【解读】CIGS薄膜太阳能光伏产业发展现状

电力是人类社会存在和发展的基础。当前火力发电占据主流地位，随着资源短缺和环境污染的日益加重，寻找一种清洁的、绿色的、可再生替代能源以缓解煤供应紧张和火力发电带来的全球环境压力，已成为国际社会共同追求的目标。据世界能源委员会预测数据显示，全球化石燃料最终可开采量至少可供人类使用约100年，但开采成本相对较低的储量在逐年减少。这就意味着火力发电的上网电价会逐年上升。在众多的可替代能源中，太阳能储量丰富、绿色环保、分布广泛，备受世人青睐。近年来，在国家和地方政府积极推动下，太阳能光伏产业展开了全方位、多层次的尝试和努力，取得了显著成效。

1、太阳能光伏电池分类

太阳能电池按其所用原料不同可以分为晶体硅太阳能电池、薄膜电池、染料敏化电池和有机太阳能电池等几类。其中染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池尚处于实验研发阶段，市场占有率极低。图1显示了欧洲光伏产业协会（EPIA）列举的太阳能光伏电池分类及市场占有份额。从图1中可以看出，晶体硅电池仍是光伏产业的主流产品，市场占有份额约9O%。薄膜电池领域中，化合物薄膜电池市场占有份额在1／2以上，高于非晶硅薄膜电池。

1.1 晶体硅太阳能电池

晶体硅太阳能电池包括单晶硅和多晶硅太阳能电池两种，生产工艺成熟，技术路线稳定，光电转化效率高，市场占有率高。实验室研发的钝化发射极背部局域扩散（PREI）单晶硅太阳能电池光转化效率已达到24.7%，商品化电池组件效率在17%左右。然而，传统的单晶硅太阳能光伏产品自身的特殊性限制了它的广泛发展，主要包括冶炼过程耗能巨大（冶炼1硅耗电量400~500kW·h，以硅太阳能电池发电寿命25年计算，冶炼生产过程就要耗费硅太阳能电池片7～8年的发电量），生产成本昂贵（主要原材料是高纯硅，每生产1MW规模的硅太阳能电池组件需要17t高纯度硅）。另外晶体硅属间接带隙半导体，光吸收系数低，电池厚度一般需要达到100m以上才能吸收大部分太阳光，加工破损率高，这就直接导致单晶硅电池成品价格居高不下。

相比于单晶硅电池高能耗、高污染的提炼、加工过程，多晶硅太阳能电池的生产成本降低很多。但由于多晶硅组织内部存在较高密度的位错和缺陷，光转化效率较低。目前实验室研发的小面积多晶硅电池的光转化效率在20．3%，产业化后效率基本维持在12%左右。

1.2 薄膜太阳能电池

薄膜太阳能电池厚度可降至几到几十微米以下，原料消耗率低、加工工艺简单、耗能小、制造成本低廉、可大面积连续生产，在光伏领域引起极大关注。薄膜电池主要包括非晶硅薄膜电池和其他化合物薄膜电池两类。

非晶硅的长程无序结构使其转变为直接带隙半导体，光吸收系数显著提高，相应的电池厚度大幅降低，硅原料消耗少，在薄膜太阳能光伏产品中占据一定市场份额。然而非晶硅薄膜电池长时间使用后转化效率降低，即出现w光诱导衰变效应，光电转换效率难以进一步提高，市场化进程受阻。

其他化合物薄膜电池是指在玻璃或柔性衬底上沉积Ⅲ一V族、Ⅱ一Ⅵ族化合物薄膜构成p-n结组装而成的太阳能电池，主要包括GaAs、CdTe、CdS和CIGS等几类。这些化合物薄膜电池属直接带隙半导体材料，光吸收系数高，带隙宽度与太阳光能谱匹配性好，光伏特性好。然而GaAs、CdS、CdTe等系列电池所用原材料价格昂贵、有毒、污染环境严重，制约了其大规模商业化应用。

