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          铜铟镓硒太阳能电池产业发展现状及对策

          2020-10-10 08:10:55

          晶体硅和薄膜太阳能光伏电池是现在乃至未来十年的两大主要技术阵营,晶体硅太阳能电池以高转化效率在过去和现在都主导着全球光伏市场。2011年以来,全球光伏产业在经历高速发展后,带来的是产能严重过剩,多晶硅价格暴跌,大批企业濒临破产。再加上如今遭到欧洲、美国、印度的光伏“双反”,中国光伏企业对外市场环境越发恶劣,出口市场严重受阻,占全球2/3产能的中国光伏产业发展整体陷入危机。历史经验表明:每次危机都会孕育着新的技术突破和新的产业变革。在上述背景下,铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池由于其光电转换效率居目前各种薄膜太阳能电池之首、生产成本较低、性能比较稳定、抗辐射能力强,并且不在美欧的“双反”之列,而被越来越多的投资者所关注,并被誉为下一时代Z有前途的廉价太阳能电池之一,有可能成为未来光伏电池的主流产品之一。


           


          一、CIGS薄膜太阳能电池概况


           


          一般而言,薄膜太阳能电池主要包括硅基薄膜电池(分为非晶硅、微晶硅和多晶硅薄膜电池三种)、碲化镉(CdTe)薄膜电池、铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池、砷化镓(GaAs)薄膜电池、染料敏化太阳能电池(DSSC)等五类。从上述几类薄膜太阳能电池的发展现状看,2011年,全球非晶硅薄膜太阳能电池的产量约为2144MW,占全球薄膜太阳能电池总产量的46.7%;碲化镉(CdTe)薄膜电池的产量约为1960MW,占全球的42.7%;铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池的产量约为484MW,占全球的10.6%。CIS是铜铟硒(CuInSe2)的缩写,是一种Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族三元化合物半导体材料。由于它对可见光的吸收系数非常高,所以是制作薄膜太阳能电池的优良材料。以P型铜铟硒(CuInSe2)和N型硫化镉(CdS)做成的异质结薄膜太阳电池具有低成本,高转换效率和近于单晶硅太阳电池的稳定性。近年来,国外研究机构将镓(Ga)替代CIS材料中的部分铟(In),形成CuIn1 -xGaxSe2(简称CIGS)四元化合物。由氧化锌(ZnO)/ CdS/CIGS 结构制作的太阳电池有较高的开路电压,转换效率也相应地提高了许多。CIGS薄膜太阳能电池在实验室已经达到20%以上的转换率,远高于其他薄膜电池。CIGS薄膜太阳能电池的制备工艺有真空技术和非真空技术,真空工艺主要有溅射和蒸发。对于溅射方法制备的CIGS薄膜需要后硒化处理改善薄膜的性能。非真空技术可以大大降低电池的制造成本,但电池的性能和效率低下。市场上CIGS光伏产品基本是真空工艺完成的,这样可以保证较高的转换效率和稳定性。相比其他太阳能电池,CIGS薄膜电池主要有以下几个优点(见表1)。


           


          一是生产成本较低。


          CIGS薄膜电池具备相对于晶硅电池的成本优势,CIGS电池可以采用玻璃、不锈钢或聚合物等廉价材料作为基底,生产成本是晶体硅太阳能电池的1/3-1/2。而对大规模工业生产而言,如能保持比较高的电池转换效率,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很多。此外,CIGS薄膜电池在光伏系统中采用后能量偿还时间仅为几个星期,远远低于晶硅太阳能电池。


           


          二是转换效率高。


          CIGS 是目前所推广的薄膜电池中转化效率较高的,目前实验室转换效率已经超过20%。如,由美国国家可再生能源实验室(NREL)研制的小面积CIGS太阳能电池的光电转换效率为20%,美国普尼太阳能公司(Optony)在实验室开发的聚光CIGS薄膜电池在高光强下达到21.1%的转换效率,美国Miasole公司生产的1.68平方米柔性铜铟镓硒(CIGS)太阳能光伏组件效率已达到15.5%,日本昭和壳牌(Showa Shell)公司生产的CIGS电池组件的转换效率也达到14.2%。上述几个综合性的技术指标已经非常接近多晶硅太阳能电池的较高水平,是当前其他种类薄膜太阳能电池所达不到的纪录。


