铜铟镓硒薄膜太阳电池产业化探索

山东孚日光伏科技有限公司 王岩 李和胜 孙琳

一 引言

铜铟镓硒[CIGS:Cu(In1-x,Gax)Se2]薄膜太阳电池无论是实验室记录还是产业化水平，均是第二代薄膜光伏技术中光电转化效率最高的[1,2]。因为兼具优异的稳定性和良好的弱光效应，铜铟镓硒薄膜太阳电池不但可以广泛应用于地面光伏电站、屋顶电站以及光伏建筑一体化等各种光伏细分市场，还在空间动力电源等特殊应用领域具有广阔的发展前景[3]。

在CIGS薄膜电池的基础研究和工业制造方面，以美国、德国和日本为代表的发达国家走在了世界前列。中国要在CIGS薄膜电池产业化领域奋起直追乃至后来居上，走原始创新、集成创新与引进消化吸收再创新相结合的道路，是直面挑战、正视差距的明智之举。

二 CIGS薄膜电池发展现状及未来趋势

1 CIGS薄膜电池产业化现状

综合JRC、GTM Research等知名研究机构的分析数据，截止2011年全世界从事CIGS薄膜电池制造的企业约40家左右，产能已经接近1.5GW。其中以日本Solar Frontier产能最大，超过1GW。但是，2011年CIGS薄膜电池实际产量约850MW，产能释放率约为56.7%；仅占全年光伏电池产量的2.88%(2011年全球光伏电池总产量约为29.5GW)[4,5]。

上述约40家从事CIGS薄膜电池产业化的业者从地域分布的角度主要集中于德国、美国和日本，代表型企业包括德国的WŸrth Solar、Avancis和Solibro；美国的Global Solar、MiasolŽ、Nanosolar和Solopower；日本的Solar Frontier。从产品的种类出发，德国和日本的企业主要集中于以浮法玻璃为基底的集体型CIGS薄膜电池组件的生产；而美国的企业主要从事不同柔性组件的生产。从工艺路线角度出发，真空路线的共蒸发法和溅射后硒化法仍是CIGS薄膜电池产业化的主流技术；但是非真空的印刷法和电化学沉积法也取得了较大的进步，进一步拓宽了CIGS薄膜电池产业化的通道，极大的推动了其产业化进程。

在技术发展水平方面，多数从事CIGS薄膜电池生产的企业均可将全尺寸CIGS薄膜电池组件的光电转化效率稳定于11%～13%，当然针对不同的工艺路线和基底材料，组件实际的光电转化效率略有不同。

2 CIGS薄膜电池发展趋势

自2011年第三季度开始光伏市场发生突变，晶硅太阳电池价格降幅已经超过40%，给薄膜太阳电池的发展带来了前所未有的巨大压力。薄膜太阳电池惟有加快以技术为驱动、以市场为导向的创新步伐，才能在日益激烈的竞争中摆脱被动局面、占有一席之地。根据GTM Reaearch在《Thin Film 2012-2016》一文中的数据预测，在未来五年薄膜太阳电池的产能和市场将持续增长，其中CIGS薄膜太阳电池的产能将在2016年达到4GW的规模，从而与CdTe薄膜太阳电池分庭抗礼[4]。

与研发机构和制造厂商对CIGS薄膜太阳电池的热切期待相一致，广大投资者在光伏行业的资金投入也集中于两个领域——除了收益较丰的光伏工程领域，便是有望发力的CIGS薄膜太阳电池。MERCOM在《Solar funding and M&A:2011》一文的数据统计中，以Stion、MiasolŽ和HelioVolt等公司为代表的CIGS薄膜太阳电池厂商在2011年和2012年一季度分别吸引了4.67亿美元和1.04亿美元的投资[6]。

三 铜铟镓硒中国产业化实践

CIGS薄膜太阳电池商用市场拓展脚步迟滞的原因概括起来主要有三点:一是技术复杂，造成准入门槛高。因为复杂的工艺制程和吸收层组成元素众多，造成CIGS薄膜电池的准入门槛相对较高，这也是量产企业高度集中于德国、美国和日本等发达国家的主要原因。二是工艺尚未标准化，对专用设备依赖较大。由于从事CIGS薄膜电池批量生产的技术多种多样，还没有形成类似晶硅电池那种成熟的标准化工艺路线，造成CIGS薄膜电池产业化严重依赖专用设备的制造，初始投资较大，设备的投资回报比较低。三是制造成本相对较高。复杂多样的工艺、专用化的设备以及较小的产业化规模极大的阻碍了CIGS薄膜电池产业化的步伐[7]。