2、CIGS薄膜太阳能电池

近年来，光伏企业更加关注成本和转化效率两方面都得以保证的薄膜太阳能电池。CIGS薄膜电池作为单位质量输出功率最高的光伏电池，以其高效、柔性、轻便、低成本、发电性能稳定等优势成为太阳能光伏电池的首选，发展前景乐观。

2.1 CIGS薄膜太阳能电池特性

（1）光吸收系数高

CIGS属直接带隙半导体，吸收系数高达10am一，电池吸收层厚度可以降低到1～2m，这样就极大地降低了原材料的消耗，减轻了In等稀有元素的供应压力。

（2）转化效率不断提高

CIGS薄膜太阳能电池的光电转化效率不断刷新。2011年实验室研发的玻璃衬底小面积（O.5cm）电池片转化效率达20.3%。最近，瑞士联邦材料科学与技术实验室（Em—pa）研发的柔性衬底CIGS电池的转化效率已高达20.4％，进一步缩小了与硅晶电池差距。目前该实验室已与瑞士FlisomAG开展合作，致力于该项技术的商业化应用。

（3）弱光性能出色

CIGS薄膜太阳能电池不仅在阳光直射下具有较高的转化效率，其弱光特性也是其他电池所无法比拟的。研究表明，在太阳辐射强度不太理想的地区，CIGS薄膜电池一天或一段时间内的累计发电量要远高于其他类电池。图2为照射光辐射强度对玻璃衬底CIGS薄膜电池转换效率的影响。标准光强照射条件下光电转换效率为14%左右，光强降到5mW／cm时，仍有1O%左右的光电转换效率，当光强进一步降到0.1mW／cm时，效率相应降到3%左右。Virtuan等研究了铜含量不同的CIGS薄膜电池在低辐射强度下的性能参数情况，结果如表1所示。从表1可以看出，Cu含量的适度降低可以极大提高电池的弱光特性。贫铜含量下，电池转换效率大约为标准铜含量时的2.6倍，填充因子和开路电压也有显著提高。这表明CIGS薄膜电池的弱光性能可以通过铜含量的适度偏离得到极大改善。

（4）生产成本低

目前CIGS薄膜电池的生产成本在1.2美元／瓦左右，与单晶硅电池相当。随着研究的不断深入和生产规模的进一步扩大，预计成本小于0.3美元／瓦，如图3所示。技术成熟后，制造成本和能量偿还时间均低于硅系电池。

（5）禁带宽度可调

通过改变CIGS吸收层中Ga的含量，可以实现产物禁带宽度在1.O4～1.68eV之间的可控性调节。鉴于吸收太阳能理想的禁带宽度为1.45～1.5eV，通过带隙优化可使CIGS最大限度地吸收太阳能。图4显示了高质量CIGS太阳能电池量子效率图。量子效率是指针对某一波长的入射光收集到的光电流与照射到薄膜表面的该波长的光子数之比。明显地，量子效率越高，光电转换效率越大。从图4中可以看出，CIGS薄膜电池的光谱响应范围较宽（350～1100rim），约占太阳能辐射光谱能量的79%，光谱利用率高。

另外，在沉积CIGS吸收层时可制成具有Ga含量偏析的层状结构，使禁带宽度呈梯度或V型分布。图5显示了后偏析V型带隙分布示意图。如图5所示，薄膜内部存在带隙极小点（1.0～1.1eV），两侧带隙较宽。这样高能量光子在宽带隙薄膜表面处被吸收，能量较小的红外光子透过薄膜表面后在带隙极小处被吸收，从而最大限度地提高光子的吸收效率。另外，后偏析V型带隙分布由于在靠近Mo背电极附近的吸收层形成势垒，减少了光生载流子在Mo背电极的复合，从而可获得更多的电流输出。

