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我国CIGS薄膜电池产业化现状

(2011-10-10 19:25:07)

原文地址：我国CIGS薄膜电池产业化现状作者：白杨

CIGS电池具有性能稳定、抗辐射能力强，光电转换效率目前是各种薄膜太阳电池之首（优势及特点见表一），接近于目前市场主流产品晶体硅太阳电池转换效率，成本却是其1/3。正是因为其性能优异被国际上称为下一代的廉价太阳电池，无论是在地面阳光发电还是在空间微小卫星动力电源的应用上具有广阔的市场前景。而且，CIGS电池具有与多晶硅太阳能电池接近的效率，具有低成本和高稳定性的优势，并且产业化瓶颈已经突破，在晶体硅太阳能电池原材料短缺的不断加剧和价格的不断上涨背景下，很多公司投入巨资，CIGS产业呈现出蓬勃发展的态势。

中投顾问最新出版的中国CIGS薄膜电池报告显示，目前全球有30多家公司置身于CIGS产业，但真正进入市场开发的公司只有德国的Wuerth（伍尔特）、Surlfulcell，美国的Global Solar Energy，日本的Honda、Showa Solar Shell（见表二）。2006年、2007年世界CIGS电池组件产能分别为17.5MW、60.5MW，在世界光伏市场上占据的份额很小。

我国目前CIGS薄膜电池研发现状

在国内，CIGS薄膜电池的研究是从上个世纪80年代开始起步的，与国际上研究开发的力度和规模相比较，国内对CIGS 薄膜太阳能电池的研究几乎微不足道，以自然科学基金和国家863计划为主的基础研究资金投入不足300万元人民币，相关基础研究水平较低，国内目前达到的实验室最高光电转化率仅为8%~9%。

大约在2001 年以前国内从事CIGS 薄膜太阳能电池研究的单位极少，稍有影响的是天津南开大学光电子所和清华大学机械工程系功能薄膜研究室，之后北京大学重离子实验室、清华大学材料科学与工程系、中国科技大学、内蒙古大学、云南师范大学、地质大学等也开始开展CIS 系太阳能电池的研究。由于当时国家投入经费少，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计费资助下维持了下来，在“十五”期间，铜铟硒太阳电池被列入国家863重点课题，使这种电池在我国有了长足发展。目前南开大学现以建设0.3MW中试线，并制备出30cm×30cm效率为7%的集成组件样品。2008年2月，山东孚日光伏科技有限公司宣布与德国的Johanna合作，独家引进了中国首条CIGSSe（铜铟镓硫硒化合物）商业化生产线。

下面简单介绍一下国内（大陆）CIGS 薄膜太阳能电池生产企业情况。

1、山东孚日光伏科技有限公司：由孚日集团股份有限公司投资1.8亿元设立。孚日光伏与德国的Johanna合作，引进第二代光伏技术中光电转换效率最高的CIGSSe（铜铟镓硫硒化合物）薄膜太阳电池研发及生产工艺，填补了国内行业空白。公司计划总投资60亿元，建设规模为年产CIGSSe薄膜太阳电池240MW。其中首期项目投资18.6亿元，建设规模为60MW，预计今年投产。孚日采用“溅射金属预制层再硒化、硫化”所生产的CIGSSe薄膜太阳电池是目前世界上技术最先进、工业化生产最成熟的第二代光伏产品。目前一期项目主体厂房已经完工。

2、天津泰阳光电科技有限公司：由天津保税区投资公司与南开大学及技术团队共同组建了天津泰阳光电科技有限公司。目前已经与国内设备厂商合作，成功地开发出制造30 cm×35cm面积的铜铟镓硒薄膜太阳电池组件的必要设备与工艺技术，并攻克了沉积大面积铜铟镓硒薄

膜设备与工艺，以及“多刀头机械划线”技术，贯通了大面积电池组件制造的全套工艺流程，制备出29×36cm组件（有效面积为804 cm），其光电转换效率达到7％，实现了从实验室小面积电池技术向大面积电池技术的跨越。其中，由南开大学光电子研究所孙云教授主持开发的“铜铟硒薄膜太阳能电池中试线”项目是“十五”国家863重点项目，获得了国家科技部2157万元资金资助。建立了国际先进水平的测试平台，已完成的0.3MW中试线产品1平米薄膜电池的转化率达到了14%，接近世界最先进水平（转化率世界排名第四），并已经开始了5MW中试生产线的研究。

天津泰阳光电公司铜铟镓硒电池产业化规划：第一期，2009年融资，在现有基础上开发40×80cm面积组件并实现连续化生产，具有2.5MW生产能力，于2010年底投产；第二期：40×80cm面积组件生产线贯通后，解决核心设备问题，大约在2010年10月开始第二次融资，与国外设备厂商合作开发15MW生产线的开发与建设，于2012年投产；第三期：2013年并行再建造7条15MW生产线，使产能达到120MW，2015年达产。

