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国内外铜铟镓硒薄膜太阳能电池产业发展态势及主要生产企业

供稿人:王志玲(青岛市科学技术信息研究所)  供稿时间:2013-11-21   关键字:铜铟镓硒太阳能电池  发展历程  生产企业  
铜铟镓硒薄膜太阳能电池是20世纪80年代后期开发出来的新型太阳能电池,由铜铟硒(CuInSe2,简称CIS)发展而来,将镓(Ga)替代CIS材料中的部分铟(In),形成CuIn1-xGaxSe2四元化合物,CIGS薄膜电池具有优异的太阳能吸收特性,理论上的光电转换效率(即每平方米太阳能电池单元将日照能量转换为电能的转换效率)可达25-30%,目前实验室最高光电转换效率达到20.3%,组件转换效率最高也达15.7%,是目前光电转换效率最高的薄膜太阳电池。
 
CIGS薄膜太阳能电池成本低、性能稳定、轻柔便携、透光性较好、适用性强,可以设计成任意尺寸和功率,适用于消费品市场、边远山区独立电站、小型户用屋顶组件、大型商用屋顶轻质组件、太阳能电站组件、建筑一体化(BIPV)光伏系统解决方案、建筑材料一体化应用、超大规模太阳能应用项目解决方案等各个方面。目前建筑一体化和光伏电站占应用市场的70%,是CIGS薄膜太阳能电池的主要应用领域。
1、CIGS薄膜太阳能电池的结构与制备
CIGS薄膜太阳能电池典型结构为多层膜结构(如图1所示),包括玻璃衬底、钼(Mo)导电层、CIGS(或CIS)吸收层、CdS过渡层、i-ZnO异质结N型层、n-ZnO窗口层、MgF2防反射层和电极。CIGS薄膜太阳能电池制备的核心是作为吸收层的GIGS薄膜,主要有共蒸发法和溅射硒化法两种方法。共蒸发法特点是薄膜质量好,容易实现元素的梯度分布,电池转换效率高,但是该方法对设备要求严格,蒸发过程不容易控制,大面积均匀性与连续化生产难度很大;溅射后硒化法是先按照元素比例溅射沉积金属预制层,然后在Se气氛中硒化反应形成CIS或CIGS化合物半导体薄膜。虽然目前溅射硒化法制备的电池转换效率低于共蒸发法,但该方法制备的大面积GIGS薄膜均匀性好,设备和工艺比较容易实现,是相对较容易实现大规模工业化生产的技术途径。
 
图 1  CIGS太阳能电池的结构
 
2008年,CIGS薄膜太阳能电池制备出现沉积新方法,使用纳米颗粒油墨,运用简单的印刷方法来制备CIGS薄膜,目前已生产出转换效率接近14%的薄膜。该工艺通过粒子墨水、半导体印刷、导电底层、roll-to-roll工艺、低成本的上电极、成型电池装配以及大电流面板七项基本技术,使太阳能电池板和太阳能体系的成本大大减少,避免了需采用高真空腔室的共蒸发法和溅射硒化法沉积技术。
2、世界CIGS薄膜太阳能电池产业发展态势
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。世界CIGS薄膜太阳能电池产业发展经历了三个阶段,如图2所示。
第一个阶段(2000-2003年),德国的Würth Solar和日本的Showa Shell、Honda Soltec等企业首先实现了玻璃基板衬底CIGS薄膜太阳能电池的产业化,并且逐渐向大尺寸方向发展;第二个阶段(2004-2007年),柔性衬底(不锈钢、钛、铜等金属)研发阶段,以美国的Global Solar Energy、Miasole等企业为代表;第三个阶段(2008年-至今),基于金属/聚合物(聚酰亚胺PI)衬底的roll-to-roll工艺研究,以美国Nanosolar、ISET公司和台湾工业技术研究院(ITRI)为代表。2009年美国IBM与日本半导体加工企业东京应用化学(TOK)共同研发,以涂布技术形成的CIGS太阳能电池(面积0.45cm2)转换效率达到了12.8%。从商业化成熟程度来看,玻璃基板衬底CIGS薄膜太阳能电池最为成熟,其次为柔性衬底,金属聚合物衬底新工艺尚处于实验室走向产业化的过渡阶段。
 
 
图 2  世界CIGS产业发展历程(资料来源:SRI-BI Analysis Report to ITRI/CSIST整理)
 
目前,世界CIGS薄膜太阳能电池的主要研发生产企业有:德国伍尔特太阳能(Würth Solar);美国环球太阳能 (Global Solar Energy)、纳米太阳能(Nanosolar)、米亚索能(Miasole);日本昭和壳牌石油(Showa Shell Sekiyu)、本田(Honda Seltec)等,其采用的工艺、研发能力及企业状况详见表1。
 