因此，若想推动CIGS薄膜电池产业化的进程，需要在规避技术准入门槛、推进工艺标准化和降低生产成本方面做进一步的努力。山东孚日光伏科技有限公司正是在这三方面进行了卓有成效的探索和实践，才走出了一条CIGS薄膜太阳电池中国化批量生产的新型之路。

1 孚日光伏产业化工艺路线

孚日光伏采用溅射后硒化工艺方法制备CIGS薄膜太阳电池，电池结构如图1所示。

孚日光伏CIGS薄膜电池以普通的浮法玻璃为基底，采用磁控溅射方法制备金属钼(Mo)层作为背电极；光吸收层是采用两步法制备:预先采用磁控溅射的方法制备铜铟镓(CIG)的金属预制层，而后进行高温硒化获得铜铟镓硒(CIGS)吸收层；随后采用化学水浴(CBD)的方法制备硫化镉(CdS)的缓冲层；之后再继续采用磁控溅射的方法制备本征氧化锌(i-ZnO)适配层和掺铝氧化锌(ZAO)窗口层。为提高电池的开路电压，穿插进行几步刻划工艺，将大面积的单一电池认为划分为多个电池，同时实现区分小电池的串联。电池制备的工艺流程如图2所示。

图2 CIGS薄膜电池制备工艺流程图

电池制备完毕之后就进入到组件制备过程。在这一过程中完成电极的引出，封装材料的敷设、盖板玻璃的敷设以及层压、装框等工艺过程，以最终获得CIGS薄膜太阳电池组件。

在批量生产上述标准产品的同时，孚日光伏还积极针对不同的细分应用市场陆续开发了无框型CIGS薄膜电池组件和透光型CIGS薄膜电池组件；上述产品已经获得国家专利，可以广泛应用于屋顶光伏电站和光伏建筑一体化应用领域[8,9,10]。

2 孚日光伏产业化经验总结

作为一家真正实现CIGS薄膜电池批量化生产的企业，孚日光伏掌握了大规模生产CIGS薄膜太阳电池的全套核心技术及全面管理经验；突破了长期以来制约CIGS薄膜电池产业化的技术壁垒和管理经验匮乏的难题。

伴随公司的快速成长，一支本土化的、经过实践检验的、学历层次和专业结构合理的技术团队日臻成熟；该团队拥有CIGS薄膜电池建厂的全套实战经验，CIGS薄膜电池规模化生产的管理经验，完全具备自主进行生产线垂直整装和新产品研发的能力。

经过多年沉淀和积累，公司用于CIGS薄膜电池生产的全套生产工艺、核心技术以及核心生产设备的关键设计正申报国家发明专利，辅以产品设计相关专利，自有知识产权群正逐步形成。

经过三年的实际操作和管理经验，公司积累了丰富的洁净厂房管理经验，水、电、气以及“三废”处理等基础设施构建和管理经验，具备了为更大规模CIGS薄膜电池生产项目服务的能力。

公司的标准产品已经通过德国TŸV和中国金太阳质量认证，质量水平已达世界先进水平。作为中国大陆首家同时拥有上述两项认证的CIGS薄膜电池生产商，可为客户提供一流产品。

公司建立了完整的CIGS薄膜电池生产所需原材料及生产辅料技术标准及检验标准，建立了稳定的本土化原材料供应体系。原材料评估开发流程已列入管理体系，按国际标准开展运作。

公司建立了涵盖原材料入厂检验、生产过程控制及成品质量控制等完备的质量管理体系，通过ISO9001国际质量管理体系认证，有效地保证了产品质量的稳定性。

公司拥有设备齐全、管理一流的分析测试中心，建立了完善的原辅料及半成品检验控制方法和标准，可为CIGS批量化生产提供全套检测服务。此分析测试中心也是技术中心的雏形。

按照ISO 9001国际质量管理体系的要求，公司已经建立起完善的新产品开发设计流程，并针对目标市场和客户要求进行定制化产品的开发和设计。公司开发的BIPV专用无框组件和透光组件已经获得国家专利授权。

