CIGS薄膜太阳电池产业化分析报告.docx

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CIGS薄膜太阳电池产业化分析报告

CIGS薄膜太阳电池产业化分析报告

CIGS薄膜太阳电池产业化分析报告1、CIGS薄膜太阳电池实验研究发展历程

[1]自1976年美国Maine州大学首次开发出转换效率6.6%的CIS薄膜太阳电池以后，CIGS薄膜太阳电池由于具有成本低、效率高、稳定性好等优越的综合性能，开始受到人们的普遍重视，发展迅速，成为国际光伏界的研究热点,被认为是薄膜电池中最有发展前景的光伏材料之一。

它具有以下突出优点:

（1）CIS薄膜的禁带宽度一般为1.04eV，通过掺入适量的Ga替代部分In，成为CuInGaSe1-xx2混溶晶体，薄膜的禁带宽度可在1.04,1.67eV范围内调整，这就为太阳电池最佳带隙的优化提供了新的途径;

5

（2）是一种直接带隙材料，光吸收率达10/cm量级，电池厚度1微米就可以将90%以上的入射光子吸收，降低了昂贵的材料消耗，最适于太阳电池薄膜化;

（3）抗辐射能力强，用作空间电源具有很强的竞争力;

（4）转换效率高。

在NREL2008年发布的报告中，具有常规结构以玻璃为衬底的小面积CIGS电

[2]池效率已经达到19.9,

22（5）电池性能稳定，无衰退性。

美国波音航空公司曾经制备91cm的CIS组件经100MW/cm光照

[3]7900小时后发现电池效率没有任何衰减;

（6）技术成熟后，制造成本约是晶体硅太阳电池的二分之一到三分之一，能量偿还时间在一年之内，远低于晶体硅太阳电池;

（7）玻璃衬底中的Na效应。

在CIGS薄膜中微量的Na可以显著的提高电池的转换效率和成品率，因此使用碱石灰玻璃（soda-limeglass，简称SLG）作为CIGS的衬底，除了成本低、膨胀系数接近外，还有Na掺杂的考虑。

1.1国际研究状况

1.1.1小面积玻璃衬底CIGS太阳电池

虽然CIGS电池起步比较晚，但是经过20多年的发展小面积单结电池转换效率提高迅速。

1982

[4]年Boeing公司采用蒸发法制备出的电池效率首次超过10%。

1983年ARCOSolar提出了硒化法，

[5]并于1988年制备出了转换效率11.1%的CIS电池。

1993年EuroCIS采用CdS/Cu（In,Ga）Se2结

[6]构制备出的电池效率超过了15%。

1994年美国NREL（NationalRenewableEnergyLaboratory）

[7]提出了共蒸发三步法，制备出了全面积转换效率16.8%的电池。

这之后NREL一路领跑，分别于

[5][7][8]1996年、1999年、2003年制备出了转换效率17.7%、18.8%、和19.2%的CIGS电池，均创造

[2]了当时的最高转换效率记录。

2008年NREL更是将效率提高至19.9,。

图1给出的是实验室制备CIGS薄膜电池效率发展曲线图。

[9]图1实验室制备的薄膜电池效率

1.1.2柔性衬底小面积CIGS电池

柔性衬底主要指不锈钢、钼、钛、铝和铜等金属箔材料及聚酰亚胺等柔性材料。

美国、日本和德国的研究机构在柔性金属CIGS电池研究方面处于领先水平。

表1列出了目前的各种金属衬底CIGS电池的最高效率。

美国国家可再生能源实验室（NREL）研制的小面积不锈钢电池的最高转换

[10]效率达到了17.5,，是柔性衬底CIGS电池的世界记录。

表1不同柔性金属衬底CIGS太阳电池的研究水平（AM1.5）

柔性衬底转换效率（,）吸收层制备技术研制单位

SS17.5CIGS（共蒸发）NREL

Mo11.7CIGS（氧化物预制层，硒化）IEST[11]

Cu9.0CIGS（电沉积预制层，硒化）CISSolartechik[12]

Ti16.2CIGS（共蒸发）HMI[13]

Al6.6共蒸发CIGSETH[14]

