mile米乐集团 利用柔性 CIGS 太阳能电池实现 177% 的效率

独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长吉川博之]（以下简称“AIST”）太阳能研究中心[研究中心主任近藤道夫]化合物薄膜团队研究组长Sakae Niki（研究中心副主任）和研究员Shogo Ishizuka正在与帝人株式会社（以下简称“帝人”）合作研究非硅基材料CIGS薄膜大幅提高柔性太阳能电池的能量转换效率。该技术可生产陶瓷、金属箔和聚合物等多种产品。柔性板制造了高性能太阳能电池。

　使用CIGS（一种由铜（Cu）、铟（In）、镓（Ga）和硒（Se）制成的半导体材料的太阳能电池可以具有薄至几微米的光电转换层。利用这一优势，有望应用于可安装在曲面上并可携带的轻质柔性太阳能电池。到目前为止，提高柔性CIGS太阳能电池的性能一直很困难，但我们现在开发了新的碱添加控制技术和新的聚合物基板处理技术，显着提高了柔性CIGS太阳能电池的能量转换效率。

　该研究成果将在2008年7月28日至29日在国立科学技术博物馆举行的第四届产业技术研究院光伏研究中心成果发表会上以及2008年9月1日至5日在西班牙巴伦西亚举行的第23届欧洲太阳能发电国际会议上发表。第23届欧洲光伏太阳能会议暨展览会) 将会公布。

使用陶瓷基板（左）和聚合物基板（右）的柔性 CIGS 太阳能电池

　由于对日益恶化的环境问题和不断飙升的原油价格的担忧，人们对太阳能发电等新能源的期望和兴趣不断增加。

　CIGS太阳能电池具有以下优异特性：（1）高转换效率；（2）长期可靠性高，不会随时间劣化；（3）纯黑色的出色设计；（4）优异的耐辐射性，可用于外层空间等特殊环境。另外，能源回收时间 (EPT)目前已进入商业化阶段，国内企业已于2007年开始批量生产和销售面板式太阳能电池组件。

CIGS太阳能电池的另一个特点是光电转换层可以做得薄至几微米。通过使薄膜变薄，可以减少原材料的使用量，并且还可以弯曲。如果实现柔性、高性能的太阳能电池，将能够满足曲面安装、轻量化、移动性等需求，太阳能发电的进一步推广和广泛应用值得期待。

产业技术研究院以多维蒸镀CIGS光吸收层形成技术为基础，致力于开发(1)成膜原位观测和控制技术、(2)适合宽带隙CIGS的太阳能电池制造工艺的开发、(3)CIGS光吸收层晶体缺陷控制技术的开发、(4)利用自由基硒源的资源节约型成膜技术的开发。光伏发电研究中心不仅开展CIGS物性控制、评价等基础研究，还从事集成组件、柔性太阳能电池性能提升等面向产业化的应用研发。

　这项研究是在独立行政机构新能源和产业技术发展组织委托项目“太阳能发电系统未来技术的研究与开发”“CIGS太阳能电池高性能技术的研究与开发（2006-2016）”的支持下进行的。

　提高柔性CIGS太阳能电池效率所需的技术问题之一是在CIGS光吸收层中添加碱的问题。 CIGS 太阳能电池中使用钠 (Na) 等碱金属空穴载流子密度提高开路电压、提高开路电压等对于性能提升至关重要杂质（掺杂剂）为了提高柔性CIGS太阳能电池的性能，硒化钠（Na₂Se)或氟化钠(NaF)。然而，这些碱性化合物中的许多具有不稳定的物理性质，例如潮解性，并且难以处理，使得不可能以良好的再现性改进性能。

　在AIST，如图1所示，在形成背电极层之前，使用稳定的碱性化合物硅酸盐玻璃层（ASTL：碱硅酸盐玻璃薄层)并控制该层的成膜条件来控制穿过背面电极层并进入CIGS光吸收层的碱量（以下称为“ASTL方法”）。该技术使得碱的添加变得容易且重现性好，从而显着提高了CIGS太阳能电池的能量转换效率。采用ASTL方法以表面光滑的陶瓷作为基板制造的柔性CIGS太阳能电池是小面积电池。固有转换效率另外，即使使用表面稍粗糙的钛箔作为基材，也能够达到174％。 177%（图 2）是迄今为止报道的柔性 CIGS 太阳能电池的最高效率值。

图1 新开发的高效柔性CIGS太阳能电池的结构。 作为CIGS光吸收层的碱供给源，在背电极层下方形成硅酸盐玻璃的超薄膜层(ASTL)。 图3所示的栅格电极在表面透明电极层与防反射膜之间由蒸镀铝等形成。

