銅銦鎵硒薄膜太陽電池產(chǎn)業(yè)化探索

山東孚日光伏科技有限公司 王巖 李和勝 孫琳

一 引言

銅銦鎵硒[CIGS:Cu(In1-x,Gax)Se2]薄膜太陽電池無論是實驗室記錄還是產(chǎn)業(yè)化水平，均是第二代薄膜光伏技術中光電轉(zhuǎn)化效率最高的[1,2]。因為兼具優(yōu)異的穩(wěn)定性和良好的弱光效應，銅銦鎵硒薄膜太陽電池不但可以廣泛應用于地面光伏電站、屋頂電站以及光伏建筑一體化等各種光伏細分市場，還在空間動力電源等特殊應用領域具有廣闊的發(fā)展前景[3]。

在CIGS薄膜電池的基礎研究和工業(yè)制造方面，以美國、德國和日本為代表的發(fā)達國家走在了世界前列。中國要在CIGS薄膜電池產(chǎn)業(yè)化領域奮起直追乃至后來居上，走原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新與引進消化吸收再創(chuàng)新相結(jié)合的道路，是直面挑戰(zhàn)、正視差距的明智之舉。

二 CIGS薄膜電池發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢

1 CIGS薄膜電池產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

綜合JRC、GTM Research等知名研究機構(gòu)的分析數(shù)據(jù)，截止2011年全世界從事CIGS薄膜電池制造的企業(yè)約40家左右，產(chǎn)能已經(jīng)接近1.5GW。其中以日本Solar Frontier產(chǎn)能最大，超過1GW。但是，2011年CIGS薄膜電池實際產(chǎn)量約850MW，產(chǎn)能釋放率約為56.7%；僅占全年光伏電池產(chǎn)量的2.88%(2011年全球光伏電池總產(chǎn)量約為29.5GW)[4,5]。

上述約40家從事CIGS薄膜電池產(chǎn)業(yè)化的業(yè)者從地域分布的角度主要集中于德國、美國和日本，代表型企業(yè)包括德國的W?rth Solar、Avancis和Solibro；美國的Global Solar、Miasol?、Nanosolar和Solopower；日本的Solar Frontier。從產(chǎn)品的種類出發(fā)，德國和日本的企業(yè)主要集中于以浮法玻璃為基底的集體型CIGS薄膜電池組件的生產(chǎn)；而美國的企業(yè)主要從事不同柔性組件的生產(chǎn)。從工藝路線角度出發(fā)，真空路線的共蒸發(fā)法和濺射后硒化法仍是CIGS薄膜電池產(chǎn)業(yè)化的主流技術；但是非真空的印刷法和電化學沉積法也取得了較大的進步，進一步拓寬了CIGS薄膜電池產(chǎn)業(yè)化的通道，極大的推動了其產(chǎn)業(yè)化進程。

在技術發(fā)展水平方面，多數(shù)從事CIGS薄膜電池生產(chǎn)的企業(yè)均可將全尺寸CIGS薄膜電池組件的光電轉(zhuǎn)化效率穩(wěn)定于11%～13%，當然針對不同的工藝路線和基底材料，組件實際的光電轉(zhuǎn)化效率略有不同。

2 CIGS薄膜電池發(fā)展趨勢

自2011年第三季度開始光伏市場發(fā)生突變，晶硅太陽電池價格降幅已經(jīng)超過40%，給薄膜太陽電池的發(fā)展帶來了前所未有的巨大壓力。薄膜太陽電池惟有加快以技術為驅(qū)動、以市場為導向的創(chuàng)新步伐，才能在日益激烈的競爭中擺脫被動局面、占有一席之地。根據(jù)GTM Reaearch在《Thin Film 2012-2016》一文中的數(shù)據(jù)預測，在未來五年薄膜太陽電池的產(chǎn)能和市場將持續(xù)增長，其中CIGS薄膜太陽電池的產(chǎn)能將在2016年達到4GW的規(guī)模，從而與CdTe薄膜太陽電池分庭抗禮[4]。

與研發(fā)機構(gòu)和制造廠商對CIGS薄膜太陽電池的熱切期待相一致，廣大投資者在光伏行業(yè)的資金投入也集中于兩個領域——除了收益較豐的光伏工程領域，便是有望發(fā)力的CIGS薄膜太陽電池。MERCOM在《Solar funding and M&A:2011》一文的數(shù)據(jù)統(tǒng)計中，以Stion、Miasol?和HelioVolt等公司為代表的CIGS薄膜太陽電池廠商在2011年和2012年一季度分別吸引了4.67億美元和1.04億美元的投資[6]。