1.2国内研究状况

我国于2001年将CIS薄膜太阳电池列入国家“十五863”重点项目，在天津市建立铜铟硒太阳能薄膜电池试验平台和中试线，由南开大学承担。

该项目的成功运作将为我国CIS薄膜太阳电池的产业化发展，乃至为国内CIS薄膜太阳电池的发展奠定坚实的基础。

目前，采用三步法蒸发沉积制备的小面积电池（0.92cm2）最高效率为14.1%，小组件（约10cm2）效率为8%，不锈钢衬底电池最高转换效率10%，聚酰亚胺衬底电池最高转换效率9.7%,均在国内处于领先水平。

目前国内从事CIGS薄膜太阳电池研究的单位除了较有影响的南开大学外，清华大学、中国科技大学、浙江大学、武汉理工大学、桂林工学院等也纷纷开展CIGS太阳电池的研究工作，研究工作除了传统的共蒸发法、溅射硒化法外，还涉及到有望大幅度削减生产成本的电化学法,电沉积法，但是眼下还未有突破性研究进展。

2、CIGS产业化发展状况

2.1CIGS产业化发展历程

CIGS电池具有很好的商业前景，许多国际研究机构和商业公司很早就投入实验研究，因而CIGS组件在全球范围内得到了稳步的发展，特别是日本和欧美在CIGS太阳电池的研究方面投入了大量的人力和物力，进展相当快。

80年代期间，Boeing和ARCOSolar在CIGS走向产业化方面做出了大量贡献。

两个公司分别采用两种不同的工艺技术沉积CIGS薄膜，即蒸发法和金属预制层溅射后硒化法，这也是目前世界上获得高效CIGS电池组件最常用的两种方法。

CIS的商业化生产首先由西门子公司（前身ARCOSolar，后来转为ShellSolar）在90年代初实现。

2.1.1CIGS组件

日本ShowaShell和松下电器分别以溅射后硒化工艺和共蒸发工艺进行研究。

其中的Showa

2Shell在02年8月制备的ZnO/Zn（O，S，OH）/CIGS结构的组件，由4片面积900cm的电池串联x

[15]而成，更是获得了13.4%的效率，并建成了10kW的中试线。

美国则是以NREL为中心进行研究，以GlobalSolarEnergy（GSE）和ShellSolar为主进行产业开发。

ShellSolar公司也是采用溅射后硒化工艺，99年其生产的40w输出功率的组件创造了12.1%的当时最高效率，03年ShellSolar再接再厉，不但将成品率提升至85%，64.8w输出功率

[16]的组件效率也升至了13.1%，效率稳定在11%-11.5%之间。

德国则以WurthSolar、ZSW、JohannaSolar等为代表进行产业研发，WurthSolar公司采用的是Cu、In、Ga、Se共蒸发，然后二次硒化的工艺，平均效率已经达到8%以上，02年末产量达1.2MW，

22[17]生产能力3MW/年，03年1.2×0.6m组件最高效率接近12%。

ZSW制备的基板面积30×30cm的的组件也取得了可喜的成绩。

JohannaSolar与南非Johannesburg大学合作，采用溅射后硒化再硫化工

[18]艺，100×30cm2衬底包含60片CIGS电池，组件效率达到14.7?

1.2,,是目前为止采用溅射后硒化工艺获得的效率最高的CIGS组件。

2[19]除此以外，03年瑞典的Uppsala大学研制的16cm小型CIGS太阳电池组件效率也达到16.6%。

2法国的Taunier等人采用电沉积的方法制备的30×30cm组件效率平均在6%-7%。

表2给出大面积CIGS薄膜的研究进展。

表2大面积CIGS薄膜的研究进展

2.1.2柔性衬底CIGS组件

柔性光伏组件的中试和产业化已经取得了令人瞩目的发展。

IEC和Solarion均使用卷,卷工艺沉积吸收层。

IEC使用两步法工艺:

首先沉积富Cu层，时间大约为32min。

接着沉积In,Ga,Se层，时间是12分。

在整个过程中，In、Ga的流量保持一致，所以不存在梯度带隙。

而Solarion公司采用离子束辅助共蒸发（Ionassistedcoevaporation）技术制备的20×20cm2聚酰亚胺薄膜（PI）衬底CIGS薄膜电池最高转换效率达到了8,，平均效率5,，在大面积柔性PI衬底CIGS薄膜研究领域处于领先地位。

