薄膜太陽能電池國產化之路

自2012年以來，薄膜太陽能電池似乎步入了寒風蕭瑟的嚴冬，顯得步履維艱。雖然各種薄膜電池的效率記錄不斷地被刷新，但在國內國際，眾多薄膜企業或破產或退出薄膜電池業務。與太陽能電池市場上晶矽電池的一片火爆相比，薄膜電池的市場份額顯得尤其寒酸刺眼。

 

2013年，由於轉化效率始終無法突破10%，且光致衰退效應嚴重，80%-90%的矽基薄膜太陽能電池廠商紛紛倒閉。同為薄膜類的砷化鎵電池由於成本太高，技術複雜，雖然隨著近些年技術的發展，成本有所降低，國外已有推廣至地面電站的案例，但在國內，其應用仍然局限於空間電源以及移動電源。

 

作為薄膜太陽能電池的主流技術，碲化鎘和CIGS太陽能電池為業界所看好，認為是未來太陽能電池的發展趨勢，尤其是CIGS電池。first solar和solar frontier分別作為碲化鎘電池和CIS太陽能電池的領頭羊不斷的刷新自己的效率記錄，並且實現產業化。在國內，隨著漢能、中建材以及上海電氣對國外CIGS廠商的收購和合作，距離CIGS太陽能電池在國內的量產化似乎只有咫尺之遙。但迄今為止，依舊只有龍焱一家實現了碲化鎘薄膜太陽能電池的量產，其規模也只有幾十兆瓦而已。除了柔性基底電池亮相市場，國產CIGS玻璃襯底組件卻依然缺席光伏市場的。

作為薄膜電池的從業者，我們真正的感受到了黑夜中蹣跚而行的艱難，面對一路的悽風苦雨，最為渴望的莫過於黎明的曙光撕破黑暗，春天的東風帶走寒冬殘留在身上的冷意。薄膜太陽能電池，你的春天，究竟何時到來？

非晶矽、碲化鎘、CIGS三大薄膜太陽能電池中，已經實現一定規模國產化的非晶矽電池隨著在光伏市場的不斷萎縮，已經不再是市場的寵兒，那麼其他兩種被寄予厚望的薄膜電池國產化進程為何會如此艱難呢？

1、原材料成本較高

碲化鎘及CIGS太陽能電池都需要一定量的稀有金屬元素，其中某些元素的提純存在很高的技術難度，未來一旦大規模產業化，由於優質原料的提純技術由國外所掌控，無疑會加重薄膜電池的生產成本。

 

以碲化鎘為例，據美國地質調查局(USGS)數據顯示，全球碲的儲量僅為2.4萬噸左右，主要分布在美國、秘魯、加拿大等國家和地區。而我國國內相關報導認為，全球碲的地質儲量為14.9萬噸，我國碲儲量約為2.2萬噸，我們姑且認為，全球碲的儲量在2.4萬噸和14.9萬噸之間。

如果按照製造1MW薄膜太陽能電池組件約需130-140公斤碲來測算的話，地球上的碲資源可以供100個年生產能力為100MW的生產線用17年到115年之間。

因此，樂觀看來，全球碲資源儲量是可以滿足生產需求的。但如果從經濟層面考慮，碲原料價格的不斷上漲卻成為碲化鎘電池產業發展的一大桎梏。2000年，當全球碲化鎘薄膜太陽能電池還沒有大規模生產時，碲原料價格每公斤僅為34.4美元，全球產量為110噸。但隨著碲化鎘薄膜電池產業的快速發展，碲原料的價格不斷攀升，2011年全球碲原料平均市場價格為每公斤349.0美元，12年間，全球碲原料價格上漲了十多倍(見圖1)。

當前全球只有美國FirstSolar量產碲化鎘電池，但是，如果今後有的新的廠家大量湧現，全球碲化鎘電池的產能不斷擴大，那麼這種稀缺性原材料碲的市場價格必然會瘋狂上漲，繼而導致碲化鎘薄膜電池的生產成本不斷增加，電池的經濟性也將不斷降低。