三 銅銦鎵硒中國產(chǎn)業(yè)化實踐

CIGS薄膜太陽電池商用市場拓展腳步遲滯的原因概括起來主要有三點:一是技術復雜，造成準入門檻高。因為復雜的工藝制程和吸收層組成元素眾多，造成CIGS薄膜電池的準入門檻相對較高，這也是量產(chǎn)企業(yè)高度集中于德國、美國和日本等發(fā)達國家的主要原因。二是工藝尚未標準化，對專用設備依賴較大。由于從事CIGS薄膜電池批量生產(chǎn)的技術多種多樣，還沒有形成類似晶硅電池那種成熟的標準化工藝路線，造成CIGS薄膜電池產(chǎn)業(yè)化嚴重依賴專用設備的制造，初始投資較大，設備的投資回報比較低。三是制造成本相對較高。復雜多樣的工藝、專用化的設備以及較小的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模極大的阻礙了CIGS薄膜電池產(chǎn)業(yè)化的步伐[7]。

因此，若想推動CIGS薄膜電池產(chǎn)業(yè)化的進程，需要在規(guī)避技術準入門檻、推進工藝標準化和降低生產(chǎn)成本方面做進一步的努力。山東孚日光伏科技有限公司正是在這三方面進行了卓有成效的探索和實踐，才走出了一條CIGS薄膜太陽電池中國化批量生產(chǎn)的新型之路。

1 孚日光伏產(chǎn)業(yè)化工藝路線

孚日光伏采用濺射后硒化工藝方法制備CIGS薄膜太陽電池，電池結(jié)構(gòu)如圖1所示。

孚日光伏CIGS薄膜電池以普通的浮法玻璃為基底，采用磁控濺射方法制備金屬鉬(Mo)層作為背電極；光吸收層是采用兩步法制備:預先采用磁控濺射的方法制備銅銦鎵(CIG)的金屬預制層，而后進行高溫硒化獲得銅銦鎵硒(CIGS)吸收層；隨后采用化學水浴(CBD)的方法制備硫化鎘(CdS)的緩沖層；之后再繼續(xù)采用磁控濺射的方法制備本征氧化鋅(i-ZnO)適配層和摻鋁氧化鋅(ZAO)窗口層。為提高電池的開路電壓，穿插進行幾步刻劃工藝，將大面積的單一電池認為劃分為多個電池，同時實現(xiàn)區(qū)分小電池的串聯(lián)。電池制備的工藝流程如圖2所示。

圖2 CIGS薄膜電池制備工藝流程圖

電池制備完畢之后就進入到組件制備過程。在這一過程中完成電極的引出，封裝材料的敷設、蓋板玻璃的敷設以及層壓、裝框等工藝過程，以最終獲得CIGS薄膜太陽電池組件。

在批量生產(chǎn)上述標準產(chǎn)品的同時，孚日光伏還積極針對不同的細分應用市場陸續(xù)開發(fā)了無框型CIGS薄膜電池組件和透光型CIGS薄膜電池組件；上述產(chǎn)品已經(jīng)獲得國家專利，可以廣泛應用于屋頂光伏電站和光伏建筑一體化應用領域[8,9,10]。

2 孚日光伏產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗總結(jié)

作為一家真正實現(xiàn)CIGS薄膜電池批量化生產(chǎn)的企業(yè)，孚日光伏掌握了大規(guī)模生產(chǎn)CIGS薄膜太陽電池的全套核心技術及全面管理經(jīng)驗；突破了長期以來制約CIGS薄膜電池產(chǎn)業(yè)化的技術壁壘和管理經(jīng)驗匱乏的難題。

伴隨公司的快速成長，一支本土化的、經(jīng)過實踐檢驗的、學歷層次和專業(yè)結(jié)構(gòu)合理的技術團隊日臻成熟；該團隊擁有CIGS薄膜電池建廠的全套實戰(zhàn)經(jīng)驗，CIGS薄膜電池規(guī)模化生產(chǎn)的管理經(jīng)驗，完全具備自主進行生產(chǎn)線垂直整裝和新產(chǎn)品研發(fā)的能力。