公司自行设计和安装了国内最大的CIGS薄膜屋顶电站。该项目成功入选2011年金太阳示范工程。通过不断为客户提供定制化的系统设计服务，公司已经具备了向不同客户提供定制化系统设计、产品生产和安装的实际项目管理经验和能力。通过自行设计安装的示范项目在金太阳示范项目评审中顺利过关，公司也获得了帮助客户进行金太阳等示范项目申请的经验和能力，正逐步成长为光伏系统解决方案提供商。

经过三年多的实际运营，尤其是第一条产线投产以来批量生产积累的生产调度、工艺优化、设备维护以及基础设施操作等经验，孚日光伏已具备了进一步扩充生产规模的条件和能力。伴随市场开拓工作的展开和产品质量认证的获得，在市场开发、系统设计与建设以及项目申报方面也积累了丰富的实战经验。

四 铜铟镓硒未来产业化思考

1 市场及客户对组件制造商的要求

毋庸置疑，太阳电池的应用范围将在人类日常生活所需的各个领域日益广泛。同时，不可否认的是，光伏电站仍将是太阳电池组件主流的应用方向。典型的光伏发电项目商业模式是:光伏组件制造商向EPC(设计－采购－施工)工程总承包商提供组件，后者受投资者委托负责建设光伏电站，以向最终消费者提供电力。

在此过程中，投资人怎样会做出投资决策并引发金融机构的兴趣和认同，是光伏发电项目得以实施并运营的关键所在。有业内专家引进“可融资性”(Bankablility)这一金融术语，用于判断对某个光伏发电项目的认可度、可靠性，以及是否值得信赖并最终获得投资[11]。投资者在判定一个光伏发电项目是否具有可融资性时，会定量和定性评估各个环节的各项风险，与光伏组件制造商紧密相关的是太阳电池的性价比和可靠性。要求电池组件供应商提供符合相应质量标准要求的，高稳定性的电池组件，并建立完善的关于组件生产信息的可追溯数据库。当然，高的转化效率和较低的生产成本始终是光伏组件被客户认可必需的前提条件。

孚日光伏在努力提高产品质量和稳定性以及最终满足光伏项目的“可融资性”方面做了许多前瞻性的探索和尝试。

2 孚日光伏的探索与尝试

在保证组件产品质量及稳定性方面，孚日光伏已经顺利获得德国TŸV和中国金太阳质量认证，质量水平已达世界先进水平。此外，孚日光伏还完全按照IEC标准要求在工厂内搭建了组件可靠性检测实验室，以保证产线上生产的组件完全满足IEC标准要求。此实验室正在积极申报国家认可实验室(CNAS)认证。

在保证产品质量稳定性及可追溯性方面，孚日光伏已经获得ISO9001国际质量管理体系认证；同时在生产线上建立了生产制造执行系统(MES)，可以监控产品生产每一个环节，并记录所采用的工艺、材料及设备信息。该系统以ID号作为唯一标识，准确定位每一个组件，以保证组件信息的可追溯性。

在持续提升组件光电转化效率和产品质量方面，孚日光伏已经组建了企业技术中心，并于2012年5月获得潍坊光伏工程研究中心授牌。本中心致力于薄膜光伏相关基础理论及工程问题的研究，以新工艺、新材料、新产品、新设备为研发的重点和方向，将为电池转化效率和质量水平的提升提供强有力的智力支撑。

3 CIGS薄膜电池未来产业化的思考

按照目前的技术发展水平，CIGS薄膜电池的产业化之路还很漫长，需要组件制造商、相关设备/材料供应商和科研单位的共同努力。要想继续扩大CIGS薄膜电池的市场份额，拓宽其应用领域，必须坚持以市场为导向，以技术创新为驱动力，凭借紧扣客户需求和差异化的产品来增强产品的竞争力。

作为光伏组件的制造商，应当准确的把握市场发展的脉搏，深挖技术潜力，不断进行技术、产品与应用的创新，紧紧围绕如何更好地满足客户需求这一根本目的，依靠提升产品的附加值和质量，降低生产成本来站稳市场，不断扩大CIGS薄膜电池在光伏市场的份额，推动其产业化进程。

[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]山东孚日光伏科技有限公司.一种无框BIPV太阳能电池组件(P),中国专利:201120217445.7.

[9]山东孚日光伏科技有限公司.一种铜铟硒薄膜太阳能电池组.件(P),中国专利:201120217608.1.

[10]山东孚日光伏科技有限公司.一种铜铟硒薄膜太阳能透光组.件(P),中国专利:201120321916.9.

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