美国GlobalSolar公司采用不锈钢衬底，30×120cm2面积上电池效率

[20]达到10.7,，平均效率8,。

2.2CIGS产业化技术特点及存在问题

CIGS电池的吸收层铜铟镓硒薄膜是一种多元化合物多晶半导体材料，元素配比是决定材料性能的主要因素，它的典型结构如图2所示。

由于元素成分多、结构复杂，工艺中某一项参数略有偏差，则材料的电学性能和光学性能变化很大，制备过程难于控制。

因此，CIGS薄膜是电池的核心材料，制备它的工艺技术方法即为它的技术路线。

CIGS薄膜的制备技术有很多种，包括蒸发法、溅射后硒化法和混和法、分子束外延、电化学、微粒沉积技术、脉冲电子束沉积（闪蒸法）、激光沉积等。

但实现商业化大规模生产的制备技术只有蒸发法、溅射后硒化法和混合法。

阳光

蒸发上电极Al

溅射减反射层MgF2

溅射窗口层ZnO:

Al

溅射窗口层i-ZnO

CBD法沉积缓冲层CdS

溅射后硒化与共蒸发吸收层Cu（In,Ga）Se2

溅射背电极Mo

玻璃衬底或柔性衬底

图2CIGS薄膜太阳电池典型结构

硒化法适合大规模生产，比较普遍，包括硒化氢硒化和固态源硒化，硒化后也可增加硫化过程，最终形成满足配比要求的CIGSSe多晶薄膜。

金属预制层成膜方法有溅射、蒸发和电沉积等等，一般采用溅射方法。

溅射金属预制层可以保证大面积薄膜的均匀性，金属元素的配比可以通过控制溅射速率和溅射时间实现对薄膜厚度和元素比例的精确控制。

难点主要集中在后硒化工艺，如硒气氛的气流、衬底加热器的分布和过程控制等。

最初由西门子公司创造并发展的这一技术路线被业内人士称为最成熟技术路线。

美国ShellSolarIndustries，USA（原西门子公司）CIS太阳电池3MW生产线，采用溅射后硒化技术制造的60cm×90cm铜铟硒太阳电池组建转换效率达13.1,（有效面

积），输出功率为65Wp;日本ShowaShell研发中心中试生产线采用“溅射后硒化”技术制备铜铟硒集成电池组件30cm×30cm，最高转换效率达14.2,，30cm×120cm组件效率最高达到13,;利用这一技术2007年建立20MW生产线。

硒化技术特点是能源消耗小，工艺过程容易控制，但该技术路线的问题是HSe属于有毒危险气体，此外制备CIGS薄膜时间长，设备比较庞大，原料消耗和生2

产设备成本高于蒸发法技术路线，但较易实现元素的精确配比和大面积均匀性，其技术难度要低于共蒸发法。

蒸发法是由美国boeing公司发展起来的，其特点是薄膜材料晶相结构好，各个元素比例可以在蒸发过程中调节，特别是通过调节Ga元素在吸收层纵向分布来实现禁带宽度梯度结构较为容易。

这种技术生产周期短，节省贵重金属材料，设备紧凑成本低，是大规模生产铜铟镓硒薄膜太阳电池很有发展前景的技术路线。

但技术难点是要求每种元素蒸发速率及蒸发量要精确控制，实现工业化还需要保证大面积沉积的均匀性，因而“多元线型蒸发源连续沉积大面积CIGS薄膜设备”和工艺技术是制备CIGS薄膜材料国际上最尖端技术，目前只有德国ZSW中心开发出来并用于WuerthSolar生产线，2003年生产CIGS电池组件10000片，约420kWp，2004年在第二条1.3MWp中试线上（基片宽60cm）生产120cm×60cm组件的最高效率为13.0,，平均效率达到11.5,，产量的80,超过平均值（按总面积算），有效面积的平均效率达到12.3,，成为大面积中效率最高的薄膜太阳电池，也是薄膜太阳电池生产线的世界记录，目前已经超过溅射后硒化方法，2007年建成单机年产15MW生产线。

