電力是人類社會存在和發(fā)展的基礎(chǔ)。當(dāng)前火力發(fā)電占據(jù)主流地位，隨著資源短缺和環(huán)境污染的日益加重，尋找一種清潔的、綠色的、可再生替代能源以緩解煤供應(yīng)緊張和火力發(fā)電帶來的全球環(huán)境壓力，已成為國際社會共同追求的目標(biāo)。據(jù)世界能源委員會預(yù)測數(shù)據(jù)顯示，全球化石燃料最終可開采量至少可供人類使用約100年，但開采成本相對較低的儲量在逐年減少。這就意味著火力發(fā)電的上網(wǎng)電價會逐年上升。在眾多的可替代能源中，太陽能儲量豐富、綠色環(huán)保、分布廣泛，備受世人青睞。近年來，在國家和地方政府積極推動下，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)展開了全方位、多層次的嘗試和努力，取得了顯著成效。

1、太陽能光伏電池分類

太陽能電池按其所用原料不同可以分為晶體硅太陽能電池、薄膜電池、染料敏化電池和有機太陽能電池等幾類。其中染料敏化太陽能電池和有機太陽能電池尚處于實驗研發(fā)階段，市場占有率極低。圖1顯示了歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會(EPIA)列舉的太陽能光伏電池分類及市場占有份額。從圖1中可以看出，晶體硅電池仍是光伏產(chǎn)業(yè)的主流產(chǎn)品，市場占有份額約9O%。薄膜電池領(lǐng)域中，化合物薄膜電池市場占有份額在1/2以上，高于非晶硅薄膜電池。

1.1晶體硅太陽能電池

晶體硅太陽能電池包括單晶硅和多晶硅太陽能電池兩種，生產(chǎn)工藝成熟，技術(shù)路線穩(wěn)定，光電轉(zhuǎn)化效率高，市場占有率高。實驗室研發(fā)的鈍化發(fā)射極背部局域擴散(PREI)單晶硅太陽能電池光轉(zhuǎn)化效率已達(dá)到24.7%，商品化電池組件效率在17%左右。然而，傳統(tǒng)的單晶硅太陽能光伏產(chǎn)品自身的特殊性限制了它的廣泛發(fā)展，主要包括冶煉過程耗能巨大(冶煉1硅耗電量400~500kW˙h，以硅太陽能電池發(fā)電壽命25年計算，冶煉生產(chǎn)過程就要耗費硅太陽能電池片7～8年的發(fā)電量)，生產(chǎn)成本昂貴(主要原材料是高純硅，每生產(chǎn)1MW規(guī)模的硅太陽能電池組件需要17t高純度硅)。另外晶體硅屬間接帶隙半導(dǎo)體，光吸收系數(shù)低，電池厚度一般需要達(dá)到100m以上才能吸收大部分太陽光，加工破損率高，這就直接導(dǎo)致單晶硅電池成品價格居高不下。相比于單晶硅電池高能耗、高污染的提煉、加工過程，多晶硅太陽能電池的生產(chǎn)成本降低很多。但由于多晶硅組織內(nèi)部存在較高密度的位錯和缺陷，光轉(zhuǎn)化效率較低。目前實驗室研發(fā)的小面積多晶硅電池的光轉(zhuǎn)化效率在20.3%，產(chǎn)業(yè)化后效率基本維持在12%左右。

1.2薄膜太陽能電池薄膜太陽能電池厚度可降至幾到幾十微米以下，原料消耗率低、加工工藝簡單、耗能小、制造成本低廉、可大面積連續(xù)生產(chǎn)，在光伏領(lǐng)域引起極大關(guān)注。薄膜電池主要包括非晶硅薄膜電池和其他化合物薄膜電池兩類。非晶硅的長程無序結(jié)構(gòu)使其轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋�隙半�?dǎo)體，光吸收系數(shù)顯著提高，相應(yīng)的電池厚度大幅降低，硅原料消耗少，在薄膜太陽能光伏產(chǎn)品中占據(jù)一定市場份額。然而非晶硅薄膜電池長時間使用后轉(zhuǎn)化效率降低，即出現(xiàn)w光誘導(dǎo)衰變效應(yīng)，光電轉(zhuǎn)換效率難以進一步提高，市場化進程受阻。其他化合物薄膜電池是指在玻璃或柔性襯底上沉積Ⅲ一V族、Ⅱ一Ⅵ族化合物薄膜構(gòu)成p-n結(jié)組裝而成的太陽能電池，主要包括GaAs、CdTe、CdS和CIGS等幾類。這些化合物薄膜電池屬直接帶隙半導(dǎo)體材料，光吸收系數(shù)高，帶隙寬度與太陽光能譜匹配性好，光伏特性好。然而GaAs、CdS、CdTe等系列電池所用原材料價格昂貴、有毒、污染環(huán)境嚴(yán)重，制約了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。2、CIGS薄膜太陽能電池近年來，光伏企業(yè)更加關(guān)注成本和轉(zhuǎn)化效率兩方面都得以保證的薄膜太陽能電池。CIGS薄膜電池作為單位質(zhì)量輸出功率最高的光伏電池，以其高效、柔性、輕便、低成本、發(fā)電性能穩(wěn)定等優(yōu)勢成為太陽能光伏電池的首選，發(fā)展前景樂觀。

