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1、最具发展前景的CIGS薄膜太阳能电池摘要: 能源危机、环境污染与温室效应是人类正面临的重大挑战,开发新能源和可再生清洁能源成为21世纪最具决定影响的技术领域之一。能源与人类社会的生存和发展休戚相关,可持续发展在人类社会已达成共识,人类社会不断... 能源危机、环境污染与温室效应是人类正面临的重大挑战,开发新能源和可再生清洁能源成为21世纪最具决定影响的技术领域之一。能源与人类社会的生存和发展休戚相关,可持续发展在人类社会已达成共识,人类社会不断进步,不仅使人们对能源的需求日益加剧,同时也对环境保护提出了越
2、来越高的要求;能源枯竭和环境污染已成为全球性的问题,所谓3E即能源(energy)、经济(economy)和环境(environment)成为人类文明可持续发展所面临的重要课题。 目前,应用最为普遍的化石能源,其数量有限,而且即将枯竭。全球已探明的石油储量只能用到2020年,天然气只能用到2040年左右,煤炭也只能维持一二百年。而我国正处于经济社会高速发展的时期,更是能源生产和消费大国,己探明的常规。 化石能源可开采年限比世界平均水平还要短,能源形势较之于其他国家也更为严峻。近几年来,一些经济发达地区的
3、雾霆天气逐年增加,2007年珠三角的灰霆天气就超过了100天,灰霆天气里的细粒子污染对身体的危害要比切尔诺贝利核辐射还严重,严重危害了人体健康,影响了人们的正常生活,城市周边地区的酸雨影响农作物的正常生产;温室效应使地球温度在最近100年里上升了约1℃。2008年我国春节雪灾等灾难性天气的频发等,进一步引发了人们对能源与环境的思考。因此,为了维持人类的生存与发展,寻找替代能源以解决未来人类对能源的需求和对环境的保护已成燃眉之急。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源,作为太阳能利用的重要手段之一,对
4、太阳能电池的研究与开发也变得日益重要。 一、迅速发展的CIGS薄膜太阳能电池 目前,光伏应用的太阳能电池主要有两类,按所用光伏材料分为结晶型和薄膜型2类,即晶硅片太阳电池和薄膜太阳电池。结晶型材料有单晶硅(c-Si)、多晶硅(poly-Si)等,其优势是光电转换效率高,其中单晶硅太阳电池实验室最高水平转换率达25%,工业化水平一般为14%~18%。目前,晶硅太阳电池已经商品化,占据光伏市场份额的85%以上。薄膜型光伏材料有非晶硅(a??Si)、铜铟硒(CuInSe2,简称CIS)和铜铟镓硒(CuInGa
5、Se2,简称CIGS)、碲化镉(CdTe)等。薄膜太阳电池的优势是易于大面积连续生产,成本低。但还存在一些尚需解决的问题,例如非晶硅薄膜电池的效率仅为7%左右,并存在光致衰减现象;CdTe薄膜电池的实验室效率达16.5%,但由于Cd元素有毒,对环境和人体带来潜在的危害;CIGS薄膜电池的实验室效率高达19.9%,但存在组分多、结构复杂,大面积生产的均匀性问题。 然而,2003年起由于原材料硅的价格增长,每千克价格由2003年的$24飞涨至2008年的$500,使得光伏产品的价格维持在较高的水平,今后20年
6、光伏行业用硅30%的增长率和IC行业10%的增长率将会加剧硅原料供应的紧缺。薄膜光伏产品在2006年产量为150MW,预期在2010年、2020年和2030年的年产量分别有望达到1GW、7.5GW、133GW,在光伏产品的市场占有率也将由2006年的8.6%上升到2010年、2020年和2030年的20%、22%和35%。 作为最具发展前景的薄膜太阳能电池,CIGS光伏产品以高光吸收系数、高转化效率、高稳定性、可调的禁带宽度、较强的抗辐射能力等优势不断地抢占市场份额,将成为新一代高效太阳能电池的主流产品,
7、10年后仅CIGS光伏组件的产量将达GW/a的水平,可以帮助整个光伏产业保持30%的增长率。二、CIGS薄膜太阳电池的组分及掺杂 特性 CIGS薄膜为四元化合物半导体材料,要得到精确化学计量比的材料是非常困难的。黄铜矿结构的CIGS晶体材料才具有良好的光电特性,是一种优质的太阳电池材料。有研究表明,在少量缺铜的情况下,黄铜矿结构的CIGS单晶容易制备。而且组分偏离化学计量比越小,元素的组分越均匀,结晶度越好,晶体的结构越单一。相反,当材料组分偏离化学计量比时,表现出不同的导电特性。当Cu、In、Ga不足
8、时,Cu、In、Ga的空位表现为受主;而当Se过量时,Se空位也表现为受主,此时薄膜表现为p型。当Cu、In、Ga过量时,间隙Cu、In、Ga表现为施主;Se不足时,Se的空位也表现为施主,此时薄膜材料表现为n型。通常,高效CIGS太阳能电池都是采用富In的薄膜材料,而富Cu的薄膜材料相对效率低。 在一定的范围内改变Ga组分的含量并不改变CIGS的载流子的浓度,因为Ga原子是以替代位的形式处在In的位置上。CI
