薄膜太阳能电池及制造工艺课件

薄膜太阳能电池及制造工艺1精选ppt课件2021地球天然资源有限，物以稀为贵，原油价格将持续飚涨世界和中国主要常规能源储量预测I.太阳能电池技术及光伏产业背景知识2精选ppt课件2021全球能源短缺，而且分布不均匀，尤其是发展中国家能源匮乏。NASA拍摄的地球夜晚卫星图片3精选ppt课件20211928年与2004年阿根廷的冰川消退对照温室效应使地球平均气温持续升高4精选ppt课件2021京都议定书的实施，世界各国降低温室气体排放，实行减碳措施，重视地球环保，开发洁净新能源刻不容缓。5精选ppt课件20212006年中国一次能源消费构成能源消费结构不合理—煤炭比例过高6精选ppt课件2021中国未来电力发展的预测（中国电力科学院）电力缺口逐年增加7精选ppt课件2021人类未来50年面临的十大问题，以“能源”问题为首。8精选ppt课件2021我们可以怎样解決能源危机？1.增加及改善能源(煤、石油、天然气)的生产

2.节约及保护能源3.利用其它能源(可再生能源)9精选ppt课件2021缺点：有限资源；价格昂贵；环境破坏。非再生能源(Non-renewableenergy)A.煤B.石油C.天然气10精选ppt课件2021节约及保护能源把不需要的电器用品关掉。减少在夏季使用冷气的机会。尽量使用公共交通工具。使用节省能源的汽車或机器。11精选ppt课件2021寻找新型清洁能源是解决问题的唯一途径可再生能源不断补充（Constantlyreplenishing）用之不竭（Inexhaustible）分类太阳能、风能、生物能、地热能、水利发电、氢能、海洋能12精选ppt课件2021使用其它能源(再生动力资源)水力发电

(H.E.P)风力发电

(WindPower)13精选ppt课件2021地热能发电太阳能发电14精选ppt课件2021潮汐发电15精选ppt课件2021可再生能源的优点环保（Environmentalbenefits）可持续（Sustainability）能源安全（Energysecurity）16精选ppt课件2021太阳给地球1.5天提供的能量相当于全球可供开采石油的总量（3万亿桶）。太阳给地球1小时的能量可供全球人类使用一年。

太阳提供给地球1秒钟的能量，相当于2008年汶川8.0级地震所释放的能量。1、数量巨大：太阳能够给地球提供惊人的能量。太阳能的优点：太阳能：唯一的兆兆瓦量级再生能源！地球上几乎所有地方都能使用太阳能。17精选ppt课件2021世界能源发展趋势2、时间长久：太阳能发电在全球未来能源结构中扮演着重要的地位。太阳能：取之不尽，用之不竭！18精选ppt课件20213、普照大地太阳辐射能“送货上门”，既不需要开采和挖掘，也不需要运输。普天之下，无论大陆或海洋，无论高山或岛屿，都一视同仁“。既无”专利“可言，也不可能进行垄断，开发和利用都极为方便。世界太阳能资源地图阳光对地球各个地区的供应比其他资源的供应公平得多。19精选ppt课件20214、清洁安全①对防止地球温暖化，减轻对地球环境的贡献从太阳能发电系统排放的二氧化碳，即使是考虑其生产过程的排放量，也绝对少于传统的燃料发电设备，是防止地球温暖化的环保设备。同时在发电时，不排放氧化硫，氧化氮等污染物,减轻了对环境的压力。太阳能素有“干净能源”和“安全能源”之称。它不仅毫无污染，远比常规能源清洁；也毫无危险，远比原子核能安全。20精选ppt课件2021例:3ｋW太阳能发电系统对环境污染物的削减量石油替代量:729L/年减排放CO2能力:540kg-C/年森林面积换算:5544m221精选ppt课件2021②对能源和节能的贡献太阳能电池2.2年的发电量即可收回制造太阳能电池时使用的电力22精选ppt课件2021三分之二的国土面积年日照小时数在2200小时以上年太阳辐射总量大于每平方米5000兆焦。中国太阳能资源分布情况23精选ppt课件2021中国有12%国土面积为沙漠或戈壁滩，这些地区年日照小时数在3200小时以上，如果在这些地区全部安装太阳能电池发电，其电力足于供给全球使用。其发展潜力远远没有挖掘出来。中国沙漠戈壁分布情况24精选ppt课件2021太阳能的利用太阳能的利用可以分为两种：即光-热转化利用和光-电转化利用。太阳能集热器太阳能热水系统暖房太阳能热水器太阳能灶25精选ppt课件2021太阳能电池原理