圖1 2000-2012年全球碲原料平均市場價格(美元/公斤)

                    數據來源：美國地質調查局(USGS)

2、設備產業化水平較低

今年4月，國家發改委、國家能源局下發了《能源技術革命創新行動計劃(2016-2030年)》，並同時發布了《能源技術革命重點創新行動路線圖》，其中，大幅提高銅銦鎵硒（CIGS）、碲化鎘（CdTe）電池效率，建立完整自主智慧財產權生產線被列為太陽能利用路線2030年重要目標。

CIGS以及CdTe薄膜電池製造核心設備基本都是非標的，國外沒有獨立的設備製造廠，全是電池製造廠掌握核心技術設備。如美國FirstSolar公司是全球唯一一家採用氣相輸運沉積(VTD)技術的企業。VTD技術是FirstSolar公司的專利技術，並嚴格禁止其他企業採用。國內廠家在試生產某種薄膜太陽能時，部分設備從國外進口，部分採用國產，由於缺少核心技術，導致整條線的各種設備的兼容性不理想。

總體而言，由於技術及裝備的落後，國內碲化鎘及CIGS太陽能電池絕大部分仍處於實驗室研發階段或者中試階段，雖然也有部分國內研究機構推出能夠生產大面積組件的中試線，但無論從量產效率和可靠性方面都與國際先進水平相差甚遠。

 

近些年，國外一些CIGS廠商如Solibro、GSE、Miasole、Avancis先後被國內企業收購，對中國的CIGS太陽能電池技術封鎖終於被打破，但對這些技術裝備的消化吸收仍有一段很長的路要走。我國發展銅銦鎵硒薄膜太陽電池產業需要兩條腿走路：一是堅持核心技術自主創新，不能只做裝備的搬運工；二是對國外先進生產線進行「引進消化吸收再創新」。

圖2南開大學CIGS組件中試線

 

3、工藝優化仍需不斷摸索

多元素化合物的材料結構、導電機制、以及工藝原理與矽電池材料有本質不同，機理比較複雜。對CIGS太陽能電池的半導體機理以及各膜層之間的相互作用進行探索，從而優化製作工藝，提高轉化效率是今後的一個重要課題。

①在CIGS電池的製作中，容易產生銦和鎵的二元氣相硒化物，使薄膜中的元素流失，從而導致工藝的重複性難以控制，良品率降低。因此在生產中需要充分考慮採取何種措施，改善工藝，減少元素的流失。

②無論是真空蒸發還是濺射後硒化工藝，如何做到既保證元素配比、晶相結構、電學和光學特性，又能保證保證大面積均勻，直接關係到電池轉化效率以及良品率。

③對無鎘CIGS太陽能電池的研發一直在進行。採用CBD法沉積的CdS層，屬於溼法鍍膜，與其他層的幹法鍍膜相比，顯得不協調，且鎘有毒，所以CIGS從業者一直對這一層進行改進和優化，如採用MOCVD沉積ZnSe、ALCVD法沉積In2S3、磁控濺射InxS以及(Zn,Mg)O作為緩衝層以及窗口層來代替CBD沉積的CdS緩衝層。目前Solarfrontier在這一方面取得了很好的成績，採用ZnS代替CdS的無鎘CIS太陽能電池，突破了22.3%的效率記錄，但其他研究機構或企業的成果都不盡如人意。

④採用廉價的元素材料代替In、Ga等稀有元素材料，降低成本，實現CIGS太陽能電池的長遠發展，也是今後研究的重要方向。用Al元素代替CIGS中Ga元素可形成Cu（In1-xAlx)Se2化合物半導體材料，既降低了成本，又拓寬了帶隙，採用此種辦法的IEC電池轉換效率達到16.9%的較高水平，但至今仍未有實際生產的案例。

 

此外，對窗口層進行工藝優化、研究新型的窗口層材料從而提高窗口層的光電性能，以及改善電極劃刻對太陽能電池性能的提高也具有積極的意義。

 