           


          三是弱光效应好。


          CIGS薄膜电池的弱光效应是其较于晶硅电池的另一大显著优势。薄膜电池因为其弱光效应好,每天工作时间远高于晶硅电池的工作时间,这补足了其发光效率相对较低的不足。美国Shell Solar公司在自己的光伏制造工厂的屋顶安装了250kw的CIGS薄膜光伏发电系统。在阴天或阴暗气候条件下,CIGS薄膜电池比其他太阳能电池产生更多的电能,这表明CIGS电池不仅具有较高的转换效率,而且其弱光特性也是其他种类电池所无法比拟的,更适合用于高纬度地区和气候条件不理想的地区。


           


          四是电池性能稳定。


          无衰退是薄膜太阳能电池Z为关注的性能指标,单结非晶硅薄膜电池的衰退达到25%,非晶微晶叠层薄膜电池的衰退为10%左右。CIGS薄膜电池没有光致衰退效应,这一特点和晶硅电池相同。CIGS薄膜电池不存在光致衰退的问题早已被证实。西门子公司制备的CIGS薄膜电池组件经受7年的室外考验仍然表现出原有的性能。近年日本Showa Shell公司对11kw的CIGS电池方阵进行了户外测试,测试时间持续3年,结果表明CIGS 组件的效率没有发现任何的衰减,再次证明了CIGS 电池的稳定性。


           


          五是抗辐照性能好。


          美国波音公司对CIGS薄膜电池做过电子与质子辐照、温度交变、振动、加速冲击等试验,并把经过地面试验的电池装在卫星上运行一年,证明CIGS薄膜电池抗辐照性能十分优良,在空间电源方面具有很强的竞争力。


           


          六是Z适合光伏建筑一体化(BIPV)的应用。


          CIGS薄膜太阳能电池非常适合光伏建筑一体化应用,在实际应用中,某座建筑的双层玻璃封装刚性的CIGS薄膜太阳能电池组件,可以根据需要,制作成不同的透光率,可以部分代替玻璃幕墙,而不锈钢和聚合物衬底的柔性薄膜太阳能电池更适用于建筑屋顶等需要造型的部分。将CIGS薄膜太阳能电池应用于城市大量的既有和待开发的建筑外立面和屋顶,避免了现有玻璃幕墙的光污染问题,能替代建材,同时节能省电,这已经成为未来城市利用光伏发电的主要方向。


           


          表1 三种薄膜太阳能电池特性比较


           