表 1  世界CIGS薄膜太阳能电池主要生产企业

国别
企业名称
生产工艺
简介及产能
日本
Showa Shell Sekiyu
玻璃基板、溅射硒化法
成立Solar frontier太阳能事业子公司,2011年开始商业化量产CIS薄膜太阳能组件,试验组件效率达到17.2%,生产线上的组件转换率达到11.6%,产能将达600MW,2012年将达1GW
Honda Seltec
玻璃基板、溅射硒化法
成立于2006年底,Honda Motor全资子公司,2007年开始商业化量产玻璃基板CIGS产品,模组转换效率达11%,2008年产能为27.5MW
德国
Würth Solar
玻璃基板、共蒸发法
成立于1999年,2000年试产,产品为玻璃基CIS太阳能光电模组,2008年产品光电转换效率达12%,产能为30MW/年
美国
Global Solar
金属柔性衬底、共蒸发法
成立于1996年,2004年开始小量商业化生产,2008年产能为75MW,产品光电转换效率达10%
Nanosolar
铝制箔基板柔性衬底、丝网印刷工艺
成立于2002年,2008年量产,使用印刷技术生产CIGS太阳能模组,滚筒式(roll-to-roll) 制作工艺,电池效率最高达16.4%,2010年产能120MW,目标市场为发电厂。
Miasole
玻璃基板、溅射硒化法
2011年3月开发出转换效率达15.7%的1m2CIGS型太阳能电池模块,组件效率达到13%。

3、国内CIGS薄膜太阳能电池产业发展状况
目前我国的薄膜太阳能电池企业大部分在硅基薄膜领域,也有一些企业开始进入CIGS薄膜太阳能电池领域,通过自主创新、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。
在引进合作方面,2008年2月,山东孚日光伏科技有限公司与德国的Johanna合作,引进两条CIGSSe(铟镓硫硒化合物)商业化生产线,每条设计产能为30MW,设备总价约为11175万欧元。2010年生产线进入联动运行测试阶段,10月,孚日光伏生产的CIGS大面积生产组件(面积为1m2)的效率达到14.3%,当年产量达到22MW;2010年,由高赛(香港)有限公司及苏州市木渎新区经济技术发展总公司合资设立的苏州高赛太阳能技术有限公司生产出轻质柔性衬底CIGS器件,年产能为25MW,平均转化效率达到10.5%;台湾威奈联合科技股份有限公司采用溅射硒化制备工艺生产出大面积玻璃衬底CIGS组件,组件平均转化效率达到10.2%,与威海中玻光电有限公司、四川攀枝花及辽宁本溪等均有合作项目及意向。
在自主创新方面,虽然CIGS的试验室转换效率已达20.3%,接近晶硅电池的试验室转换效率,但大规模商业量产和明显技术优势尚未出现,使国内企业通过走自主创新路线掌握核心技术,从事高附加价值的太阳能电池制造的构想成为可能。2009年1月,天津滨海新区的国家863铜铟镓硒薄膜太阳电池中试基地中试工艺设备与大面积材料和器件开发取得进展,成功研制出有效面积为804cm2的玻璃衬底CIGS薄膜太阳电池组件,光电转换效率为7%,标志着我国自主研发掌握了制造CIGS薄膜太阳电池设备、工艺以及电池组件核心技术,完成了实验室小面积太阳电池技术向大面积中试技术的跨越;2010年6月,青岛昌盛日电太阳能科技有限公司中试生产的CIGS薄膜太阳能电池光电转换效率达到9.5%,并自主研发搭建了量产大尺寸CIGS薄膜太阳能电池的生产试验线。此外,近年来国内主要CIGS项目详见表2。
 
表 2  国内CIGS薄膜太阳能电池项目

序号
项目名称
项目概况
1
广东榕泰实业股份有限公司
2011年11月,榕泰实业从欧洲桑纳太阳能科技公司引进CIGS一次性溅射成型薄膜太阳能电池生产线。不锈钢板衬底进入生产设备15秒钟后,变成溅射有铜铟镓硒(CIGS)感光层的太阳能电池板,印刷电路后制成太阳能电池。该生产线将于12月底前安装试产。
2
力铼光电科技(扬州)有限公司
由台湾铼德集团投资成立。2011年9月,CIGS薄膜太阳能电池生产线开始试量产,预计年产能达30MW,第二条生产线计划于明年投入生产。
3
攀枝花CIGS薄膜太阳能电池项目
2011年7月,台湾采鑫能源科技股份有限公司与攀枝花市签订建设CIGS薄膜太阳能电池项目投资合作意向书,预计总投资2亿美元。
4
江苏久恒绿色新能源
2011年4月,由香港绿色新能源集团投资20亿美元的1000MW CIGS半导体薄膜太阳能电池项目落户江苏宿迁,计划用5—7年的时间在宿迁经济开发区新上40条CIGS薄膜太阳能电池生产线,其中,一期投资3亿美元,建设4条薄膜太阳能电池生产线。
5
广州市华茂能源科技有限公司
2009年8月,由香港耀飞国际有限公司和广东信宇投资有限公司出资成立广州市华茂能源科技有限公司,投资5亿美元建设4条25MW的CIGS生产线。

 
参考文献
[1] 季法文. CIGS电池技术现状与发展趋势,中山科学研究院材料光电研究所,2009.10
[2] 姚娘娟, 王善力. 铜铟镓硒薄膜太阳电池发展现状. 上海有色金属, 2010(3):14-18
[3] 曹江. 从投资可行性角度看CIGS薄膜太阳能电池市场状况走势. 商场现代化, 2010(6):92-93

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