庄大明：CIGS薄膜技术的关键何在？

在能源峰会2015中国光伏技术与装备分论坛上，庄教授为大家带来了当前最为先进的太阳能薄膜电池，现场详细分析了其特点和发展方向。

以下是清华大学材料学院常务副院长庄大明的演讲内容：

各位代表，非常高兴有机会能够在这么一个场合给大家做一个报告。我今天主要想讲一下光伏里边势头很好的一种太阳能电池，叫铜铟镓硒太阳能薄膜电池，我主要讲一下这个电池的发展，还有即将面临产业化过程当中一些关键的装备。

讲四点内容：第一、对整个太阳能电池种类做一个简要的评述。第二、铜铟镓硒最近的一些发展。第三、产业化过程当中有很多工艺路线，哪些比较有生命力，或者产业化过程当中真正有产业化前景的。最后，工作当中也体会到产业化关键装备的重要性，以及所面临的一些挑战。

第一个问题，我简要的评述一下。这里边列的不是很全。但是，也是一些我们有产业化前景的，或者是我们经常能听到的一些太阳能电池。我把这些按照发明年份排列的太阳能电池重新做一个排布。先看后面底下的红框的，像砷化镓这样的电池，我们称之为“皇帝的女儿”，一般民用不太可能的，都是在军工领域，也可以不计成本，只要性能高就可以。它之所以贵，是因为砷化镓电池必须做成单晶的效果，如果多晶的就不行了，因此制备过程非常昂贵，也非常不容易。像上天的航天，神五，神六，都是砷化镓的。

染料敏化太阳能电池，还有钙钛矿太阳能电池，我个人作为一种学术观点，我认为它产业化前景很不好，这个话不是今天说的，十年以前，我做铜铟镓硒的时候就预测过，今天的局面，我认为和我预测的是一致的。染料敏化走投无路的时候，就出现了钙钛矿，给搞染料敏化的人看到了一些希望，但是我的观点同样是一样。这么说可能会遭恨，尤其在科学研究上面，你不能预测不行。但是，其实我觉得科学应该做这个事情，有些路是不通的。它稳定性太差，遇到水，遇到热就不行了，或者见阳光死。量子性太阳能电池太遥远了。上面三个层次，一个是规系的，多晶硅，单晶硅的，。还有非晶硅的等。

我们简单的看一下，因为这个不是我今天主要讲的内容，大家大概了解一下。单晶硅现在做的好的航空航天领域有做到24%，25%的。单晶也快到顶了。多晶硅20.4%，作为产品也能到15%到18%。这个多晶硅太阳能电池稳定性很好，目前在市场上有些说80%以上，有些甚至说90%以上。同时，它要求99.9999%，它不足的地方，从电池本身性能来讲，是间接带隙半导体，耗材比较过，提纯的时候是高耗能和高污染的情况。

非晶硅不用多说了，现在几乎没有人再去产业化了。它稳定性不够，衰退的非常严重。所以，薄膜太阳能电池，刚才提到这三大类，还有碲化镉和硫化镉，这里面全球Firstsolar做的一枝独秀，但是不外传，我理解两个原因，一个是技术不外传，掌握杜门绝迹。另外，碲做的很好。GIGS，电池效率21.7%，电池模块15.7%。

综合起来考虑，电池的性能，技术成熟程度，原料供应，将来生产成本，环境友好，以及未来的发展趋势来看，我觉得铜铟镓硒是一个很好的选择，而且目前从我们掌握的技术来讲，也已经到了可以产业化的情况。

第二、铜铟镓硒的特点和技术发展。这是它的电池结构，旁边是铜铟镓硒的结构，这个图本身可以说明铜铟镓硒是一个非常稳定的一种物质，可以带来很多好的性能，比如直接代谢半导体，我下面就不想往下说了，可能时间关系，结构比较稳定，然后效率不降低，而且还可以提供作用。还可以做成梯度代谢的铜铟镓硒，理论上可以达到40%左右，还有理论上的一些潜在的研究，有一些铟、镓，也是被认为稀缺的东西，铝跟它化学周期表里面同一族的可以替代它。

这些一个是时间，第三列是单位，第四列是不同年代取得的记录。我们尤其关注一下，美国可再生能源实验室，目前已经到21.7%了，这是国内外研究铜铟镓硒的一些单位。国内做的比较早的南开大学的孙老师，还有我们是1999年开始研究的，产业化方面，现在正在努力的，包括汉能，中建材。这是国内外的一些研究机构，国内也看看到底从一个什么样的水平。我们把效率超过17%的一些单位列在这儿，大概9家，我们也处在第四、第五的样子。这里面当然也有Solibro额，现在也被汉能购买了，这是一个好事。

铜铟镓硒的工艺方法，我们用制备铜铟镓硒吸收层的方法称之为铜铟镓硒太阳能电池制备工艺。蒸发我们简单来讲，示意图，底下有一个蒸发的坩埚，或者热蒸发的热坩埚，加热以后变成蒸汽，点蒸发源分布是不均匀的，如果做成均匀，点是排成一排的。这个上面有一个线蒸发源，我们也考察过，它应该这么一种结构。比如硒也好，铟也好，铜也好。蒸发法最大的问题有硒单制，如果真正产业化，擦设备还来不及。这个是薄膜，可以玻璃的很大，整体很均匀。总体来者比较，用磁控溅做出来的薄膜性能可以得到保证。