		太阳能电池特性 能量转换效率：177% 开路电压：0660V 短路电流密度：354 mA/cm2 填充因子：0757
图2 使用ASTL方法在陶瓷基板上制造的柔性织物 CIGS太阳能电池的电流-电压特性（CIGS光吸收层在550℃形成）

图 3 柔性 CIGS 太阳能电池
（左）陶瓷基板	（右）聚合物基材

此外，轻质、绝缘且廉价的聚合物作为柔性基板材料也引起了人们的关注。然而，虽然CIGS光吸收层在500℃或更高的高温下形成时表现出高能量转换效率，但当使用聚合物作为基板时，必须在400℃左右形成膜。此外，聚合物基板的处理很困难，使得使用聚合物基板的CIGS太阳能电池难以获得高能量转换效率。迄今为止，世界上能源转换效率达到12%或更高的报道仅有少数。

　帝人开发的聚合物薄膜通过旋涂在玻璃基板上形成，在该聚合物薄膜上制造CIGS太阳能电池后，该薄膜可以很容易地从玻璃基板上剥离，如图3（右）所示。使用这种聚合物薄膜作为基板，采用 ASTL 方法制造的柔性 CIGS 太阳能电池不仅改善了操作性，而且由于碱添加的影响，开路电压和填充因子也显着改善，实现了 147% 的固有转换效率（图 4）。注意，CIGS光吸收层是在400℃下形成的。这一能量转换效率是目前使用聚合物基板的CIGS太阳能电池的最高效率。此外，使用这种聚合物基板可以使用与面板型太阳能电池模块相同的生产线工艺，其优点是无需引入专门用于柔性太阳能电池的新制造设备，例如卷对卷法。

		(a)―通过 ASTL 方法 转换效率：147% 开路电压：0619V 短路电流密度：360 mA/cm2 　填充因子：0658 (b) - 不添加碱 转换效率：122% 开路电压：0571V 短路电流密度：354 mA/cm2 　填充因子：0604
图4 在聚合物基板上形成的CIGS太阳能电池的电流-电压特性 (CIGS光吸收层在400℃形成)

　此次，我们将把小面积柔性CIGS太阳能电池实现的高效技术应用到实用水平的子模块尺寸，并致力于解决伴随规模化而来的集成工艺和良率提升等技术问题。

◆CIGS薄膜

Cu(In,Ga)Se，一种具有晶体结构的半导体材料，称为黄铜矿，由铜 (Cu)、铟 (In)、镓 (Ga) 和硒 (Se) 组成₂薄膜1974年，美国贝尔实验室建立了CuInSe₂/CdS 异质结太阳能电池的转换效率约为 5% 的报道开始，迄今为止，世界各地的大学、研究机构和私营公司一直在推进这种材料的研发和商业化。其特征在于，可以通过控制In、Ga等III族元素的组成比以及混入硫(S)来控制禁带宽度(带隙)。目前，美国可再生能源研究所报告称，使用非柔性玻璃基板的薄膜太阳能电池的最高有效转换效率为199%。[返回来源]

◆柔性板

与面板式 CIGS 太阳能电池模块中使用的玻璃基板不同，该基板可以像金属箔或聚合物一样弯曲。通过使用柔性基板，太阳能电池可以安装在曲面上，如果重量轻，则可以随身携带。[返回来源]

◆能源回收时间（EPT）

表示太阳能电池制造过程中输入的能量通过所制造的太阳能电池发电来恢复之前的时间。据称，CIGS太阳能电池年生产规模10MW大约需要12年，年生产规模100MW大约需要09年。[返回来源]

◆空穴载流子密度

当价带中的电子被激发到导带或受主能级等局域能级时，价带中会产生空穴，其行为就像没有电子的带正电粒子，在 p 型半导体中，它们在导电中发挥作用。物质中空穴的密度称为空穴载流子密度。[返回来源]

◆杂质（掺杂剂）

为控制半导体的极性（p型、n型）和载流子密度而添加的元素。[返回来源]

◆硅酸盐玻璃

具有稳定结构的网络状聚合物，其中碱金属、碱土金属等部分作为改性离子存在于氧化硅的网络结构中。[返回来源]

◆固有转换效率

根据排除栅极部分的太阳能电池区域的光接收面积计算的转换效率（活动区域效率）。有效转换效率由整个电池的面积确定 (总面积效率）。为了获得太阳能电池的官方转换效率认证，除了当前的固有转换效率之外，还需要认证机构对有效转换效率进行官方测量。[返回来源]

◆太阳能电池特性

太阳能电池一般通过使用太阳模拟器测量电流和电压来评估，其特性是能量转换效率（η）、开路电压（V_oc)，短路电流密度(J_sc)、填充因子 (FF) 和其他参数。电压为0V时的电流密度称为短路电流密度，无电流流过时的电压称为开路电压。转换效率为 η = V_oc×J_sc×FF 的关系。[返回来源]