經(jīng)過多年沉淀和積累，公司用于CIGS薄膜電池生產(chǎn)的全套生產(chǎn)工藝、核心技術以及核心生產(chǎn)設備的關鍵設計正申報國家發(fā)明專利，輔以產(chǎn)品設計相關專利，自有知識產(chǎn)權群正逐步形成。

經(jīng)過三年的實際操作和管理經(jīng)驗，公司積累了豐富的潔凈廠房管理經(jīng)驗，水、電、氣以及“三廢”處理等基礎設施構(gòu)建和管理經(jīng)驗，具備了為更大規(guī)模CIGS薄膜電池生產(chǎn)項目服務的能力。

公司的標準產(chǎn)品已經(jīng)通過德國T?V和中國金太陽質(zhì)量認證，質(zhì)量水平已達世界先進水平。作為中國大陸首家同時擁有上述兩項認證的CIGS薄膜電池生產(chǎn)商，可為客戶提供一流產(chǎn)品。

公司建立了完整的CIGS薄膜電池生產(chǎn)所需原材料及生產(chǎn)輔料技術標準及檢驗標準，建立了穩(wěn)定的本土化原材料供應體系。原材料評估開發(fā)流程已列入管理體系，按國際標準開展運作。

公司建立了涵蓋原材料入廠檢驗、生產(chǎn)過程控制及成品質(zhì)量控制等完備的質(zhì)量管理體系，通過ISO9001國際質(zhì)量管理體系認證，有效地保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

公司擁有設備齊全、管理一流的分析測試中心，建立了完善的原輔料及半成品檢驗控制方法和標準，可為CIGS批量化生產(chǎn)提供全套檢測服務。此分析測試中心也是技術中心的雛形。

按照ISO 9001國際質(zhì)量管理體系的要求，公司已經(jīng)建立起完善的新產(chǎn)品開發(fā)設計流程，并針對目標市場和客戶要求進行定制化產(chǎn)品的開發(fā)和設計。公司開發(fā)的BIPV專用無框組件和透光組件已經(jīng)獲得國家專利授權。

公司自行設計和安裝了國內(nèi)最大的CIGS薄膜屋頂電站。該項目成功入選2011年金太陽示范工程。通過不斷為客戶提供定制化的系統(tǒng)設計服務，公司已經(jīng)具備了向不同客戶提供定制化系統(tǒng)設計、產(chǎn)品生產(chǎn)和安裝的實際項目管理經(jīng)驗和能力。通過自行設計安裝的示范項目在金太陽示范項目評審中順利過關，公司也獲得了幫助客戶進行金太陽等示范項目申請的經(jīng)驗和能力，正逐步成長為光伏系統(tǒng)解決方案提供商。

經(jīng)過三年多的實際運營，尤其是第一條產(chǎn)線投產(chǎn)以來批量生產(chǎn)積累的生產(chǎn)調(diào)度、工藝優(yōu)化、設備維護以及基礎設施操作等經(jīng)驗，孚日光伏已具備了進一步擴充生產(chǎn)規(guī)模的條件和能力。伴隨市場開拓工作的展開和產(chǎn)品質(zhì)量認證的獲得，在市場開發(fā)、系統(tǒng)設計與建設以及項目申報方面也積累了豐富的實戰(zhàn)經(jīng)驗。

四 銅銦鎵硒未來產(chǎn)業(yè)化思考

1 市場及客戶對組件制造商的要求

毋庸置疑，太陽電池的應用范圍將在人類日常生活所需的各個領域日益廣泛。同時，不可否認的是，光伏電站仍將是太陽電池組件主流的應用方向。典型的光伏發(fā)電項目商業(yè)模式是:光伏組件制造商向EPC(設計－采購－施工)工程總承包商提供組件，后者受投資者委托負責建設光伏電站，以向最終消費者提供電力。