          非晶硅薄膜


          CIGS


          CdTe


          主要材料



          铜、铟、镓、硒化合物


          碲、镉化合物


          光吸收层厚度


          0.2-0.5 12渭' type="#_x0000_t75"> m


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          光吸收能力


          非直接能隙材料,可吸收的光谱有限,吸收光子能量范围1.1-1.7ev。


          直接能隙材料,吸收范围广,吸收光子能量范围1.02-1.68ev。


          直接能隙材料,吸收


          范围广,吸收光子能量范围1.45ev。


          发电稳定性


          稳定性较差有光致衰减效应,Tandem可改善光致衰减效应。


          稳定性高,无光致衰减效应。


          稳定性高,无光致衰减效应。


          转化效率


          实验室:13.2%,组件:6%-10%。


          实验室:20%,组件:10%-14%。


          实验室:16.8%,组件:8%-13%。


          材料特性


          硅烷为主要原材料,因用量少而供应充足。


          硒/铟为稀有金属,难以应付全面性大量的市场需求,缓冲层硫化镉具有潜在毒性。


          碲为稀有金属,难以应付全面性大量的需求,碲、镉为有毒元素,受限环保法规及消费心理障碍。


          材料控制性


          产业界用硅技术成熟。


          四元素难以精准控制。


          二元素较CIGS易控制。


          材料成本


          高品质透明导电膜(TCO)玻璃价格高。


          靶材成本会比基板高。


          材料成本约占5成。


          常见成膜技术


          化学气相沉积法(CVD),溅射法(sputter)。


          溅射法(sputter)。


          蒸镀法(Evaporation),适用多种成膜技术。


          具备优点


          成本低,可用柔性衬底,发展成熟,可大量生产。


          原料稳定,效率较高,可用柔性衬底。


          效率较高,可用柔性衬底,发展成熟,可大量生产。


          具备缺点


          转换率低,稳定性差。


          工艺未标准化,铟、镓的蕴藏量有限。


          薄膜中成本高,模组与基材料占总成本50%,镉毒性大,碲天然蕴藏量有限,但是在铜、锌的矿床中有伴生,提炼也相对容易。




           


          虽然CIGS薄膜电池具有高效率和低材料成本的优势,但它也面临两个主要问题:关键原料铟的供应不足和缓冲层CdS具有潜在的毒性。


           


          一是从原材料的稀缺角度考虑,铟(In)和镓(Ga)将会限制CIGS 薄膜太阳电池的长期发展。铟是一种银白色稀有金属,没有独立矿物,广泛分布于铅锌矿中,是目前电子信息等高科技领域必需的金属材料之一。目前,全世界铟的地质储量仅为1.6-1.9万吨,而我国铟储量约1.3万吨,占全球储量的2/3。中国铟矿主要集中在云南、广西、内蒙古、青海、广东等地。除中国外,美国、加拿大、日本也是铟的主要生产国。目前我国大部分铟材料出口至日本和韩国,仅有少量被国内使用。由于铟材料的特殊性质和稀有性,我国已从2007年6月开始正式开始施行铟材料出口配额制。2011年我国精铟产量约为380吨,同比增长5.4%;出口额为105吨,同比下降20%;全年铟出口配额为233吨。相比铟而言,镓虽然也是一种稀有金属,但储量要比铟多许多倍。在我国内蒙古地区准格尔煤矿发现与煤伴生的超大型镓矿后,全世界镓储量大增。目前,全球镓的储量约为185万吨,其中我国储量约为95万吨,占全球的1/2。从CIGS 薄膜电池的材料构成来看,每兆瓦的CIGS薄膜电池消耗的铟的数量为45公斤。目前全球CIGS薄膜电池的产能在500MW左右,所需要消耗的铟的数量为22.5吨,远低于目前In材料的产出量。从技术角度而言,目前正在开展相关替代的吸收层材料研究,电池吸收层中尽量少用In和Ga元素。一些化合物材料,如锌黄锡矿(Kesterite)结构的Cu2ZnSn(S,Se)4 晶体,通过Zn和Sn各替代一半黄铜矿结构中的铟,可以作为薄膜电池的吸收层,而电池的其它工艺,如金属Mo电极、异质结的缓冲层和窗口层材料以及上电极材料和制备工艺,都与目前的CIGS薄膜太阳电池相同。


           


          二是镉(Cd)的污染问题。由于Cd会带来与环境污染相关的问题,包括CIGS制备过程和电池的使用过程中,终会发生微量的污染问题,因此无Cd缓冲层的工艺是目前研发的重点。无镉缓冲层可以分为含锌硫化物、硒化物或氧化物以及铟的硫化物或硒化物两大类,制备的方法主要是化学水浴法。已经能够用于生产大面积CIGS薄膜电池的无镉缓冲层有化学水浴法制备的ZnS和原子层化学气相沉积的In2S3。


           


          二、我国CIGS薄膜太阳能电池产业及应用的基本情况


           


          目前,我国CIGS薄膜太阳电池产业发展正处于起步阶段,相关研究工作正在开展,还没有形成产业链,具有以下几个特征:


           


