电池组件

CIGS薄膜电池:即将到来的产业化春天不能盲从

2015-12-03 10:09:15 北极星太阳能光伏网(独家)

(记者 陈艳清)日前,工业和信息化部发布了《产业关键共性技术发展指南(2015年)》,确定优先发展五大类205项产业关键共性技术。备受太阳能光伏市场关注的薄膜电池生产技术,“支持CIGS铜铟镓硒薄膜电池生产工艺技术研发,特别是大规模柔性铜铟镓硒卷对卷连续生产工艺,提升转换效率,降低生产成本”被纳入指南。

CIGS电池发明与硅薄膜及碲化镉电池是同一时期,但商品化步履维艰,主要是由于其材料结构及科学机理与传统的硅半导体有着很大的不同,相对于传统半导体材料结构及导电机制等诸多问题是全新的,人们在屡屡失败中逐步认清其本质。与此同时,多元化合物多晶半导体制备技术,也是在科学机理认知过程中摸索创新逐步发展起来的。

经过几十年的发展,CIGS电池的材料和器件机理越来越清晰,电池的优越性能越来越明显,实验室所创造的电池纪录不断刷新,如今已明显超过目前光伏市场主流产品多晶硅电池。与此同时其产业化技术进展不断加快,生产技术趋于成熟。南开大学光电子研究所博士生导师孙云教授所言,“CIGS薄膜太阳电池产业化核心技术已被欧美国家突破,下一步主要是降低成本,继续提高组件效率,优化设备与工艺使之更加成熟稳定。”因此,CIGS薄膜电池产业化完善技术,扩大产能降低成本,使之成为光伏市场主流产品之一将是一种必然趋势。

CIGS前景可期 谁来做?

为在新常态经济环境中有效推动能源革命进程,中国政府将发展光伏产业作为新的增长点,服务能源结构调整,改善生态环境,建设美丽中国。在2015中国光伏大会上,国务院参事、中国可再生能源学会理事长石定寰认为,在“十三五”期间,我国光伏产业不仅要在产业规模上有所发展,更要在全产业链的各个环节上提升竞争力,特别是要掌握核心技术,使产业不断升级换代。

工业和信息化部副部长怀进鹏指出,光伏产业是半导体技术与新能源需求融合发展的战略性新兴产业,发展光伏产业,对调整能源产业结构,缓解环境保护压力,实现经济社会的健康、可持续发展具有重要意义。

在经历了前期阶段性的困境后,今年以来,中国光伏产业持续回暖,电池组件的产量达31GW,同比增长32%。新增并网光伏装机容量约10.5GW,累计装机容量超过38GW,在中国18家多晶硅企业中,10家实现满产,前10家组件企业平均毛利率超过15%。世界可再生能源理事会主席沃尔夫冈˙帕尔茨博士在《光伏的世界》中指出,在本世纪全球光伏市场起步之时,中国抓住机会进入了曾由欧洲主导的这一市场,使其产业得到发展。现在,光伏在电力市场上的竞争力显著提高、价格明显降低,主要归功于中国大力发展光伏制造产业,而欧洲则没有参与这一进程。

光伏组件作为太阳能光伏电站的核心部分,是推动中国清洁能源产业升级的主要动力之一,太阳电池是新能源产业类中最先得到重视的商品,其发电能力及成本是光伏电站投资者最为关注的指标。也就是说,新产品确实符合应用环节的需求,且比老一代产品具有先进性和很好的性价比,投资者更愿意为此埋单。

孙云教授认为,CIGS电池不同于传统的硅基薄膜电池,其发电能力基本等同于晶硅电池,一旦产业化技术成熟,其产量达到GW量级,其度电成本必定要低于晶硅电池,而且制造过程的能耗和对环境的污染,大大低于晶硅电池。这种降低碳排放的生产制造,不仅是落实我国巴黎气候大会承诺的具体行为,而且更符合清洁能源的真实本质。

近年来CIGS薄膜电池技术的确取得了长足进步,汉能在德国的Solibro公司2014年4月份就宣布,CIGS(铜铟镓硒)薄膜太阳电池取得重大突破,其转化率达到20.5%,并通过了美国可再生能源实验室(NationalRenewableEnergyLaboratory)测试及认证。德国Manz集团更是将CIGS薄膜太阳电池的实验室转换效率刷新至21.7%,并且效率提升空间有望在近年突破25%。我国中科院深圳先进技术研究院采用共蒸法研制出超过20%转化率的CIGS薄膜电池,也在向产业化推进。

国内首例CIGS电站(云南石林1MW)运营商北京桑林蓝天首席执行官王晓义向记者提供了一份各种光伏发电技术路线竞争比较图,基本能说明了各种技术路线的优势与不足。

从成本上来看,早期业内对CIGS“高富帅”的印象也在不断地修正。目前国内晶硅电池成本大概在3.6元/瓦。德国Manz集团测算,CIGS薄膜组件产能超过300MW,则组件生产成本可以做到人民币2.5元/瓦,发电成本更是下降至0.05欧元(人民币0.35元),其成本上将会低于晶硅太阳电池。