4、電池中有毒元素對環境及人身安全具有很大危害

碲化鎘電池，以及CIGS電池都存在有毒性的元素，尤其是碲化鎘電池。其主要影響，一是含有Cd的塵埃通過呼吸道對人類和其他動物造成的危害;二是生產廢水廢物排放所造成的汙染。因此對破損的玻璃片上的Cd和Te應去除並回收，對損壞和廢棄的組件應進行妥善處理，對生產中排放的廢水、廢物應進行符合環保標準的處理。

出於對環境以及人身安全的考量，碲化鎘電池僅適用於遠離人群的高原及荒漠電站，集中使用，集中管理，大大限制了該電池的大面積推廣。目前各國均在大力研究解決CdTe薄膜太陽能電池發展的因素，如何解決這一問題，打消公眾的顧慮，是薄膜電池從業者必須面對的一個難題。

 

5、從業者技術能力水平仍需提高

國內薄膜太陽能電池起步較晚，大約在2001 年以前，國內從事CIGS 薄膜太陽能電池研究的單位極少，稍有影響的是天津南開大學光電子所和清華大學機械工程系功能薄膜研究室，之後北京大學重離子實驗室、清華大學材料科學與工程系、中國科技大學、內蒙古大學、雲南師範大學、地質大學等也開始開展CIS 系太陽能電池的研究。由於當時國家投入經費少，電池技術難度大，只有南開大學在天津市自然科學基金與國家科技攻關少量計費資助下維持了下來，在「十五」期間，銅銦硒太陽電池被列入國家863重點課題，才使這種電池在我國有了一定的發展。

由於長期缺少政府政策以及資金的支持，國內的CIGS 人才底蘊較薄弱，國內的CIGS從業者大多都是從相關行業轉來，相對於晶矽電池來說，化合物薄膜太陽能電池機制複雜，所以需要培養更多的相關專業技術人才、提高從業者的研發和技術能力以應付CIGS電池生產中遇到的難點。

 

6、投資規模仍需擴大

由於近些年晶矽電池原材料成本的降低，以及一系列新技術、新工藝的使用，低成本高效率的晶矽電池佔據了光伏市場的絕大部分份額，出於短期利益以及投資風險的考量，大部分投資者對當下投資薄膜電池持慎重態度，從而影響了薄膜光伏電池在國內的國產化進程，不過這樣的狀況現今已有所改觀。

 

雖然路途艱難，但中國發展薄膜太陽能電池也具有一定的優勢，對於寄予厚望的CIGS薄膜太陽能電池，在材料方面，全球已探明的銦儲量，中國佔70%,在材料成本方面，無疑有得天獨厚的優勢。只要提高原材料提純和加工水平，打破國外優質原材料的壟斷，薄膜電池的成本無疑會有顯著的降低。

 

此外，中國人投資熱情高，看好的項目投資會很瘋狂，相信隨著CIGS電池效率的不斷突破，會有越來越多的投資商會投入薄膜電池的國產化進程中。

 

今年6月，國家能源局、工信部、國家認監委聯合對外發布《關於促進先進光伏技術產品應用和產業升級的意見》，提出要提高光伏產品市場準入標準，實施「領跑者」計劃，引導光伏技術進步和產業升級。根據這項政策，多晶矽電池組件和單晶矽電池組件的光電轉換效率分別達到16.5%和17%以上，可稱為行業「領跑者」，而矽基、銅銦鎵硒、碲化鎘及其他薄膜電池組件的光電轉換效率只需分別達到12%、13%、13%和12%以上就可獲得這一稱號。這意味著中國對薄膜技術的認可和容忍度加大，對薄膜太陽能電池的市場準入設置了較低門檻，這一政策的出臺，無疑會增加更多投資者的信心，減輕薄膜電池生產商生存發展的壓力。

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作者：豐翼  校正：向日葵

新材料在線責任編輯：chungoo

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