（6）抗辐射能力强

硅基太阳能光伏电池经过较长一段时间使用后，或多或少存在热斑现象，导致发电性能减弱，增加维护费用。CIGS吸收层中的Cu迁移和点缺陷反应的动态协同作用导致受辐射损伤的电池具有自愈合能力，从而保证了CIGS薄膜电池在强辐射下仍具有较高的发电效率。

（7）适用性强

CIGS薄膜电池可采用柔性不锈钢为衬底，总厚度不足4m，柔软、轻便、可折叠、不易破碎，可以针对客户的不同需求，设计成任意形状和尺寸的电池板块，应用范围广泛。

　　2.2 CIGS薄膜太阳能电池发展现状

美国以国家可再生能源实验室（NREL）为研发中心，制备的小面积高质量CIGS薄膜电池一直保持较高的光电转换效率，Global Solar和Shell Solar实施产业开发。其中，Shell Solar采用Cu、In、Ga溅射成膜，然后硒化的技术路线，所开发的4Ow电池组件的转化效率为12.1%。Global Solar同样采取溅射硒化的技术路线，研发的900cm。电池组件转化效率达13.2%。

日本新能源产业技术开发机构（NEDO）1994年启动CIGS产业化开发项目，以ShowaShell和Panasonic为主要研发机构。其中，ShowaShell采取Cu、In、Ga溅射成膜然后硒化的技术，所研发的3459cm电池组件效率达13.4%，7376cm2电池组件效率达l1.7，并且其10kW规模级中试生产线已投产。而Panasonic采用共蒸发工艺，虽然转化效率达15～16％，但电池性能不稳定，未能实现中试生产。

德国以wurthSolar为主要研发机构，采取Cu、In、Ga、Se共蒸发，然后进行二次硒化的技术，成功制备了60cm×120em大面积电池组件。

表2列出了世界主要CIGS厂商生产的大面积电池组件性能。特别要指出的是，美国Nanosolar采用纳米涂覆（即将CIGS纳米粒子涂覆在铝箔基板上）制成可绕式CIGS薄膜电池组件，其发电成本只有0．99美元／瓦。美国Miasole以不锈钢为衬底，采用溅射硒化工艺制备的1m。CIGS薄膜电池组件的转化效率达到15.7％。

与欧美、日本等发达国家相比，中国CIGS薄膜太阳能光伏产业起步较晚，技术相对落后。南开大学以国家十五期间“863”项目为依托，对CIGS薄膜电池工艺技术进行了系统研究。目前，实验室技术已基本成熟，制备出的29cm×36cm电池组件（有效面积804cm）的光电转化效率达7，实现了从实验室小面积研发到大面积中试生产的跨越。山东孚日光伏科技有限公司采用世界领先的CIGS薄膜电池组件并网发电技术和孚日光伏自主制造的CIGS薄膜电池组件，成功安装了集团棉纺二厂CIGS光伏屋顶电站。电站计划总安装规模3000kW，建成后每年可发电330万kW·h，设计运营寿命为25年，总发电量为8250万kW·h。规模化生产的大面积CIGS电池组件的转化效率与实验室制备的小面积电池组件相比仍存在较大差距。鉴于此，进一步探究CIGS薄膜电池光电转化的影响因素和机理，优化工艺技术路线，对加快CIGS薄膜电池的产业化进程，提高市场占有率具有重要意义。

3、结语

硅基太阳能光伏电池的光电转化效率和市场占有率仍高于cIGS薄膜电池。但随着硅原料供应的日趋紧张，CIGS太阳能电池的投资成本优势将进一步显现。CIGS薄膜电池基础研发的不断深入和生产厂商的相继建立，势必会带来太阳能光伏产业的重大变革。然而，大面积CIGS太阳能电池组件的转化效率不高仍然是制约CIGS产业化进程的瓶颈。鉴于此，进一步弄清CIGS薄膜电池的光电转化机制和影响因素，基于理论优化工艺技术路线，就成为今后CIGS太阳能光伏产业的重要研究方向。