太阳能电池（英文为SolarCell）是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照射，瞬间就可输出电流。在物理学上称为光伏（Photovoltaic）。简单的说，太阳光电的发电原理，是利用太阳电池吸收一定波长的太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。26精选ppt课件2021太阳能电池技术发展：第一代太阳能电池：结晶硅类，单晶硅、多晶硅太阳能电池。

第二代太阳能电池：薄膜太阳能电池，如硅基薄膜电池，CIGS

薄膜等。

第三代太阳能电池：量子点型新概念，新结构的电池，如染料敏化电池，有机薄膜电池，纳米结构电池等。第四代太阳能电池：热电子型。

27精选ppt课件2021太阳能电池转换效率世界记录28精选ppt课件2021高效太阳电池榜29精选ppt课件2021技术路线实验室最高转换效率批量生产效率组件成本（美元/W）优缺点晶体硅太阳能电池单晶硅24.70%17%2.29硅耗大、成本高多晶硅20.30%16%2.25硅耗大、成本高薄膜太阳能电池非晶硅薄膜电池12.80%6%-7%1.0-1.5硅耗小、投资大、有衰减其他聚光太阳能电池40.70%30%3效率高、成本高三种主要光伏发电技术比较30精选ppt课件2021太阳能光伏术语：光伏(Photovoltaic,PV)光能到电能的直接转换太阳能电池（Solarcells）太阳能电池模组（Solarmodules）太阳能电池板（Solarpanels）建筑光伏一体化（BuildingIntegratedPhotovoltaics，BIPV）非晶硅（amorphousSilicon,a-Si

）多晶硅（polycrystallinesilicon,

p-Si）单晶硅（crystallinesilicon,c-Si）铜铟镓硒（CopperIndiumGalliumDiselenide,CIGS）31精选ppt课件2021电池模组阵列32精选ppt课件2021TUV：德国莱茵技术监护顾问公司的简称，它的总部位于德国，是专门测试电子产品安全的研究机构，TUV的测试依据是按照IEC与VDE所订的安规测试规范条例测试，因其产品必须先取得TUV的安全认证后，才能在欧洲市场上销售。UL是英文保险商试验所（UnderwriterLaboratoriesInc.）的简写。UL安全试验所是美国最有权威的，也是界上从事安全试验和鉴定的较大的民间机构。它是一个独立的、非营利的、为公共安全做试验的专业机构。在美国，对消费者来说UL就是安全标志的象征。全球，UL是制造厂商最值得信赖的合格评估提供者之一。33精选ppt课件2021“CE”标志是一种安全认证标志，被视为制造商打开并进入欧洲市场的护照。CE代表欧洲统一（CONFORMITEEUROPEENNE）。凡是贴有“CE”标志的产品就可在欧盟各成员国内销售，无须符合每个成员国的要求，从而实现了商品在欧盟成员国范围内的自由流通。在欧盟市场“CE”标志属强制性认证标志，不论是欧盟内部企业生产的产品，还是其他国家生产的产品，要想在欧盟市场上自由流通，就必须加贴“CE”标志，以表明产品符合欧盟《技术协调与标准化新方法》指令的基本要求。这是欧盟法律对产品提出的一种强制性要求。必须由总部位于欧盟成员国的认证机构才可以签发证书。自80年代末以来，已有一批外资认证机构进驻中国。34精选ppt课件2021部件名称:太阳能电池：吸收太阳能,将太阳能转换成直流电能；控制器：控制蓄电池的充放电深度,延长蓄电池使用寿命；蓄电池：储存太阳能电池板产生的电能,必要时,向负荷提供直流电力；逆变器：将直流输入电力转换成交流电力输出。系统简介35精选ppt课件2021History-1975Waferedsilicontooexpensive36精选ppt课件2021History-1975WaferedsilicontooexpensiveWhatactuallyhappened37精选ppt课件2021IssuestodaySiliconpanelsPast:‘accidental’technologyPresent:cleartechnologyofchoice,continuedcostreductionFuture:‘crossroads’,butnotgoingawayThinfilmEfficienciesfinallybecomingcompetitiveButthere’smoretothestorythanjustefficienciesBestonbig,commercialroofswithlotsofspace?ConcentrationNolongerjustthermal-onlyButinstallersdon’twantmovingpartsPredicatedonsiliconbeingexpensive38精选ppt课件2021BenefitsanddrawbacksSiliconPVThinFilmConventionalConcentrationLowsiliconconsumption