          一是产业技术不断突破。


          我国CIGS电池的研究自20世纪80年代开始起步,早期研究单位有内蒙古大学、云南师范大学、中国地质大学和南开大学。但由于国家投入经费少,电池技术难度大,只有南开大学在天津市自然科学基金与国家科技攻关少量经费资助下勉强维持下来。在“十五”期间,CIGS电池被列入国家“863”重点课题,使之在我国有了长足发展。南开大学开发建立的CIGS电池实验平台具备CIGS薄膜太阳电池各层薄膜的制备手段,可制备10cm×10cm以下面积的CIGS薄膜电池器件和材料,包括多元共蒸发,直流、射频、中频溅射,单靶、双靶混合溅射,电化学与化学溶液沉积(CBD)、真空硒化与非真空硒化,激光划线与机械划线等设备装置等。目前,我国大陆已有多家单位进入CIGS薄膜电池研究领域,如北京大学、清华大学、上海大学、中电18所、上海空间电源所、中科院深圳现代技术研究院、上海技术物理所、上海硅所等,采取不同的技术路线制备CIGS薄膜,基本上处于基础研究阶段。有的机构已经制备出CIGS薄膜电池,但尚未见到电池组件转换效率的报道。还有的机构投入巨资引进国外制造设备,开发柔性衬底CIGS电池中试线,目前尚属于起步阶段。


           


          二是产业规模不断扩大。目前,CIGS组件已经取代硅基薄膜成为转换效率较高,性能稳定、成本较低的新产品,而且对比晶硅的优化转换率,CIGS目前商业化的成绩已经表现出极大的成本优势。相关资料表明,2009年,我国CIGS薄膜太阳能电池销售量为0.09GW,到2010年销售量已经增长为0.3GW,同比增长233.3%。2011年,我国CIGS薄膜电池销售量为0.6GW,同比增长100%,增长速度位居薄膜太阳能电池之首。目前,国内CIGS在建(拟建)项目中,广东、山东、江苏、广西等地各有2家,四川、辽宁、山西、安徽等各有1家。


           三、我国CIGS薄膜太阳能电池产业发展存在的问题


           


          当前,我国CIGS薄膜太阳能电池产业发展虽然取得了一定成就,但是从产业自身的发展来看,仍存在一些问题。主要表现在以下几个方面。


           


          一是CIGS薄膜电池转换效率仍待提高。


          与国际先进水平相比,我国CIGS薄膜太阳能电池转换效率相对较低,目前我国量产的CIGS薄膜电池组件的效率一般在8%-10%之间。而国际上量产的CIGS薄膜电池效率一般在11%-15%之间。根据SolarPlaza对全球前十大CIGS电池制造企业电池转换效率的排名,我国昌盛日电CIGS薄膜电池组件的转换效率为11.4%,而美国Miasole公司的转换效率已高达15.5%,差距非常明显(见表2)。目前,国际上CIGS的实验室转换效率已达20%,接近晶硅电池的实验室转换效率。但大规模商业量产和明显技术优势尚未出现,这使得我国企业通过自主创新路线,掌握关键核心技术,从事高附加值的CIGS薄膜太阳能电池制造的构想成为可能。


          表2 全球量产CIGS薄膜电池组件转换效率排名


           


          制造商


          国别


          2011年转换效率


          2012年转换效率


          1


          MiaSole


          美国


          13.1%


          15.5%


          2


          Q-Cells


          德国


          12.7%


          13.4%


          3


          Solar Frontier


          日本


          12.6%


          13.1%


          4


          Avancis


          德国


          12.6%


          12.6%


          5


          .Global Solar Energy


          美国


          12.6%


          12.6%


          6


          Yohkon Energia


          西班牙


          12.3%


          12.3%


          7


          Nanosolar


          美国


          12.0%


          12.0%


          8


          Honda Soltec


          日本


          11.6%


          13.5%


          9


          昌盛日电


          中国


          11.4%


          11.4%


          10


          Heliovolt


          美国


          11.3%


          11.3%


          资料来源:SolarPlaza。


           