在此過程中，投資人怎樣會做出投資決策并引發(fā)金融機構(gòu)的興趣和認同，是光伏發(fā)電項目得以實施并運營的關鍵所在。有業(yè)內(nèi)專家引進“可融資性”(Bankablility)這一金融術語，用于判斷對某個光伏發(fā)電項目的認可度、可靠性，以及是否值得信賴并最終獲得投資[11]。投資者在判定一個光伏發(fā)電項目是否具有可融資性時，會定量和定性評估各個環(huán)節(jié)的各項風險，與光伏組件制造商緊密相關的是太陽電池的性價比和可靠性。要求電池組件供應商提供符合相應質(zhì)量標準要求的，高穩(wěn)定性的電池組件，并建立完善的關于組件生產(chǎn)信息的可追溯數(shù)據(jù)庫。當然，高的轉(zhuǎn)化效率和較低的生產(chǎn)成本始終是光伏組件被客戶認可必需的前提條件。

孚日光伏在努力提高產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性以及最終滿足光伏項目的“可融資性”方面做了許多前瞻性的探索和嘗試。

2 孚日光伏的探索與嘗試

在保證組件產(chǎn)品質(zhì)量及穩(wěn)定性方面，孚日光伏已經(jīng)順利獲得德國T?V和中國金太陽質(zhì)量認證，質(zhì)量水平已達世界先進水平。此外，孚日光伏還完全按照IEC標準要求在工廠內(nèi)搭建了組件可靠性檢測實驗室，以保證產(chǎn)線上生產(chǎn)的組件完全滿足IEC標準要求。此實驗室正在積極申報國家認可實驗室(CNAS)認證。

在保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性及可追溯性方面，孚日光伏已經(jīng)獲得ISO9001國際質(zhì)量管理體系認證；同時在生產(chǎn)線上建立了生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)，可以監(jiān)控產(chǎn)品生產(chǎn)每一個環(huán)節(jié)，并記錄所采用的工藝、材料及設備信息。該系統(tǒng)以ID號作為唯一標識，準確定位每一個組件，以保證組件信息的可追溯性。

在持續(xù)提升組件光電轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)品質(zhì)量方面，孚日光伏已經(jīng)組建了企業(yè)技術中心，并于2012年5月獲得濰坊光伏工程研究中心授牌。本中心致力于薄膜光伏相關基礎理論及工程問題的研究，以新工藝、新材料、新產(chǎn)品、新設備為研發(fā)的重點和方向，將為電池轉(zhuǎn)化效率和質(zhì)量水平的提升提供強有力的智力支撐。

3 CIGS薄膜電池未來產(chǎn)業(yè)化的思考

按照目前的技術發(fā)展水平，CIGS薄膜電池的產(chǎn)業(yè)化之路還很漫長，需要組件制造商、相關設備/材料供應商和科研單位的共同努力。要想繼續(xù)擴大CIGS薄膜電池的市場份額，拓寬其應用領域，必須堅持以市場為導向，以技術創(chuàng)新為驅(qū)動力，憑借緊扣客戶需求和差異化的產(chǎn)品來增強產(chǎn)品的競爭力。

作為光伏組件的制造商，應當準確的把握市場發(fā)展的脈搏，深挖技術潛力，不斷進行技術、產(chǎn)品與應用的創(chuàng)新，緊緊圍繞如何更好地滿足客戶需求這一根本目的，依靠提升產(chǎn)品的附加值和質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本來站穩(wěn)市場，不斷擴大CIGS薄膜電池在光伏市場的份額，推動其產(chǎn)業(yè)化進程。

[1]M. A. Green, et al. Solar cells efficiency tables (version 39), Prog.Photovolt.: Res. Appl., 2012.

[2]M. Edoff. Thin film solar cells: research in an industrial perspective.AMBIO, 2012.

[3]CIGS technology: the new thin film engine EuPD, 2010.

[4]Thin Film 2012-2016: Technologies, Markets, and Strategies for Survival, GTM Research, 2012.

[5]PV status report 2011, JRC, 2011.

[6]Solar funding and M&A:2011 forth quarter and annual report,2012.

[7]F. Colville. Behind the CIGS facade: benchmarking CIGS manufacturers and quantifying return-on-investment , Solarbuzz,2012.

[8]山東孚日光伏科技有限公司.一種無框BIPV太陽能電池組件(P),中國專利:201120217445.7.

[9]山東孚日光伏科技有限公司.一種銅銦硒薄膜太陽能電池組.件(P),中國專利:201120217608.1.

[10]山東孚日光伏科技有限公司.一種銅銦硒薄膜太陽能透光組.件(P),中國專利:201120321916.9.

[11]L?deke-Freund, F. & Olbert, S. (2011): Bankability: Definition- Bedeutung - Management, presentation.