铜铟镓硒薄膜电池发展现状与商业化趋势

文 | 孙云

    铜铟镓硒[Cu(In,Ga)Se2，简称CIGS] 太阳电池是在玻璃等廉价衬底上沉积厚度为3~4μm 薄膜的化合物半导体光伏器件，具有低成本、性能稳定、抗辐射能力强、光电转换效率高等特点。因CIGS 太阳电池弱光响应好、光谱响应范围宽，相同功率电站其发电能力比晶体硅太阳电池高5%~10％。此外，材料成本与制造能耗低，全部生产可在一个车间内完成。因此，CIGS 太阳电池是一种成本低、高性价比的太阳电池，具有很强的竞争优势。以金属箔或高分子聚合物薄膜为衬底的柔性CIGS 太阳电池总厚度约0.2mm（含衬底但未封装）， 具有轻质、可卷曲折叠、不怕摔碰， 此功率可达1500W/kg 以上， 是其它太阳电池所无法比拟的, 而且柔性CIGS 太阳电池允许以卷带方式连续化沉积，可进一步降低材料和生产成本，在军事及民用方面，具有更广阔的市场前景。

    国内外技术状况

    国外技术状况

    自1976 年美国缅因州大学首次报道铜铟硒（CIS）薄膜太阳电池以来，这项技术已经历四十余年的发展。其光电转换效率突破了20%，生产线制造的平米量级组件效率也已超过15%，基本达到了目前占据市场主流商品的多晶硅太阳电池转换效率水平。

    近年来柔性CIGS 太阳电池转换效率缩短了与玻璃衬底电池的差距，产业化技术开发得到了快速发展。

    在传统的CIGS 太阳电池中，虽然只有50nm厚的CdS 作为电池的过渡层，但也使其不能成为真正无污染的“绿色”电池。基于环保问题，由无镉材料来替代CdS 薄膜是发展CIGS 太阳电池的重要内容。目前所用的无镉缓冲层包括ZnS、Z n S e、( Z n , M g ) O、I n ( O H ) 3、In2S3、In2Se3、InZnSe3、SnO2、 SnS2 等。由美国能源部国家光伏中心（NCPV）与日本“新能源和工业技术开发机构（NEDO）”合作研制的无镉CIGS 电池效率达到18.6％ , 以及日本的Showa Shell 采用Zn(O,S,OH)x 作为缓冲层， 面积为3456cm2 的组件效率达到13.4%，二者均创造了无镉CIGS 电池组件效率的世界纪录。

    国内技术状况

    我国研究CIS 薄膜太阳电池在八十年代开始起步，由于这种电池技术难度大，发展前景不明朗，国家投入很少，因而我国研究CIGS 电池始终比较薄弱，一些早期研发单位没能坚持下来。南开大学在国家和地方政府少量经费资助下，一直坚持到“十五”期间得到科技部863 计划、天津市科技计划、保税区政府及南开大学的共同资助，开发建立了“铜铟硒薄膜太阳电池试验平台与中试基地”，对CIGS 电池材料和器件的认知更为深入和系统， 完全依靠国内自主开发的装备，在工程与技术上获得多项突破，玻璃衬底、不锈钢和聚酰亚胺柔性衬底CIGS 均取得了成果。

    目前国内已有多家机构进入CIGS 薄膜太阳电池研究领域，有的已经取得了标志性成果。

    中科院深圳先进技术研究院与香港中文大学合作，采用真空蒸发法制备玻璃衬底CIGS 电池，小面积电与82cm2 组件转换效率分别达到17% 和12.6%。近期又取得了重要突破，小面积电池转换效率超过18%， 创造了我国新的纪录，进入世界先进行列。该机构自主研发30cm×30cm 玻璃衬底CIGS 太阳电池中试生产线正在进程中。

    上海硅酸盐研究所以非真空涂覆后硒化方法制备出玻璃衬底小面积太阳电池达到13.8%，目前正在承担国家“十二五”863 中试项目，开发研究非真空法制备CIGS 太阳电池中试线。

    另外，上海空间电源研究所、中电十八所、上海技术物理所、清华大学、北京大学、北京低碳清洁能源研究所，华东师范大学也都做了大量的基础性研究工作以及工程性技术开发，电池转换效率尚未见到公开报道。

    CIGS 电池产业状况

    国外产业状况

    目前全球有上百家企业和机构置身于CIGS 太阳电池产业开发与研究，虽然每年有几十家企业离开这一领域，但同时又有几十家企业进入。突破设备与技术瓶颈且能够开发出大面积电池组件的为数不多。单机年产高于10MW 的生产线，并且能够制造出电池组件的企业只有德国Würth solar、Solibro、Solarion， 美国的Global Solar、Solyndra、Solopower、Ascent Solar， 日本的Solar Frontier、Honda 等公司。目前存在的问题主要是生产工艺的可控性、大面积组件的均匀性，以及产品一致性。另外，电池组件的良品率是重点要解决的关键技术。