3、河南燕垣光伏能源有限公司：河南燕垣光伏能源有限公司隶属于河南东起集团，成立于2009年5月，注册资金1000万元，是以CIGS为主的薄膜太阳能电池技术研发及生产为一体的现代化高科技新能源企业，是目前中国唯一一家拥有自主知识产权的大规模生产薄膜太阳能集电设备的企业。该公司2009年5月开工建设，计划三年内投资78000万元，完成项目的一期工程，建成年产60MW的铜铟镓硒薄膜太阳能电池生产基地，二期规划建设产能500MW的CIGS薄膜电池生产线。公司首席顾问为中科院院士甘子钊，北京大学物理系教授、当代著名物理学家，任北大固体物理专业博士生导师、物理系学术委员会主任、固体物理研究所所长、国家超导专家委员会首席专家，被授予“国家级有突出贡献专家”。技术总负责人为北大教授赵夔，主要研究领域是射频超导加速器及自由电子激光并承担国家973项目的首席科学家。另外还有陆真冀教授，曾任河北冶金研究院总工程师，获得北京科技二等奖与河北省科技二等奖。焦飞、韩俊峰、廖成、周震，谢华木等二十多位北京大学博士、硕士，主要从事CIGS薄膜太阳能电池的研究。

4、苏州高赛太阳能技术有限公司：该公司为美国GroupSat公司在苏州建立的30MW金属衬底柔性CIGS电池生产线。GroupSat为薄膜铜铟镓硒 (CIGS)太阳能电池的主要生产商之一，已开发出柔性薄膜CIGS光伏电池。

5、广州市华茂能源科技有限公司: 广州市华茂能源科技有限公司注册资金8000万美元，主要从事全球技术领先且拥有27个国家（包含欧美日）专利的CIGS薄膜太阳能电池生产。该公司于2009年2月在广州白云区投资16.4亿元，建设规模为50MW（2条25MW）的CIGS薄膜太阳能生产线，该项目已于2009年3月动工建设，全部采用进口设备。 6、威海蓝星泰瑞光电有限公司：有资料显示，威海蓝星泰瑞光电有限公司是由威海蓝星玻璃股份有限公司和美国TerraSolar公司共同投资创立的高新技术企业，总投资2275万美元，注册资本1000万美元，全套引进美国的5MW a-si和CIGS薄膜太阳能电池生产线，主营非晶硅（a-si）薄膜太阳能电池和铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池的生产和销售。但截至目前，并没有关于该公司的任何产品信息，而且在威海蓝星玻璃股份有限公司网站上的公司架构栏里也没有看到泰瑞光电公司的架构，只有以生产非晶硅薄膜电池为主的威海中玻光电公司。

铜铟镓硒太阳电池产业化中存在的问题

许多公司均作出预测，在今后20~30年内，潜在的薄膜光伏市场将会增长500倍~1000倍。从成本和性能方面来看，CIGS在所有薄膜电池中具有相当的优势，此外，CIGS不会产生

2

与镉有关的毒性，同时不存在与碲有关的原材料适用性问题。然而，CIGS面临着产业化方面的严重挑战。

天津泰阳光电总经理孙云介绍道，虽然全球纷纷投资CIGS太阳电池产业，但真正掌握CIGS太阳电池的核心技术企业并不多，国外已经投产的公司技术不扩散，拒绝转让技术或卖生产线，对于中国更为严格控制。目前卖生产线的公司，往往都是一些设备制造商，并不掌握CIGS电池生产线的全套工艺技术，缺乏基础研究与人才队伍，以及有效的技术支持，因而风险极大。而且，CIGS薄膜电池材料结构、电池结构复杂，技术难度大。大量的基础研究和技术开发有待于继续深入，需要高层次人才组成技术团队在这里显得格外重要，因此，产学研模式是产业化成功地必要条件。德国Würth Solar公司与斯图加特大学、ZSW工程中心组成的架构，使得Würth Solar公司的15MW生产线最为成功，2008年已经扩产至了30MW。所以，对于天津泰阳来说，天津泰阳光电公司、南开大学，以及未来的投资伙伴建立大规模生产企业，将是一个最佳组合。南开大学会对企业提供可靠地技术支持，而且将是企业的人才库，智囊团，不断地向企业输送专业人才，保证企业发展对专业人才的需求。目前国际上通行的技术路线是真空蒸发法和预置层后硒化法，不论哪种方法，都需要以下的核心设备：大面积连续化制备CIGS薄膜设备、磁控溅射设备（技术要求远高于ITO生产线)、CBD沉积纳米CdS或Zn设备、多刀头机械划线机，但是目前，国内并不具备所有核心设备的生产能力。另外，到目前为止,基于三步共蒸发工艺制备的CIGS薄膜太阳能电池的效率已达19.99%，是所有薄膜太阳能电池中最高的。尽管这种制备方法有很多优点，制备成分均匀的大面积电池却具有难以克服的困难，不能满足大规模产业化的要求。在CIGS薄膜太阳能电池产业化进程中，克服其层间的附着力差，制备符合化学计量比具有黄铜矿结构的多晶薄膜吸收层是必须解决的两个最重要的工艺技术。