2.1CIGS薄膜太陽能電池特性

(1)光吸收系數(shù)高

CIGS屬直接帶隙半導(dǎo)體，吸收系數(shù)高達(dá)10am一，電池吸收層厚度可以降低到1～2m，這樣就極大地降低了原材料的消耗，減輕了In等稀有元素的供應(yīng)壓力。

(2)轉(zhuǎn)化效率不斷提高

CIGS薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率不斷刷新。2011年實驗室研發(fā)的玻璃襯底小面積(O.5cm)電池片轉(zhuǎn)化效率達(dá)20.3%。最近，瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室(Em—pa)研發(fā)的柔性襯底CIGS電池的轉(zhuǎn)化效率已高達(dá)20.4%，進一步縮小了與硅晶電池差距。目前該實驗室已與瑞士FlisomAG開展合作，致力于該項技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。

(3)弱光性能出色

CIGS薄膜太陽能電池不僅在陽光直射下具有較高的轉(zhuǎn)化效率，其弱光特性也是其他電池所無法比擬的。研究表明，在太陽輻射強度不太理想的地區(qū)，CIGS薄膜電池一天或一段時間內(nèi)的累計發(fā)電量要遠(yuǎn)高于其他類電池。圖2為照射光輻射強度對玻璃襯底CIGS薄膜電池轉(zhuǎn)換效率的影響。標(biāo)準(zhǔn)光強照射條件下光電轉(zhuǎn)換效率為14%左右，光強降到5mW/cm時，仍有1O%左右的光電轉(zhuǎn)換效率，當(dāng)光強進一步降到0.1mW/cm時，效率相應(yīng)降到3%左右。Virtuan等研究了銅含量不同的CIGS薄膜電池在低輻射強度下的性能參數(shù)情況，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，Cu含量的適度降低可以極大提高電池的弱光特性。貧銅含量下，電池轉(zhuǎn)換效率大約為標(biāo)準(zhǔn)銅含量時的2.6倍，填充因子和開路電壓也有顯著提高。這表明CIGS薄膜電池的弱光性能可以通過銅含量的適度偏離得到極大改善。

(4)生產(chǎn)成本低目前CIGS薄膜電池的生產(chǎn)成本在1.2美元/瓦左右，與單晶硅電池相當(dāng)。隨著研究的不斷深入和生產(chǎn)規(guī)模的進一步擴大，預(yù)計成本小于0.3美元/瓦，如圖3所示。技術(shù)成熟后，制造成本和能量償還時間均低于硅系電池。

(5)禁帶寬度可調(diào)通過改變CIGS吸收層中Ga的含量，可以實現(xiàn)產(chǎn)物禁帶寬度在1.O4～1.68eV之間的可控性調(diào)節(jié)。鑒于吸收太陽能理想的禁帶寬度為1.45～1.5eV，通過帶隙優(yōu)化可使CIGS最大限度地吸收太陽能。

圖4顯示了高質(zhì)量CIGS太陽能電池量子效率圖。量子效率是指針對某一波長的入射光收集到的光電流與照射到薄膜表面的該波長的光子數(shù)之比。明顯地，量子效率越高，光電轉(zhuǎn)換效率越大。

從圖4中可以看出，CIGS薄膜電池的光譜響應(yīng)范圍較寬(350～1100rim)，約占太陽能輻射光譜能量的79%，光譜利用率高。

另外，在沉積CIGS吸收層時可制成具有Ga含量偏析的層狀結(jié)構(gòu)，使禁帶寬度呈梯度或V型分布。

圖5顯示了后偏析V型帶隙分布示意圖。如圖5所示，薄膜內(nèi)部存在帶隙極小點(1.0～1.1eV)，兩側(cè)帶隙較寬。這樣高能量光子在寬帶隙薄膜表面處被吸收，能量較小的紅外光子透過薄膜表面后在帶隙極小處被吸收，從而最大限度地提高光子的吸收效率。另外，后偏析V型帶隙分布由于在靠近Mo背電極附近的吸收層形成勢壘，減少了光生載流子在Mo背電極的復(fù)合，從而可獲得更多的電流輸出。

(6)抗輻射能力強

硅基太陽能光伏電池經(jīng)過較長一段時間使用后，或多或少存在熱斑現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)電性能減弱，增加維護費用。CIGS吸收層中的Cu遷移和點缺陷反應(yīng)的動態(tài)協(xié)同作用導(dǎo)致受輻射損傷的電池具有自愈合能力，從而保證了CIGS薄膜電池在強輻射下仍具有較高的發(fā)電效率。

