节 带隙可依性能要求调节，这为高性能的叠层电池 奠定了基础。CIGS 材料晶型为黄铜矿结构。通过 调节材料的成分及其配比，CIGS 有多种结构。例 如不掺Ga的CIS三元化合物材料做成的太阳电池， 其材料的半导体禁带宽度是 1.04eV；如用适量的 Ga 取代 In，成为四元化合物(CIGS)，其禁带宽度 可在 1.04～1.67eV范围内连续调整。优点：可根据 与太阳光谱匹配的要求来调整最佳带隙(1.5eV)；容 许材料成分配比有一定的偏差和漂移，而不丧失器 件的光伏性能。尤其在产业化工程中，可提高工艺 条件的宽容度和良品率的保证。 9 可做柔性电池 CIGS 材料的光吸收系数最高，吸收层可做得很 薄。实际上 CIGS薄膜电池各层叠加起的总厚度<4 μm，具有充分的柔软性。沉积在金属箔或高分子 踪，线聚光结构的聚光器仅需单轴跟踪。由于砷化 镓薄膜电池 聚光跟踪发电系统不得不经受安装地 区恶劣的气候条件，如风、沙、冰雹、雨、雪等的 侵蚀和损坏，因此，跟踪系统的可靠性仍需进一步 的提高。 4、散热器 温度是影响太阳能电池光电转换效率的重要因 素之一。聚光太阳电池在运行过程中，未被利用的 太阳辐射能除一部分被反射外，其余大部分被电池 吸收转化为热能。如果这些吸收的热量不能及时排 除，电池温度就会逐渐升高，发电效率降低，而且 电池长期在高温下工作还会因迅速老化而缩短使 用寿命。因此，为了实现对电池组件的温度控制， 可采用无机超导热管技术。即以多种无机元素组合 而成的传热介质，加入到管腔或夹壁腔内，经真空 处理且密封后形成具有高效传热特性的元件。该 元件将热量由一端向另一端快速传导的过程中，表 面呈现出无热阻快速波状导热特性。它既可保证聚 光光伏电池的光电转换效率，同时又能获得相当可 观的光热收益，实现对太阳能的电热联用，以满足 普通用户日常生活用电和热水。 砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统的开发意义 在各国政府的大力支持下，以及光伏市场的需求 和聚光光伏技术迅猛提高的趋势下，高效、低廉、 可靠、稳定的聚光光伏发电系统正在逐步走向产业 化。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，中国作为 世界能源消耗第二大国，对于高效、低成本的光伏 发电系统的需求更为迫切。与国际上蓬勃发展的光 伏发电相比，国内平板式光伏发电系统技术已经比 较成熟，而聚光光伏发电系统还处于技术开发阶 段。只要我们抓住有利时机，瞄准国际光伏电池新 材料及器件研究的前沿，积极引进和开发成熟砷化 镓薄膜电池聚光跟踪发电系统，就能在聚光光伏技 术及应用方面取得原创性的、突破性的进展。 砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统是一个技术 水平高、涉及学科多、带动作用强的综合产业。在 这个产业链上，包括了研制系统所需要的钢材、玻 ((下下)) 13 塑料薄膜上，就成为可折叠、弯曲的柔性电池。 柔性电池用途更加广泛与方便，可用于帐篷、屋 顶、探测气球及各种异型表面，尤其适合便携和随 机使用。在同样的发电能力下，CIGS 薄膜电池重 量最轻。 璃、塑胶材料等产业；包括了与聚光器、跟踪器所 密切相关的精密仪器加工和自动控制等产业；包括 了与高效太阳能电池相关的关键设备制造、III－V 族半导体材料外延和器件制作等产业，包括了与太 阳能光热利用相关的传热、水箱、管道等产业，还 有相关的蓄电池、逆变器和控制器等产业。因此， 通过研发砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统，能够 带动相关产业的迅速发展，提高相关产业的整体研 发水平，同时创造更多的就业岗位。 发展砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统，具有良 好的节能减排、环境保护和推广应用等社会效益。 同时，砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统的研发和 推广，必将对普及太阳能知识，增强全社会对新能 源的认识，加快新能源的推广、应用和普及步伐， 产生积极而又深远的影响。 各种类型太阳能电池技术与效率比较 ·理论效率与目前实验室效率、商业效率之间的比较 ·不同衬底类型薄膜电池与组件效率比较 注：以上数据来源于 2012年太阳能光伏技术发展及应用研讨会，上海空间电源研究所《铜铟镓硒薄膜太阳电池技术研究》。 ((下下)) 14 产业化进展及发展趋势 国外产业化技术整体进展 新进机构：如杜邦、IBM、Intel、陶氏化学、Bosch、台积电，…… 注：以上数据来源于 2012年太阳能光伏技术发展及应用研讨会，上海空间电源研究所《铜铟镓硒薄膜太阳电池技术研究》。 技术发展趋势 （1）进一步提升性能。 （2）降低成本。 （3）加快发展柔性 CIGS技术，保持薄膜电池领域竞争优势。 国内研究现状 目前国内有多家高校、研究所、企业在进行 CIGS薄膜太阳能电池的研究，包括南开大学、上海空间电 源研究所，中电 18所、山东孚日等。一些新进的机构包括广东榕泰、深圳浩德，中科院太阳能研发中心 等。对于国内 CIGS技术研发和产业化发展的要求是，需要系统化、深入化，并寻求突破和发展。相信随 着科技的不断进步和发展，国内 CIGS的相关研发及应用会迈上一个新的台阶。 ((下下))