他建议，可以通过大企业走从国外引进技术和设备的道路，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的技术，同时通过这种形式促进和提高我国科技工作在短时间内缩短与国外在CIGS 太阳能电池领域的差距。为了促进这个过程，建议国家相关部门在政策上优先和重点扶持这样的企业，并且通过项目立项的形式优先资助与这样的企业联合开发的研究机构。

（图为CIGS薄膜电池生产流程。）

表一 CIGS薄膜电池优势特点 1 转换效率为薄膜电池之首（小面积电池Eff=19.9%，量产化组件平均效率11.5%）； 2 不衰退，寿命大于25年； 3 光谱相应范围宽，年发电量高于晶体硅电池5-10%; 4 抗辐射能力强，是空间电池的候选者； 5 可制备在金属箔或高分子薄膜上为柔性电池组件； 6 柔和、均匀的黑色，适用于高档建筑物幕墙； 7 成本低，30M生产线组件平均效率12%，成本可低于0.5美元/瓦；

表二 国外CIGS电池产业化发展计划

公司 Showa Honda Wuerth Johanna Solibro Scheuten Flisom 吸收层 CIGSSe CIGS CIGS CIGSSe CIGS CuInS2 CIGS 吸收层工艺 溅射硒化 溅射硒化 蒸发法 溅射硒化 蒸发法 球状 蒸发法 衬底 SLG SLG SLG SLG SLG CIS PI 产能或规划产能(MW) 2009年80，2011年1 G 2008年27.5 2007年15，2008年30 2008年 30 2008年30 2009年250 IRDPE Odersun GSE EPV Sulfurcell CISSe CIGS CIGS CIGS CuInS2 电沉积 硫化法 蒸发法 混合法 硫化法 SLG Cu带 SS SLG SLG 2008年30 2007年408年60 2008年2 ZnO的用途及其薄膜的制备方法

1 氧化锌薄膜的用途

近年来，由于光电子器件潜在的巨大市场，使光电材料成为研究的重点。ZnO薄膜是一种光学透明薄膜，纯ZnO及其掺杂薄膜具有优异光电性能，用途广阔，而且原料易得、价廉、毒性小，成为最有开发潜力的薄膜材料之一。目前，研究ZnO材料的性质涉及许多研究领域，其中包括：透明导电膜（TCO）、表面声学波（SAW）器件、光激射激光器、气敏传感器、紫外光探测器、显示以及与GaN互作缓冲层等方面。ZnO薄膜的制备方法多种多样，可以适应不同需求，传统方法如磁控溅射（Magnetron Sputtering）、化学气相沉积（CVD）及溶胶-凝胶法（Ｓol-gel）等，新沉积工艺如激光脉冲沉积法（PLD）、分子束外延法（MBE）

等。

2 氧化锌薄膜的结构与性质

优质的ZnO薄膜具有C轴择优取向生长的众多晶粒，每个晶粒都是生长良好的六角形纤锌矿结构，晶格常数a=0.325nm，c=0.521nm。化学计量比ZnO为宽带隙半导体，禁带宽度约3.3eV，具有紫外截止特性，ZnO薄膜的电阻率高于10-8Ωcm。改变生长、掺杂或退火条件可形成简单半导体，导电性能大幅提高，电阻率可降低到10-2Ωcm数量级。ZnO薄膜在可见光范围内光透过率高达90%，可以用作优质的太阳电池透明电极，然而它在紫外（UV）和红外（IR）光谱范围内有强烈的吸收作用，这一性质被利用作为相应光谱区的阻挡层。ZnO还具有熔点高、制备简单、沉积温度低和较低的电子诱生缺陷等优点。硅基生长的ZnO有希望将光电子器件制作与传统的硅平面工艺相兼容。另外，在透明导电膜的研究方面，掺铝ZnO膜（AZO）也有同ITO膜可比拟的光学电学性质。

ZnO薄膜的高电阻率与单一的Ｃ轴结晶择优取向决定了它具有良好的压电常数与机电耦合系数，可用作各种压电、压光、电声与声光器件。因具有电阻率随表面吸附的气体浓度变化的特点，ZnO薄膜还可用来制作表面型气敏元件。通过掺入不同元素，可应用于还原性酸性气体、可燃性气体、CH族气体探测器、报警器。此外，它还在蓝光调制器、低损失率光

波导、液晶显示、光催化、电子摄影机、热反射窗等领域具有潜在应用。

3 ZnO薄膜的制备方法

不同的应用对ZnO薄膜的结晶取向、薄膜厚度、表面平整度以及光电、压电等性质的要求各有区别。这些差异是由不同的制备技术及工艺参数所决定的，各种制备工艺各有优缺点，从结晶情况来看以金属有机物化学气相沉积（MOCVD），PLD，原子层外延生长（ALE）法

制备的薄膜质量较好。

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