也基于这样一个认识，我们也一直走基于溅射的铜铟镓硒工艺路线，首先在工艺方法走对的情况下，我们如何克服一些技术问题，然后使我们效率能够达到比较高的水平。这张图可以说我们过去十几年走过的路，或者走过的一些努力。从工艺角度来讲，我们在13年的时间里面，从工艺1、工艺2、工艺3、工艺4，基本上我们用溅射的方法，被溅射的材料可以是铜铟，可以是铜铟镓，可以是铜铟镓硒，后面可以用单质Se硒化。最后研究过程当中，有进一步认识以后，现在是四元铜铟镓硒靶材进行硒化，这里面效率有很大的提高。这个过程当中，由工艺思想的变化，必然导致工艺装备的变化，我们实验室经历了第一代、第二代、第三代、第四代硒化炉。装备跟工艺是紧密相关的，但是装备做好了，对工艺的实现是非常重要的。

那么，在这个过程当中，我们觉得有两个关键的认识，一个是铜铟镓硒四元靶材的提出，还有H2Se后处理工艺的提出，当时我们用铜铟镓硒四元靶材之前，效率怎么也上不去，靶材之前硒化的时候，之前得到的既有反映，又有扩散，最后得到的吸收层根本不是你想要的。后来我们提出来，用铜铟镓硒，这是我们有原创性的一些思想。后续过程当中硒有适当的保证，不流失就可以了，最后得到的吸收层是非常稳定的得到。

第三、最大的一个思想上的认识，就是用硒，单质硒，用硒化氢代替单质硒。我们第一代，第二代硒化炉也是不断在提高，这是前十年的工夫，2011年我们采用了最新的工艺方法，这是实验室用的最新工艺方法，炉子，达到今天的水平。我们一厘米见方18.9%，国内应该是最高的，这个说明一下，因为汉能买了国外的公司，这个应该也属于国外的，这个我们不是第一，但是也是国内的领先水平。我们更关键10厘米×30厘米达到17%，30厘米×30厘米达到15.3%，有些只有0.5厘米，0.4厘米，做到25.7%，但是其实做大也是不那么容易的。我们的技术要求和配置都是根据自己的工艺提出来的。另外还自己在这个过程当中，已经掌握了铜铟镓硒靶材的烧接技术，这里面密实率越高，做出来的越高。由于这么一些原因，我们如果产量达到150兆瓦，或者200兆瓦水平的情况下，现在我们太阳能电池可以到2.2RMB/Wp。

　　最后，产业化关键装备的制造的挑战，这是我们保定北三环中路那个地方生产线，6月底设备全部到位，到产线过程当中出现的技术问题，首先它已经不是科学问题了，往往是工程问题。但是，我们说的工程问题，作为搞技术研究的人来讲，这个好像没水平，其实恰恰不一样，这是我们中国人经常认识上的一个误区。实验室的东西，能够把它产品真正作为为民所用，真正解决的工程技术问题，实际上要解决那个难度，并不比科学问题的解决来的容易。

尤其比如我们将来的产品，目前的规格635×1245，甚至做成两块，1270×1245这是非常不容易的，尤其小电池好做，但是做大了，首先要解决均匀的问题。这里面虽然存在不可逾越的科学问题，但是实实在在的去解决，也是不容易的，否则就出不来产品，产率上不去，或者价格把你卡住了。

我更多讲的是铜铟镓硒的吸收层，但是实际上这个电池结构摆在这儿，涉及到五六层薄膜，这五六层薄膜，都要把它做好，都要把它形成很好的界面，都是不容易的。这里边涉及的装备很多，我讲一个硒化炉，我们的装备已经做的很好，由于我们的工艺，可以大大简单，但是即便如此，我们也要求处理过程当中大面积温度的均匀，硒源布局的均匀，还有考虑到连续生产，一头进，一头出等问题。因此，光这几个均匀性和腐蚀性足以我们考核研究这个设备，但是因为这是一个新的技术，国内还没有生产厂家来生产。所以，我们提要求的时候要求那样，这样，人家只能根据我们的要求来生产。这个635×1245这个玻璃，冷却过程当中，玻璃有一些变形，但是我们相信能解决。我们感觉到国内的制造商也是趋之若鹜的，基本上你跟他提要求，什么都敢答应。基本凭经验，最后有问题了推托，这种比较多。还有化学浴也是，这么大面积上要均匀镀出一层硫化镉也是非常不容易的。

最后我讲一下内联刻划，这是我们现在用的德国的唯一采用国外的装备，国内也有厂家试图在做，尤其现在新的工艺路线完全采用激光的方法做了，这是P1、P2、P3刻划过程当中，实际上这个要求也是很高的，如果好的技术，可以减少失去的面积，使得我们效率好一些，但是线与线之间只有20微米，线型要保持直，做到这一点非常不容易，有些国内企业也是同样遇到这个问题。我说没问题，这个我也都能做，胆子大，敢承诺，敢干，但是真出了问题以后，不去研究。我们希望真正进行深入的研究，使我们整个光伏产业能够上去，谢谢大家！