Lowcost

Highefficiency

Lowmaintenance

Allclimates

39精选ppt课件2021CostDevelopment2002-2010SiliconWaferCellModule40精选ppt课件2021Reducedwaferthicknessover10years2000 2004 2005 2006 2007100 125 156 156 156

156/210mmlengthofwaferedge

Waferthickness,producedindustrially[µm]

mainthickness

400 340

330

330 300 300270 270 270

270

270 240 240

240

210 210 210 210 210

210

180

180100200300400Waferthickness[µm]41精选ppt课件2021

Siliconfoiltechnologydevelopment

EdgedefinedFilm-fedGrowthStringRibbonSiliconSheetfromPowderRibbonGrowthonSubstrate42精选ppt课件2021Thin-Filmdepositionof100meterplusrollsCell/SubmoduleManufacturingModuleFinishingDeploymentProcesstoProduct43精选ppt课件2021ProductstoMarketRuggedEnvironmentCommercialProductsStandardSolarModulesSiliconCellReplacement44精选ppt课件202145精选ppt课件202146精选ppt课件202147精选ppt课件202148精选ppt课件202149精选ppt课件202150精选ppt课件202151精选ppt课件202152精选ppt课件202153精选ppt课件202154精选ppt课件202155精选ppt课件202156精选ppt课件202157精选ppt课件202158精选ppt课件202159精选ppt课件202160精选ppt课件202161精选ppt课件202162精选ppt课件202163精选ppt课件202164精选ppt课件202165精选ppt课件202166精选ppt课件202167精选ppt课件202168精选ppt课件202169精选ppt课件202170精选ppt课件202171精选ppt课件202172精选ppt课件2021（三）、薄膜电池制造产业链分析在金融危机之前，高昂的多晶硅价格制约了光伏产品的应用发展，在这种情况下，不少人对低价的薄膜太阳能电池寄予厚望，认为它将是晶体硅电池最大的竞争对手。但是这场危机冲击得海外市场严重萎缩，导致多晶硅价格暴跌，因此业内又有了“薄膜电池优势不在”的论断。“这些年薄膜电池在太阳能电池领域中一直处于一种非主流位置，主要原因就是效率不高。在发现衰减效应后，当时的非晶硅太阳能薄膜电池变成了一种弱光电池，用于手机、表、计算器等小物品上。我国引进了该技术后发展迅速，挤垮了很多国外企业，现在世界绝大多数的太阳能薄膜弱光电池都在中国生产。”

薄膜和晶体硅的应用领域有差异，晶体硅的转换效率高，使用面积小，用在屋顶非常有优势。但从客户角度看，他们最关心的还是系统电价，例如建大规模电站的话，薄膜电池就更有优势，因为面积大，系统电价就低。此外，做光电建筑一体化的话，薄膜电池也更有优势。”

“不能以转换率论英雄，价格才是核心。73精选ppt课件2021在光伏业内，关于硅基太阳电池与薄膜电池的博弈一直没有停止过，但是我们看到的事实却是：在技术创新意识和能力突飞猛进的21世纪，低价且有极大工艺改良性的产品永远能吸引投资者的目光。所以，在光伏建筑一体化愈演愈烈的今天，在“中国百万屋顶”、“金太阳工程”政策指引下，薄膜电池将在这一领域拥有绝对的优势。建设1兆瓦光伏电站晶硅/非晶薄膜组件比较