蒸发法技术难度较高，生产过程控制难度大，优点是不使用HSe有毒气体。

固态源硒化2

法工艺简单，成本低，不使用HSe气体，但技术还不成熟。

2

分步蒸发法可使元素分布产生梯度效果，而且薄膜晶相结构好，但沉积大面积CIGS薄膜时要求Cu、In、Ga、Se为线性蒸发源，由于蒸发金属Cu的线性蒸发源温度要达到1200度以上，蒸发源材料和结构在如此高的温度实现困难，而且也很难达到其控制精度和稳定性。

美国EPV公司采用In、Ga、和Se由线性源蒸发与Cu溅射后硒化的混合法制备大面积铜铟镓硒薄膜，称为“混合法沉

2积技术”，2004年研制的3454cm面积的组件效率达到7.5,。

2.3CIGS产业化优势及存在问题

2.3.1CIGS产业与晶体硅电池产业相比优势所在

CIGS薄膜太阳电池组件具有很多晶体硅太阳电池不可比拟的优势，综述如下:

1、CIGSSe薄膜太阳电池原材料避开了紧缺的晶体硅，虽然铟的储量有限，但是每1MWCIGS铟的使用量为50kg，2006年全世界铟的产量为1016吨，保守估计当产量达到1GW时才会出现铟短缺，而目前世界上CIGS的产量不到10MW;另一方面，CIGSSe薄膜太阳电池只有2微米厚度，与晶硅电池200微米厚度相比，材料消耗很小。

2、CIGS薄膜是一种直接带隙半导体材料，其重要特性是能隙可通过Ga掺入量进行调节。

CIGS材料禁带宽度可以在1.04eV,1.65eV间变化，非常适合调整和优化材料的禁带宽度，使CIGS薄膜太阳电池具有最佳的光学能隙。

CIGS薄膜材料对可见光的吸收系数是薄膜电池中最高的，达到

510/cm，适合于电池结构薄膜化。

这些优势使CIGS薄膜电池成为转换效率最高的薄膜电池。

3、CIGS薄膜太阳电池使用廉价普通玻璃做衬底，采用溅射预制层后硒化技术，原材料耗损量小，材料成本只有晶体硅电池的一半，而能源消耗不到晶体硅电池的三分之一。

生产过程以常温为主，只有扩散过程采用约500度高温，但也远低于晶体硅的900度，对大规模工业生产而言，节能环保的优势非常明显。

4、在规模化生产的太阳电池中，CIGSSe薄膜太阳电池的同功率组件发电量是最高的，也就是能量回收期最短。

根据德国研究机构的测试，CIGS薄膜太阳电池能量回收期只有一年，非晶硅薄膜太阳电池的能量回收期约是1年半，晶体硅太阳电池组件则是2年以上。

5、适用范围广是CIGS薄膜太阳电池竞争优势的另一个体现。

该电池能适应高温、宇宙射线辐射、特殊气象条件等恶劣环境，长期稳定性是各种电池中最好的。

美国Boeing公司对CIS薄膜太阳电池做过电子与质子辐照、温度交变、振动、加速度冲击等试验，经过地面考核试验的电池装在卫星上在空间运行一年，证明抗辐射性能好，而且光电转换效率几乎无衰退，在空间电源方面具有很强的竞争力。

6、CIGSSe薄膜太阳电池使用过程中热斑效应小，在阴天、太阳初升或西斜等小角度入射等情况下仍然具有良好的发电性能，而晶硅电池在弱光或光线小角度入射情况下发电能力急剧下降。

在强烈阳光照射下，由于温度上升，晶硅太阳电池温度效应明显，功率温度系数约为-0.3%/?