    如今，光伏市场晶体硅太阳电池组件售价已经低于＄1 元/Wp。由于CIGS 太阳电池组件生产技术不十分成熟，产品良品率偏低致使成本缺乏竞争力，Solibro、Solyndra 等公司因此宣布破产。Würth solar 转给Manz，Honda 等企业也都停产；因低成本非真空纳米墨水印刷太阳电池而获5 亿美元投资的Nanosolar公司，以及电化学沉积制造CIGS 电池的Solopower 公司如今也已无声无息。目前Solar Frontier 建成的900MW 生产线仍然在继续提高生产技术， Miasole公司还在开发反应磁控溅射CIGS生产技术。

    中国CIGS 电池产业状况

    （1）台湾CIGS 电池产业

    台湾商品化意识很强，一些企业直接投资CIGS 太阳电池生产线开发， 台积太阳光电与美国Stion 合作、铼德旗下太阳海、绿阳公司、升阳科旗下新能公司投资6600 万欧元，2007 年从德国引进30MW 生产线等，都能够制造出大面积电池组件，但至今未见到这些企业批量化生产。

    （2）大陆CIGS 电池产业

    光伏市场火爆期间，一些境外公司或个人号称掌握全套CIGS 薄膜电池的生产技术，在内地寻找合作伙伴。国内十几家企业以引进技术名义圈钱圈地，拟投资数亿以至致百亿资金要上生产线。还有的企业论证不足，冒险投资十亿多人民币，引进数十兆瓦生产线，多年来不能如期投入批量生产，不仅给企业、地方和股民造成损失，也为CIGS 产业化投资披上了一层阴影。

    几年前，国外真正掌握CIGS 太阳电池核心技术的企业并不多，已经投产的国外公司技术不扩散，拒绝转让技术或卖生产线，特别是对于缺乏知识产权保护的中国更为严格控制。一些卖生产线，或寻求合作资金的公司或所谓团队，并不掌握CIGS 电池生产线的全套技术，不仅高价向中国销售设备，而且依靠中国资金开发生产技术，开发成功再将其高价出售。若失败其风险由中国企业承担。近年来，人们对CIGS 太阳电池产业化有了较为清醒的认识，不再忙于直接投资大规模生产线，更多的是投资在数千万元规模，开展中试技术研发，孕育着这一产业的突破。还有一些企业或研究机构， 其CIGS 中试线开发已经达到了一定的规模，出于某些原因尚未对外公开。

    CIGS太阳电池商业化的趋势

    CIGS薄膜太阳电池转换效率无论是实验室纪录，还是工业化生产大面积电池组件效率，均达到了多晶硅太阳电池转换效率水平。因此，实现大面积电池组件的规模化生产与降低量产化成本是目前CIGS电池技术发展的总体趋势。当前CIGS太阳电池产业化的障碍就是连续化制造CIGS电池组件良品率偏低，致使电池成本偏高，影响其商品化进程。

    根据CIGS 薄膜太阳电池生产流程，与工业化非常成熟的非晶硅太阳电池相比，在18 道工艺设备中只有4 道不同，其中最核心的只有电池吸收层CIGS 薄膜这一工艺环节。虽然CIGS 电池材料与器件结构复杂， 人们对其科学机理研究主要是继续提高其光电转换效率，对于产业化开发也主要是设备与工艺的高可靠性， 包括提高其在线可监控性，以保证工艺的稳定性与重复性。因此CIGS 薄膜沉积设备和工艺技术需要完善与创新。若突破单机年产20 兆瓦生产线的CIGS 沉积设备瓶颈，即可组合成上百兆瓦生产线，若干条生产线组合达到数百兆瓦产量，其产品成本即可在光伏市场具有很强的竞争优势。First Solar 创造的神话将会在CIGS 太阳电池显现。依靠国外提供全套生产线，即使未来太阳电池售价上升至1.2 美元/Wp，其投资成本之高也很难具有竞争优势。因此，以国产化为主产学研集成组合，自主创新与全球采购与研发等多边化合作，是低风险、快速而稳妥地发展我国CIGS 电池产业的有效途径。另外在世界经济最低迷时期收购国外最先进技术及生产线，将其在中国落地，消化吸收再创新达到国产化，可使我国CIGS 产业迅速达到世界前沿，大大缩短商品化时间，这也是我国快速发展的有效策略之一。

    由于CIGS 太阳电池综合性能是其它太阳电池无法比拟的，虽然涉及In、Ga、Se 等稀少的原材料，不能作为替代能源而大规模发展，但年产几十吉瓦是没有问题的。对于CIGS 独特的高比功率柔性电池，其外观色调高雅且弱光发电能力强的BIPV 光伏组件，仍然会保持一定的市场份额。虽然目前全球光伏产业十分萧条，但人们对CIGS 太阳电池产业发展仍然抱有极大的希望和热情。

    （作者单位：南开大学信息技术科学学院光电子研究所）