晶硅组件非晶薄膜组件电站造价2800-3000万元1000-1500万元年发电量

晶硅电站高出10-15%每度电的发电成本

晶硅的40-45%74精选ppt课件2021薄膜电池大规模商用的前提是提高光电转换效率。虽然薄膜电池的技术在几十年间有了突飞猛进的发展，但截至目前，没有一家薄膜太阳能电池公司宣布，转换效率超过10%，一般在6%左右，浙江正泰号称其光电转换效率达到9%，这在行业内已经属于最高。即便如此也只是硅基电池的一半。不过，由于耗电省、造价低，成本优势显现，薄膜电池开始受到青睐。一些多晶硅电池企业，也开始大手笔地引进薄膜电池生产线。更多的企业，直接开始制造薄膜电池，如河北保定的天威英利投资12亿元，从国外引进了46.5兆瓦的薄膜电池生产线，在今年8月28日已经开始量产。总部位于上海的强生光电，也在江苏南通、苏州等地开建薄膜电池示范区。但是，同国际领先水平相比，我国薄膜电池的研究存在一定的差距。

75精选ppt课件2021现在国际上发展比较成熟的太阳能薄膜电池包括三种，非晶硅太阳能薄膜电池、碲化镉太阳能电池和铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池，其中应用最普遍的是非晶硅太阳能薄膜电池，我国的很多企业和国外的EPVSOLAR、日本的Kenaka、夏普等都生产此种电池。碲化镉（CdTe）电池的主要生产企业是美国的Fisrtsolar，由于其中的镉元素有毒，该企业承诺回收所有废弃电池。CIGS电池由于所含元素多使其生产稳定性难以把握，重复性较差使其进行大规模产业化生产比较困难。所以尽管BP、壳牌公司等已将其光电转换率大幅提高，但产能扩展有限，现在只有少量企业在进行大规模量产。76精选ppt课件2021与晶体硅相比，硅基薄膜电池制造产业链短得多，整个工序在一家公司即可完成。硅基薄膜电池的生产流程图77精选ppt课件2021硅基薄膜太阳电池生产线78精选ppt课件202179精选ppt课件202180精选ppt课件202181精选ppt课件202182精选ppt课件202183精选ppt课件202184精选ppt课件202185精选ppt课件2021SolarCellRoll-to-RollProcessFlow

(w/30MWProductionToolCosts)CleanSubstrate(Futureprocessstep)SputterBackElectrodeSputterPrecursorSelenidePrecursor(13-inchtoolunderconstruction)CdSPlatedJunction(13-inchtoolunderconstruction)SputterTopElectrodePassivateDefects(Futureprocessstep)SlitintoReelsEdge&TestSendReelstoInterconnectandmoduleassemblyprocess$800K$1,200K$1,300K$700K$800K$700K$1,200K$800K$2,500KPost-depositionprocessisunderdevelopment86精选ppt课件2021CIGS简介銅銦鎵硒

CIGS(CopperIndiumGalliumSelenium)属于化合物半导体，CIGS随着銦鎵含量的不同，其光吸收范围可从1.02ev至1.68ev。

若是利用聚光裝置的輔助，目前轉換效率已經可達30%，標準環境測試下元件轉換效率19.5%，采用柔性塑料基板的最佳轉換效率也已經達到14.1%。美國「Nanosolar」公司获得重大突破，研發出rolltoroll的方式-CIGS薄膜太陽能電池，不仅輕巧、可塑性高，更適合大量生產，能大幅降低成本。87精选ppt课件2021WhatisCIGS?PolycrystallineThinFilmPhotovoltaicSolarCellBasedontheCopperIndiumGalliumDiselenide(CIGS)MaterialSystemTypicalStructureMolybdenum/CIGS/

CadmiumSulfide/IndiumTinOxideFormedonSubstratesGlassStainlessSteelPolymerSLGorSSsubstrateMobackcontactp-typeCIGSabsorbern-typeCdSbuffern-typeZnO/ITOwindowAgtopcontactgrid0.5–1.5mm1.5–2.5mm0.03–0.08mm0.5–1.5mm1.8mm88精选ppt课件2021CIGS优势条件优於單晶光伏元件的要素:

(1)成本低

(2)製程能源需求低

(3)大面積元件高效率

(4)量產成品高良率

(5)應用範圍廣泛(玻璃基板、不銹鋼、塑膠聚合物、錫箔等可撓式基板)。优於其他薄膜光伏元件的要素:(1)元件轉換效率最高

(2)穩定度與抗輻射特性良好

(3)無環境污染以及量產阻碍

問題(4)無法克服劣質p型吸收層歐姆接點89精选ppt课件2021OpticalBand-Gap/Composition/EfficiencyAbsorberbandgap(eV)theoreticalHighefficiencyrange90精选ppt课件2021CIGS太陽能電池元件結構Glass/StainlessSteel/Polymer基板CIGS(1.5~2μm)Mo(0.5~1.5μm)背電極吸收層CdS(0.05μm)緩衝層i-ZnO(0.05μm)純質氧化鋅TCO(ZnO:Al)(0.5~1.5μm)透明導電層頂端電極Ni/AlSputterVacuummethodNon-VacuummethodChemicalBathdepositionSputter91精选ppt课件2021ZnO,ITO

2500ÅCdS

700ÅMo

0.5-1µmGlass,

MetalFoil,

PlasticsCIGS

1-2.5µmCIGSDeviceStructure92精选ppt课件2021CIGS太陽能電池元件結構通常使用鈉玻璃(Soda-lime)

基板，鈉玻璃除了價格便宜外，熱膨脹係數與CIGS吸收層薄膜相當接近。在成長薄膜時，因基板溫度接近鈉玻璃的玻璃軟化溫度，所以鈉離子將會經過鉬金屬薄膜層擴散至吸收層。當鈉離子跑至CIGS薄膜時，會使薄膜的晶粒變大，且增加導電性，降低串聯電阻。Glass/StainlessSteel/Polymer93精选ppt课件2021CIGS太陽能電池元件結構利用直流濺鍍或者電子束蒸鍍的方式沈積一層鉬(Mo)當作背電極，接正極。鉬金屬與CIGS薄膜具有良好之歐姆接觸特性，此外鉬金屬薄膜具有高度的光反射性、低電阻。Glass/StainlessSteel/PolymerMo(0.5~1.5μm)94精选ppt课件2021CIGS太陽能電池元件結構吸收層CIGS本身具黃銅礦结构(Chalaopyrite)，可以由化學組成的調變直接得到P-type或者是N-type。Vacuummethod(1)共蒸鍍(Co-evaporation)(2)濺鍍(Sputtering)Non-Vacuummethod(1)電鍍(Electrodeposition)(2)涂布制程(CoatingProcess)Glass/StainlessSteel/PolymerCIGS(1.5~2μm)Mo(0.5~1.5μm)95精选ppt课件2021CIGSModulesareFabricatedOn:I. Sodalimeglassasthesubstrate;cellsaremonolithicallyintegratedusinglaser/mechanicalscribing.MonolithicintegrationofTFsolarcellscanleadtosignificantmanufacturingcostreduction;e.g.,fewerprocessingsteps,easierautomation,lowerconsumptionofmaterials.96精选ppt课件2021CIGSModulesareFabricatedOn:(cont.)ThenumberofstepsneededtomakethinfilmmodulesareroughlyhalfofthatneededforSimodules.Thisisasignificantadvantage.Substrate