，而CIGS薄膜太阳电池功率温度系数只有晶硅电池的一半左右。

7、CIGS薄膜太阳电池组件采用激光切割溅射透明导电膜方式联接，与晶体硅电池片焊带联接方式相比，可靠性高，碎片率更低，适合大规模自动化流水线生产，生产效率高，成品率高，产品性能稳定。

8、近几年来，客户对太阳能电池外观、重量、安装条件、运输是否方便等方面都提出了更高的要求。

CIGS薄膜太阳电池组件具有外形美观、重量轻、运输成本低、安装方便等优点。

晶硅太阳电池组件的单瓦重量为0.18公斤，而CIGS薄膜太阳电池组件单瓦重量只有0.11公斤。

9、CIGS薄膜太阳电池组件辅助材料供应充足，晶体硅电池背膜TPT由于有美国杜邦的专利限制，市场供应紧张，价格畸高。

CIGS薄膜太阳电池组件不使用TPT背膜，同时EVA胶膜的使用量也降低一半，即降低了成本，又规避了原料紧缺问题。

2.3.2CIGS产业与其余薄膜电池产业的比较

CdTe太阳电池是从七十年代后期研制并发展起来的，电池结构和生产工艺较为简单。

但作为核心层的CdTe半导体薄膜主要成分是“特别有毒”的重金属镉，可能造成环境污染。

因此，此项技术市场前景不佳。

仅有的几家公司生产的组件效率一般在6%,9.5%之，该类产品目前的市场占有率约1.1%。

根据专业光伏市场研究报及市场调研告可以发现，非晶硅薄膜电池技术获得的评价很低，原因在于它的转换效率低而且稳定性不好。

虽然非晶硅/微晶硅叠层技术显示了令人兴奋的发展前景，但该技术从实验室阶段向产业化阶段转化的过程中遇到了很大的困难，例如无法彻底解决太阳电池

的光致衰退现象、大面积镀膜不均匀等问题，且目前光伏市场上尚无采用此技术的成熟产品。

而CIGS薄膜太阳电池是光伏市场上目前唯一能达到多晶硅和单晶硅电池效率的薄膜电池产品，市场接受度很高。

目前，由于缺少高效率薄膜电池产品，部分用户被迫选择了具有高污染风险的CdTe太阳电池产品。

各种薄膜太阳电池产品的比较如图3所示。

图3各种薄膜太阳电池技术比较

CIGS电池的主要优势是高效率、高稳定性、低能耗，外表美观。

缺点在于技术难度高、设备昂贵、电池面积较小。

产业化特点是高技术、高投入、高回报、高风险。

存在的问题是原材料In储量有限，2050年以后可能出现原料紧张，另外电池结构中部分材料有毒。

CIGS产业能否降低成

[21]本取决于以下五个因素:

1、CIGS吸收层沉积设备的标准化;2、高效率;3、柔性衬底的防潮性能;4、减薄吸收层至1um及以下;5、大面积均匀性。

2.3CIGS产业化现状

[22][23][24]表3给出世界范围内CIGS的产业化现状.从表中我们可以看出，CIGS商业化生产几乎都集中在欧州、美国和日本，分别有12家、16家、2家，而欧洲又几乎都集中在德国，主要是由于德国的政策扶持和技术优势。

虽然有30几家公司置身于CIGS产业，但到目前为止，真正进入市场开发的只有德国的Wuerth、Surlfulcell，美国的GlobalSolarEnergy，日本的Honda、ShowaSolarShell，美国的ShellSolar在06年已实现3MW的中试开发并投放市场，目前市场开发暂时停止，正与加拿大Saint-Gobain合作建设30MW生产线。

06年、07年世界CIGS电池组件产能分别为17.5MW、60.5MW,与晶体硅相比差距巨大，在世界光伏市场上占据的份额很小。

但随着晶体硅太阳电池原料短缺的不断加剧和价格的不断上涨，很多公司投入巨资，CIGS产业呈现出蓬勃发展的态势，到2010年，CIGS组件产能将达到969MW，其中欧、美、日本和中国分别贡献173MW、688MW、88MW、60MW，很多公司将于08年和09年投入生产，

CIGS产业化的瓶颈已被突破。

从表中也可以发现，每个公司的产能基本都在30MW左右，与晶体硅和非晶硅电池厂家动辄几百MW的产能形成了鲜明的对比，凸显了CIGS产业高技术、高投入、高风险、高回报的特点。

从表3的工艺一列可以看出，目前商业化生产的主流技术仍是蒸发法和硒化法，分别以Wuerth和Shell为代表。

几乎所有公司的前电极和背电极材料都分别为ZnO和Mo，GlobalSolar的前电极材料为ITO。

在所有采用碱石灰玻璃衬底的厂家中，综合面积和平均效率来看，Wuerth、Shell、Honda、

2Johanna、ShowaShellSekeyi、Sulfurcell走在了前列，面积为120×60cm时平均效率在10,12,，Johanna公司采用溅射后硒化再硫化工艺，100×30cm2衬底包含60片CIGS电池，组件效率达到14.7

[18]?