          二是CIGS薄膜电池制备关键核心技术缺乏。


          目前世界上掌握CIGS薄膜电池生产制造核心技术的企业,几乎都是采用自主研发技术,而且设备与技术一体化,大部分设备厂商只提供整个流程中某些工艺的解决方案。与硅基薄膜电池不同,CIGS电池专业的设备供应商还很少,而且到目前为止还没有成功量产化的案例,这需要生产者的团队具备较强的工艺技术实力,以及设备开发与整合能力。日本Solarfrontier公司的设备和工艺都是自主开发的,设备是不在市场销售的。其他各家也基本如此。中国企业基本是花大价钱购买国外设备,但设备不代表工艺技术,也就意味着不一定能成功量产。当前,国外对CIGS薄膜电池制备技术严密封锁,已投产的公司技术不扩散,拒绝转让技术或出售生产线,对于中国更为严格控制。目前出售生产线的公司,往往并不掌握CIGs电池生产线的全套工艺技术,甚至是核心技术,借用他人资金研发CIGS电池生产技术,将风险转嫁给投资企业。国内企业没有掌握核心技术,而投资上百兆瓦CIGS电池生产线,很大程度上是在于“圈钱圈地”。此外,我国国内企业重引进、轻视自主研发,过度依赖国外技术资源,使得当前我国CIGS薄膜电池产业专业研发团队稀缺,产业化缺乏基础研究,专业人才严重不足,企业发展得不到有效的技术支持。


           


          三是CIGS薄膜电池产业有待政策支持。


          目前,我国CIGS薄膜电池产业还处于产业的快速成长期,产业体系尚不健全,整体的配套政策、技术水平和市场情况处于一个发展摸索阶段,细分产业链不够完整,技术对外依存度高。社会上对高新技术自主创新与研发认知不足,缺乏产业化前期投资机制,使自有核心技术的产业研发缺少资金保障。因此,我国CIGS薄膜电池产业的发展亟需政府政策扶持。


           


          四、政策建议


           


          一是加强政府政策扶持。我国CIGS薄膜电池产业的发展正处于起步阶段,政府有效的政策扶持是产业发展的关键。通过落实《可再生能源发展“十二五”规划》等相关规划及金太阳示范、太阳能光电建筑应用示范工程等工程,统筹制订产业、财税、金融、人才等扶持政策,积极促进我国CIGS薄膜电池产业健康发展。


           


          二是支持企业自主创新。加强资金投入,支持行业企业和科研机构开展CIGS薄膜电池应用基础研究,提升自主创新能力。由于CIGS的工艺和设备要求复杂,国际上尚未形成标准生产工艺和技术垄断企业,因此必须支持中国企业立足自主创新,通过引进设备或与国外设备企业合作等形式加快CIGS薄膜电池的产业化。如,孚日光伏引进德国Johanna Solar公司的60MW生产线,哈尔滨高科技集团与美国普尼公司合作研发CIGS的生产工艺等。同时结合国内或联合国内已经有较好研究基础的高校和科研机构, 帮助企业尽快吸收和掌握国外先进技术。加强产学研结合,支持关键共性技术研发,全面提升国产化CIGS制备设备技术水平。加大人才培养力度,支持企业建立企业技术研发中心与博士后科研流动站。


           


          三是完善行业标准体系。重视产品和标准体系建设,加快建立CIGS薄膜太阳能电池产品和发电系统的技术标准和监管体系,将一些有重大影响的企业标准及时转化为强制性国家标准,积极参与制订国际标准,推动建立产品检测认证、监测制度,促进行业的规范化、标准化发展。推动企业加强CIGS薄膜电池产品回收。


           


          四是加强行业组织建设。建立健全CIGS薄膜电池行业组织,推动推动行业自律管理,加强行业交流与协作,打造国内CIGS薄膜电池产业合作创新平台。以行业组织为纽带,以企业为主体,以市场为导向,提高CIGS产业应对国际竞争和市场风险的能力。


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