CIGS薄膜发电更低成本的清洁挑战

太阳能发电，可持续、无污染，是代替化石能源的不二选择。目前，全球很多国家都试图通过发展太阳能来增加各自能源供应的独立性，同时达到推动经济增长和减少碳排放的目的。

太阳能技术路线之一的薄膜技术，尤其是CIGS（铜铟镓硒）薄膜发电技术近年来发展势头强劲，其占全球薄膜电池产量的比重从2011年的20.5%迅速上升至2013年的40.39%

CIGS薄膜电池有着多方面的先天优势，如成本低，CIGS电池采用了廉价的浮法玻璃做衬底，对大规模工业生产而言，如能保持比较高的电池的效率，电池的价格以每瓦计算会比相应的单晶硅和多晶硅电池的价格低得多。电池转化效率高，德国Manz集团在CIGS薄膜太阳能效率方面创下了21.7%的新世界纪录，与多晶电池的转换效率差距扩大为1.3%（晶硅纪录为20.4%）。并且CIGS薄膜电池有较好的稳定性，不存在光致衰退效应，在光照不理想的地区也能发挥其良好的特性。

最为关键的是，CIGS薄膜电池不像晶体硅电池那样在原材料提出过程中会产生大量污染，它的主要原材料为铜、铟、镓、硒，材料以及工艺制程中不存在污染问题，且上述四种原材料最大产地也均在中国，有利于增强能源的独立性。

2.1CIGS薄膜太阳能电池特性

（1）光吸收系数高

CIGS属直接带隙半导体，吸收系数高达10am一，电池吸收层厚度可以降低到1～2m，这样就极大地降低了原材料的消耗，减轻了In等稀有元素的供应压力。

（2）转化效率不断提高

CIGS薄膜太阳能电池的光电转化效率不断刷新。2011年实验室研发的玻璃衬底小面积（O.5cm）电池片转化效率达20.3%。最近，瑞士联邦材料科学与技术实验室（Em—pa）研发的柔性衬底CIGS电池的转化效率已高达20.4％，进一步缩小了与硅晶电池差距。目前该实验室已与瑞士FlisomAG开展合作，致力于该项技术的商业化应用。

（3）弱光性能出色

CIGS薄膜太阳能电池不仅在阳光直射下具有较高的转化效率，其弱光特性也是其他电池所无法比拟的。研究表明，在太阳辐射强度不太理想的地区，CIGS薄膜电池一天或一段时间内的累计发电量要远高于其他类电池。图2为照射光辐射强度对玻璃衬底CIGS薄膜电池转换效率的影响。标准光强照射条件下光电转换效率为14%左右，光强降到5mW／cm时，仍有1O%左右的光电转换效率，当光强进一步降到0.1mW／cm时，效率相应降到3%左右。Virtuan等研究了铜含量不同的CIGS薄膜电池在低辐射强度下的性能参数情况，结果如表1所示。从表1可以看出，Cu含量的适度降低可以极大提高电池的弱光特性。贫铜含量下，电池转换效率大约为标准铜含量时的2.6倍，填充因子和开路电压也有显著提高。这表明CIGS薄膜电池的弱光性能可以通过铜含量的适度偏离得到极大改善。

（4）生产成本低

目前CIGS薄膜电池的生产成本在1.2美元／瓦左右，与单晶硅电池相当。随着研究的不断深入和生产规模的进一步扩大，预计成本小于0.3美元／瓦，如图3所示。技术成熟后，制造成本和能量偿还时间均低于硅系电池。

（5）禁带宽度可调

通过改变CIGS吸收层中Ga的含量，可以实现产物禁带宽度在1.O4～1.68eV之间的可控性调节。鉴于吸收太阳能理想的禁带宽度为1.45～1.5eV，通过带隙优化可使CIGS最大限度地吸收太阳能。图4显示了高质量CIGS太阳能电池量子效率图。量子效率是指针对某一波长的入射光收集到的光电流与照射到薄膜表面的该波长的光子数之比。明显地，量子效率越高，光电转换效率越大。从图4中可以看出，CIGS薄膜电池的光谱响应范围较宽（350～1100rim），约占太阳能辐射光谱能量的79%，光谱利用率高。

另外，在沉积CIGS吸收层时可制成具有Ga含量偏析的层状结构，使禁带宽度呈梯度或V型分布。图5显示了后偏析V型带隙分布示意图。如图5所示，薄膜内部存在带隙极小点（1.0～1.1eV），两侧带隙较宽。这样高能量光子在宽带隙薄膜表面处被吸收，能量较小的红外光子透过薄膜表面后在带隙极小处被吸收，从而最大限度地提高光子的吸收效率。另外，后偏析V型带隙分布由于在靠近Mo背电极附近的吸收层形成势垒，减少了光生载流子在Mo背电极的复合，从而可获得更多的电流输出。

（6）抗辐射能力强

硅基太阳能光伏电池经过较长一段时间使用后，或多或少存在热斑现象，导致发电性能减弱，增加维护费用。CIGS吸收层中的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，从而保证了CIGS薄膜电池在强辐射下仍具有较高的发电效率。

（7）适用性强

CIGS薄膜电池可采用柔性不锈钢为衬底，总厚度不足4m，柔软、轻便、可折叠、不易破碎，可以针对客户的不同需求，设计成任意形状和尺寸的电池板块，应用范围广泛。