1.2,,是目前为止采用溅射后硒化工艺获得的效率最高的CIGS组件。

在柔性衬底方面，GlobalSolarEnergy当仁不让地走在了前面。

中国的CIGS产业远远落后于欧美和日本等国，令人振奋的是08年2月，山东孚日光伏科技有限公司（SunvimSolar）宣布与德国的Johanna合作，独家引进了中国首条CIGSSe商业化生产线，年产能60MW，预计09年第三季度投产，使中国加入了CIGS商业化生产的大家庭。

该项目所采用的溅射后硒化生产工艺，技术先进，设备投资小。

硒化炉一次可以放入数十片电池，相比共蒸发法一次一片的生产方式，“溅射金属预制层再硒化、硫化”法能源消耗很小，更适合大规模生产，符合国家减排降耗的产业政策。

此外中国铟储量约占世界2/3，是世界主要的原生铟出口国。

目前我国大部分铟材料出口至日本和韩国，仅有少量被国内使用。

由于铟材料的特殊性质和稀有性，我国已从2007年6月开始正式施行铟材料出口配额制，并计划实施铟材料的国家战略储备。

那么原来用于出口的铟材料必须要有国内的企业来使用，因此有理由相信，孚日光伏未来的铟材料供给是有保障的，即使产能扩大到500MW也不存在任何制约因素。

南开大学光电子所在CIGS产业化方面走在了中国的前列，以国家863计划为依托，建成了0.3MW中试线，成立了泰阳科技公司。

最近安泰股份公司已与德国的一家公司签约，在德国公司所用有在金属带材上采用电镀法制备铜锢嫁硫太阳能电池技术的基础上共同合作开发相关的技术。

安泰股份以此为契机介人太阳能电池生产领域。

广西地凯股份有限经过多年的调研和分析，决定与清华大学合作研究开发CIGS太阳能电池，并最终生产CIGS薄膜太阳能电池，已经投入具有一定强度的研究经费和设备费用。

表3CIGS产业化现状

产能06年07年面积公司名称生产时间market工艺衬底效率max/mean（2010）产能产能（cm2）

Wuerth2006年冬18M1.5M15M是蒸发法玻璃120×6013,/11.5%

Johanna2007年中期30M硒化后再硫化玻璃121×51（-）/9.4,

AVANCIS2008夏季20M溅射/RTP玻璃90×6013,/（-）[25]德2008下半年30MSolibro120×60国Sulfurcell2006年2月5M1.5M*是溅射后硫化125×658.6%[26]

CIS计划中30M电沉积后硒化柔性金属带120×6010.4,1cm2Soalrtechnik

GlobarSolar30M蒸发法

Odersun5M电沉积后硒化铜带11,<1cm2

ShellSolar120×6013.1,/12.2,

Scheuten5M中试玻璃珠5,/cellSolar

Solarion蒸发法10×106.5,/cell

Pvflex2008中期

总量173M3M1.5M

ShellSolar30M3M硒化法玻璃120×3013,/11,

AsentSolar25M2M蒸发法柔性塑料

SoloPower20MED/（RTP）不锈钢

NanoSolar430MPrint/RTP不锈钢14.5,[27]

Daystar10M2M2M溅射/蒸发玻璃/金属片10×1016.9,<1cm2

GlobalSolar60M1.7M2M是蒸发法不锈钢11.1,/10,Energy

Miasole50M5M5M溅射玻璃/不锈钢9.3,<1cm2

ISET3MInk/硒化柔性11.9%[28]美

Heliovolt20MFASST玻璃/柔性国

EPV溅射/蒸发