preparationBaseElectrodeAbsorberFirst

ScribeThird

ScribeTop

ElectrodeJunction

LayerSecond

ScribeExternal

ContactsEncapsulationCIGSModulesProcessSequence97精选ppt课件2021CIGSModulesareFabricatedOn:(cont.)II. Metallicwebusingroll-to-rolldeposition;individualcellsarecutfromtheweb;assembledintomodules.III. Plasticwebusingroll-to-rolldeposition;monolithicintegrationofcells.98精选ppt课件2021Vacuummethod-Co-evaporation1.In,GaandSewereCoevaporatedat400℃2.CuandSewerecodepositedwhilethesubstratetemperaturewasrampedupto580℃.3.In,GaandSewerecoevaporatedstillat580℃，ThesampleswerethencooledinSeatmospheredownto250℃3-stageprocess99精选ppt课件2021CIGS太陽能電池元件結構緩衝層硫化鎘可用來降低ZnO與CIGS間之能帶上的連續(banddiscontinuity)。使用化學水浴沉積法(chemicalbathdeposition，簡稱CBD)成長可提供CIGS上表面平整的均勻覆蓋。緩衝層要求高透光率，以便能使入射光順利進入主吸收層材料被有效的吸收。Glass/StainlessSteel/PolymerCIGS(1.5~2μm)Mo(0.5~1.5μm)CdS(0.05μm)100精选ppt课件2021化学浴沉积法化學浴沉积法(Chemicalbathdeposition)是一種製備半導體薄膜的技術，方法是將基板浸入含有金屬離子及OH-、S2-

或Se2-

離子的水溶液中，藉由控制水溶液的溫度及pH值，使金屬離子與OH-、S2-

或Se2-離子產生化學反應，形成化合物半導體沉积在基板上。101精选ppt课件2021CIGS太陽能電池元件結構透明導電膜(TCO)要低電阻、高透光率，但ZnO本身是高電阻材料，因此外加鋁重摻雜氧化鋅(ZnO:Al)改善其電性，但是會降低透光率，因此須在此找到最適合的摻雜濃度。多半利用RF濺鍍法(RFsputter)達成鍍膜。Glass/StainlessSteel/PolymerCIGS(1.5~2μm)Mo(0.5~1.5μm)CdS(0.05μm)i-ZnO(0.05μm)TCO(ZnO:Al)(0.5~1.5μm)102精选ppt课件2021CIGS太陽能電池元件結構蒸鍍上鎳/鋁(Ni/Al)金層當作頂層電極，接負極。Glass/StainlessSteel/PolymerCIGS(1.5~2μm)Mo(0.5~1.5μm)CdS(0.05μm)i-ZnO(0.05μm)TCO(ZnO:Al)(0.5~1.5μm)103精选ppt课件2021LaboratoryCIGSCoatingSystemPayoutandTakeupRollersCoatingDrumCuGaMagnetronSourceIndiumMagnetronSourceSeleniumEvaporationSourceFutureSelenizationDrum104精选ppt课件2021LaboratoryMetal&OxideCoatingSystemChrome&MolybdenumDepositionTransparentConductiveOxideDeposition105精选ppt课件2021ScalableDepositionTechnology13”Web

1-meterWeb

Pilot

16”diameterdrumto54”3depositionsourcesto1213”-widewebto39”-wideMinimalprocesschangesPilotLineVolumeProductionLine

Production106精选ppt课件2021InternallyDesignedEquipment

(13-inchCad-SulfideandSelenizationSystems)MuchlowermanufacturingcostsFasterturnaroundRapidcapacityexpansion107精选ppt课件2021Challenges108精选ppt课件2021Long-TermStability(Durability)ImprovedmodulepackageallowedCIGStopassdampheattest(measuredat85°C/85%relativehumidity).CIGSmoduleshaveshownlong-termstability.However,performancedegradationhasalsobeenobserved.CIGSdevicesaresensitivetowatervapor;e.g.,changeinpropertiesofZnO. -ThinFilmBarriertoWaterVapor -Newencapsulantsandlessaggressiveapplicationprocess• Stabilityofthinfilmmodulesareacceptableiftherightencapsulationprocessisused.Needforbetterunderstandingdegradationmechanismsattheprototypemodulelevel.109精选ppt课件2021ProcessingImprovements:I. UniformDepositionoverlargearea: (a)significantformonolithicintegration (b)somewhatrelaxedformodulesmadefrom

individualcellsII. Processspeedandyield:somefabricationapproacheshaveadvantageoverothersIII. Controlsanddiagnosticsbasedonmaterialpropertiesandfilmgrowth:benefitsthroughputandyield,reliabilityandreproducibilityoftheprocess,andhigherperformance110精选ppt课件2021ProcessingImprovements:(cont.)IV.ApproachestothethinfilmCIGSDeposition(cont.)2.ReactionofprecursorsinSeand/or