(7)適用性強

CIGS薄膜電池可采用柔性不銹鋼為襯底，總厚度不足4m，柔軟、輕便、可折疊、不易破碎，可以針對客戶的不同需求，設(shè)計成任意形狀和尺寸的電池板塊，應(yīng)用范圍廣泛。

2.2CIGS薄膜太陽能電池發(fā)展現(xiàn)狀

美國以國家可再生能源實驗室(NREL)為研發(fā)中心，制備的小面積高質(zhì)量CIGS薄膜電池一直保持較高的光電轉(zhuǎn)換效率，GlobalSolar和ShellSolar實施產(chǎn)業(yè)開發(fā)。其中，ShellSolar采用Cu、In、Ga濺射成膜，然后硒化的技術(shù)路線，所開發(fā)的4Ow電池組件的轉(zhuǎn)化效率為12.1%。GlobalSolar同樣采取濺射硒化的技術(shù)路線，研發(fā)的900cm。電池組件轉(zhuǎn)化效率達(dá)13.2%。

日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機構(gòu)(NEDO)1994年啟動CIGS產(chǎn)業(yè)化開發(fā)項目，以ShowaShell和Panasonic為主要研發(fā)機構(gòu)。其中，ShowaShell采取Cu、In、Ga濺射成膜然后硒化的技術(shù)，所研發(fā)的3459cm電池組件效率達(dá)13.4%，7376cm2電池組件效率達(dá)l1.7，并且其10kW規(guī)模級中試生產(chǎn)線已投產(chǎn)。而Panasonic采用共蒸發(fā)工藝，雖然轉(zhuǎn)化效率達(dá)15～16%，但電池性能不穩(wěn)定，未能實現(xiàn)中試生產(chǎn)。

德國以wurthSolar為主要研發(fā)機構(gòu)，采取Cu、In、Ga、Se共蒸發(fā)，然后進行二次硒化的技術(shù)，成功制備了60cm×120em大面積電池組件。

表2列出了世界主要CIGS廠商生產(chǎn)的大面積電池組件性能。特別要指出的是，美國Nanosolar采用納米涂覆(即將CIGS納米粒子涂覆在鋁箔基板上)制成可繞式CIGS薄膜電池組件，其發(fā)電成本只有0.99美元/瓦。美國Miasole以不銹鋼為襯底，采用濺射硒化工藝制備的1m。CIGS薄膜電池組件的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到15.7%。

與歐美、日本等發(fā)達(dá)國家相比，中國CIGS薄膜太陽能光伏產(chǎn)業(yè)起步較晚，技術(shù)相對落后。南開大學(xué)以國家十五期間“863”項目為依托，對CIGS薄膜電池工藝技術(shù)進行了系統(tǒng)研究。目前，實驗室技術(shù)已基本成熟，制備出的29cm×36cm電池組件(有效面積804cm)的光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)7，實現(xiàn)了從實驗室小面積研發(fā)到大面積中試生產(chǎn)的跨越。山東孚日光伏科技有限公司采用世界領(lǐng)先的CIGS薄膜電池組件并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)和孚日光伏自主制造的CIGS薄膜電池組件，成功安裝了集團棉紡二廠CIGS光伏屋頂電站。電站計劃總安裝規(guī)模3000kW，建成后每年可發(fā)電330萬kW˙h，設(shè)計運營壽命為25年，總發(fā)電量為8250萬kW˙h。規(guī)模化生產(chǎn)的大面積CIGS電池組件的轉(zhuǎn)化效率與實驗室制備的小面積電池組件相比仍存在較大差距。鑒于此，進一步探究CIGS薄膜電池光電轉(zhuǎn)化的影響因素和機理，優(yōu)化工藝技術(shù)路線，對加快CIGS薄膜電池的產(chǎn)業(yè)化進程，提高市場占有率具有重要意義。

3、結(jié)語

硅基太陽能光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率和市場占有率仍高于cIGS薄膜電池。但隨著硅原料供應(yīng)的日趨緊張，CIGS太陽能電池的投資成本優(yōu)勢將進一步顯現(xiàn)。CIGS薄膜電池基礎(chǔ)研發(fā)的不斷深入和生產(chǎn)廠商的相繼建立，勢必會帶來太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的重大變革。然而，大面積CIGS太陽能電池組件的轉(zhuǎn)化效率不高仍然是制約CIGS產(chǎn)業(yè)化進程的瓶頸。鑒于此，進一步弄清CIGS薄膜電池的光電轉(zhuǎn)化機制和影響因素，基于理論優(yōu)化工藝技術(shù)路線，就成為今后CIGS太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的重要研究方向。

(關(guān)鍵字：CIGS 光伏)