采用分布式光伏发电其效能最高,薄膜光伏组件在光伏建筑一体化(BIPV)中具有一定的优势和巨大的市场潜力。据国家统计局测算,到2020年我国城乡房屋建筑面积约为890亿平方米,以东、南、西墙墙面积的15%、屋顶面积的10%铺上太阳电池板,直接市场规模超过10万亿元,间接市场规模达30万亿元,相当于我国汽车市场的3~5倍。即使按照10%的转化率和平均每年1300个发电小时计算,装机规模相当于368个葛洲坝或45个三峡电站,可替代全社会30%左右的年用电需求。“CIGS薄膜太阳电池转换率高、性能稳定、制造成本低、抗辐射能力强、弱光发电性能好,色调黑色柔和,显得高贵大气。在光伏建筑一体化BIPV或者BAPV方面,单位面积的发电量上很占优势,在垂直角度等不利于光伏组件发电的情况下,CIGS模组的弱光效应会体现得更为明显,发电量比晶硅模组更高。若是制成轻质、可弯曲的柔性电池组件,具有晶硅电池无法实现的功能。”王晓义对记者说,一项新技术的由高尖端到实际落地甚至普及,由谁来主导,在市场普及推广上非常重要。同时落地的时间节点也非常重要。最初,需要一些品牌去做普及的铺路石,或者说是探路者。虽然在企业层面,汉能出现了一些问题,但在推广方面还是有非常大的贡献的,特别是在全球市场层面已经把CIGS打造成光伏未来技术的制高点和标杆。

正如王晓义所说,“谁来做,很重要”。如“冥王星”和“熊猫”高效电池,就是当时在市场占据主导地位的无锡尚德、英利等品牌力推下才得以成功的。

如果仅以“冥王星”和“熊猫”还不能说明问题的话,同为光伏产品的组串逆变器的普及亦是如此。早在,十多年前就有品牌就开始擎起组串式大旗,成为当时公认的组串逆变器普及旗手,但是缘于该品牌在光伏行业的影响力有限,最终直到2013年通信行业龙头华为介入,全面开启组串逆变器普及之路,组串型逆变器才从国内使用不足10%,迅速在两年间上升到30%左右。

历史教训:引进、吸收、自主研发才是“正道”

CIGS虽然产品、概念出现较早,从技术层面来说被公认为代表未来方向,但始终未能形成产业。

十几年前由于欧美国家百万屋顶计划刺激了国际光伏市场,将高能耗和高污染的晶硅材料及晶硅电池产业技术和装备向中国全面开放,由于硅原料的紧张,我国又将欧美已经逐渐淡出市场的硅基薄膜太阳电池生产技术重新拾起来,成为薄膜电池的主流产业,欧美国家专门为中国定制年产40MW产线以1亿美元销售给中国多条。但代表新技术的高效稳定的CIGS及CdTe薄膜太阳电池技术却对中国实行严密封锁,迫使我国只能自主研发。

十年过去,数十家企业投入少则几千万元,多则数亿元,都想获得第一桶金,相互壁垒,孤军奋战。由于大家对于这种新型化合物薄膜太阳电池开发缺乏认知,没有一家实现量产(其中有技术原因,也有非技术原因),数十亿交了学费。

2011年晶硅电池大幅度降低售价,欧美国家很难将CIGS电池成本降至具有竞争力,不得不将CIGS产业技术向中国开放。汉能借机收购了Solibro、Miasole及GlobalSolar生产线,中建材蚌埠玻璃工业设计研究院收购德国Avancis公司CIGS电池生产线,保密严格的Manz公司也对中国实施技术开放。由于汉能的高调运作,以及北京桑林公司在石林MW级示范电站所显示的优异性能,使CIGS电池产业再度升温,吸引一些央企、国企及大民企进行前期介入,产生了新一轮的投资热潮。中建材声称投资百亿将Avancis公司技术移植到中国实现1.5GW产能;国内煤炭龙头企业神华集团正在进行引进数百兆瓦Manz产线的技术投资论证,还有一些不愿透漏的企业也在酝酿数百MW产线的引进。在孙云教授看来,收购或引进国外最先进技术及生产线,将其在中国落地,在世界顶尖级技术基础上迅速发展,可节省5~8年自主研发时间,大大缩短商品化时间,是我国快速发展的有效途径之一。在高起点上消化吸收实现国产化,继续创新做强做大,必将使我国成为CIGS薄膜太阳电池产业大国和技术强国。

目前CIGS主要有两种技术路线,即“一步法”(共蒸镀法工艺)和“两步法”(溅射后硒化工艺法),德国Manz收购的Wurthsolar目前运营的30MW生产线使用的就是“一步法”,汉能收购的德国Solibro100MW生产线也是该工艺,全线依然在德国运营;日本SolarFrontier和中建材收购的德国Avancis产线均为“两步法”,汉能收购的美国Miasole柔性CIGS产线是溅射与硒化合为一步完成,即在高衬底温度和硒气氛下进行反应溅射制备CIGS薄膜,相当于“一步法”,但原料是溅射靶材而不是蒸发的金属颗粒。上述三种技术路线的产线已经或正在准备落地中国。问题是这三种工艺的核心设备,“一步法”的共蒸发沉积设备、高衬底温度的反应溅射设备,以及“两步法”的硒化炉我国都不能自主生产,且国外也没有能够提供完整设备的供应商,因为CIGS电池制造商不希望设备商掌握核心设备的全套技术,一台设备由几个设备商加工不同部件,电池制造厂集成组合调试。孙云教授对记者强调,CIGS未来在中国本土的落地,需要在核心设备上下功夫。他建议政府相关部门应在政策和资金上,对自主设备的研发制造加大支持力度。

由于铜铟镓硒薄膜是四元化合物半导体多晶薄膜,材料结构与导电机制与传统硅类半导体有着本质不同。另外该类电池组件是由5层薄膜构成,某一层出现问题都会严重影响电池器件性能。虽然目前主要科学问题已经清楚,实验室技术比较成熟,欧美准备进入或已经进入中国的产线,均能够批量制造出组件产品。“向中国转移的CIGS产线并没有像美国FirstSolar生产碲化镉(CdTe)电池那样,试验线成功后不断以每年500MW产能迅速扩产到1.5GW,表明CIGS电池各产线技术还没有达到不断扩产的成熟度,若真能够达到不断扩产的技术成熟度,这些产线也绝对不会卖给中国。”孙云教授对记者说。因此他提醒产线收购引进者不可掉以轻心,应稳妥地分步实施量产,以中小规模引进消化吸收,在此基础上发现问题、解决问题,优化提升再创新。在实现国产化中真正掌握核心技术,在技术提升中形成自主知识产权,扩充产能最终实现做强做大。

欧洲技术封锁为常态 核心装备国产化十分重要

今年三月份,由欧洲光伏学术界与产业界创建了“CIGS Sharc25”计划。其宗旨是研究和开发超过晶硅转换效率的CIGS电池技术,其转换率将达到25%。在最近欧洲布鲁塞尔光伏技术平台年会上针对欧洲光伏技术危机,又在讨论制定一个X-GWP计划,即要建立一个欧洲千兆瓦级工厂,集研发和制造一体化,选择的技术路线原则上是最具颠覆性的技术。Sharc25计划走研发,X-GWP千兆瓦级走制造,二者捆绑一体,第一个计划资金已落实启动,千兆瓦级计划还在讨论中未定。值得关注的是,欧洲“CIGS Sharc25”计划,并没有把Solibro(被汉能收购)和Avancis公司(被中建材收购)列入参与企业研发名单内,理由是这两家公司已被中国公司收购,不属于欧洲企业。在孙云教授看来,欧洲总是将不能带来利润或缺乏竞争力的技术转给发展中国家,同时对于新技术也总是不断地开创,牢牢把握制高点,新技术对于中国高度封锁是很正常的。从“CIGS Sharc25”计划可以看出,CIGS电池转换效率提升仍有很大潜力,极有可能超过单晶硅电池,组件效率超过18%将不在话下。如果将硅薄膜电池产线的核心设备PECVD换成CIGS薄膜沉积系统,补齐其他工艺设备,若量产化技术达到硅薄膜电池产业化成熟度,其组件成本将会大大低于晶硅电池,如果销售价格与与晶硅电池相同,其产线的利润将会十分丰厚。由此可见,CIGS电池不仅在柔性组件方面具有优势,而且玻璃基板的刚性组件也仍然有十分诱人的前景。工信部《产业关键共性技术发展指南(2015年)》所支持的薄膜电池生产关键共性技术,不仅仅是“大规模柔性铜铟镓硒卷对卷连续生产工艺,CIGS铜铟镓硒薄膜电池生产工艺技术研发,”还要解决量产化的瓶颈,即核心装备国产化(这一点十分重要),在此基础上提升转换效率,稳定生产工艺,原材料国产化,扩充产能,以此来实现降低成本。

CIGS电池产品和技术上的先进性带来了未来前景,工信部将此列入了《产业关键共性技术发展指南(2015年)》,表明中央政府对此技术十分重视,央企、国企及大民企巨资投入,也表明CIGS电池产业春天已经到来。但要充分认识这一产业技术的复杂性,在消化吸收的基础上突破核心装备国产化瓶颈,形成规模经济不仅是降低成本,而且实现了高效光伏电池低能耗、低排放规模化生产,这也正是国家所大力倡导的。

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