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薄膜太阳能电池国产化之路

2018-12-12 09:17admin中国电力时空网

一国内薄膜太阳能电池产业现状

自2012年以来,薄膜太阳能(000591)电池似乎步入了寒风萧瑟的严冬,显得步履维艰。虽然各种薄膜电池的效率记录不断地被刷新,但在国内国际,众多薄膜企业或破产或退出薄膜电池业务。与太阳能电池市场上晶硅电池的一片火爆相比,薄膜电池的市场份额显得尤其寒酸刺眼。

2013年,由于转化效率始终无法突破10%,且光致衰退效应严重,80%-90%的硅基薄膜太阳能电池厂商纷纷倒闭。同为薄膜类的砷化镓电池由于成本太高,技术复杂,虽然随着近些年技术的发展,成本有所降低,国外已有推广至地面电站的案例,但在国内,其应用仍然局限于空间电源以及移动电源。

作为薄膜太阳能电池的主流技术,碲化镉和CIGS太阳能电池为业界所看好,认为是未来太阳能电池的发展趋势,尤其是CIGS电池。first solar和solar frontier分别作为碲化镉电池和CIS太阳能电池的领头羊不断的刷新自己的效率记录,并且实现产业化。在国内,随着汉能、中建材以及上海电气(601727)对国外CIGS厂商的收购和合作,距离CIGS太阳能电池在国内的量产化似乎只有咫尺之遥。但迄今为止,依旧只有龙焱一家实现了碲化镉薄膜太阳能电池的量产,其规模也只有几十兆瓦而已。除了柔性基底电池亮相市场,国产CIGS玻璃衬底组件却依然缺席光伏市场的。

作为薄膜电池的从业者,我们真正的感受到了黑夜中蹒跚而行的艰难,面对一路的凄风苦雨,最为渴望的莫过于黎明的曙光撕破黑暗,春天的东风带走寒冬残留在身上的冷意。薄膜太阳能电池,你的春天,究竟何时到来?

二国内产业化面临的问题

非晶硅、碲化镉、CIGS三大薄膜太阳能电池中,已经实现一定规模国产化的非晶硅电池随着在光伏市场的不断萎缩,已经不再是市场的宠儿,那么其他两种被寄予厚望的薄膜电池国产化进程为何会如此艰难呢?

1、原材料成本较高

碲化镉及CIGS太阳能电池都需要一定量的稀有金属元素,其中某些元素的提纯存在很高的技术难度,未来一旦大规模产业化,由于优质原料的提纯技术由国外所掌控,无疑会加重薄膜电池的生产成本。

以碲化镉为例,据美国地质调查局(USGS)数据显示,全球碲的储量仅为2.4万吨左右,主要分布在美国、秘鲁、加拿大等国家和地区。而我国国内相关报道认为,全球碲的地质储量为14.9万吨,我国碲储量约为2.2万吨,我们姑且认为,全球碲的储量在2.4万吨和14.9万吨之间。

如果按照制造1MW薄膜太阳能电池组件约需130-140公斤碲来测算的话,地球上的碲资源可以供100个年生产能力为100MW的生产线用17年到115年之间。

因此,乐观看来,全球碲资源储量是可以满足生产需求的。但如果从经济层面考虑,碲原料价格的不断上涨却成为碲化镉电池产业发展的一大桎梏。2000年,当全球碲化镉薄膜太阳能电池还没有大规模生产时,碲原料价格每公斤仅为34.4美元,全球产量为110吨。但随着碲化镉薄膜电池产业的快速发展,碲原料的价格不断攀升,2011年全球碲原料平均市场价格为每公斤349.0美元,12年间,全球碲原料价格上涨了十多倍(见图1)。

当前全球只有美国FirstSolar量产碲化镉电池,但是,如果今后有的新的厂家大量涌现,全球碲化镉电池的产能不断扩大,那么这种稀缺性原材料碲的市场价格必然会疯狂上涨,继而导致碲化镉薄膜电池的生产成本不断增加,电池的经济性也将不断降低。

薄膜太阳能电池国产化之路

图1 2000-2012年全球碲原料平均市场价格(美元/公斤)

数据来源:美国地质调查局(USGS)

2、设备产业化水平较低

今年4月,国家发改委、国家能源局下发了《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》,并同时发布了《能源技术革命重点创新行动路线图》,其中,大幅提高铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)电池效率,建立完整自主知识产权生产线被列为太阳能利用路线2030年重要目标。

CIGS以及CdTe薄膜电池制造核心设备基本都是非标的,国外没有独立的设备制造厂,全是电池制造厂掌握核心技术设备。如美国FirstSolar公司是全球唯一一家采用气相输运沉积(VTD)技术的企业。VTD技术是FirstSolar公司的专利技术,并严格禁止其他企业采用。国内厂家在试生产某种薄膜太阳能时,部分设备从国外进口,部分采用国产,由于缺少核心技术,导致整条线的各种设备的兼容性不理想。

总体而言,由于技术及装备的落后,国内碲化镉及CIGS太阳能电池绝大部分仍处于实验室研发阶段或者中试阶段,虽然也有部分国内研究机构推出能够生产大面积组件的中试线,但无论从量产效率和可靠性方面都与国际先进水平相差甚远。

近些年,国外一些CIGS厂商如Solibro、GSE、Miasole、Avancis先后被国内企业收购,对中国的CIGS太阳能电池技术封锁终于被打破,但对这些技术装备的消化吸收仍有一段很长的路要走。我国发展铜铟镓硒薄膜太阳电池产业需要两条腿走路:一是坚持核心技术自主创新,不能只做装备的搬运工;二是对国外先进生产线进行“引进消化吸收再创新”。

薄膜太阳能电池国产化之路

图2南开大学CIGS组件中试线

3、工艺优化仍需不断摸索

多元素化合物的材料结构、导电机制、以及工艺原理与硅电池材料有本质不同,机理比较复杂。对CIGS太阳能电池的半导体机理以及各膜层之间的相互作用进行探索,从而优化制作工艺,提高转化效率是今后的一个重要课题。

①在CIGS电池的制作中,容易产生铟和镓的二元气相硒化物,使薄膜中的元素流失,从而导致工艺的重复性难以控制,良品率降低。因此在生产中需要充分考虑采取何种措施,改善工艺,减少元素的流失。

②无论是真空蒸发还是溅射后硒化工艺,如何做到既保证元素配比、晶相结构、电学和光学特性,又能保证保证大面积均匀,直接关系到电池转化效率以及良品率。

③对无镉CIGS太阳能电池的研发一直在进行。采用CBD法沉积的CdS层,属于湿法镀膜,与其他层的干法镀膜相比,显得不协调,且镉有毒,所以CIGS从业者一直对这一层进行改进和优化,如采用MOCVD沉积ZnSe、ALCVD法沉积In2S3、磁控溅射InxS以及(Zn,Mg)O作为缓冲层以及窗口层来代替CBD沉积的CdS缓冲层。目前Solarfrontier在这一方面取得了很好的成绩,采用ZnS代替CdS的无镉CIS太阳能电池,突破了22.3%的效率记录,但其他研究机构或企业的成果都不尽如人意。

④采用廉价的元素材料代替In、Ga等稀有元素材料,降低成本,实现CIGS太阳能电池的长远发展,也是今后研究的重要方向。用Al元素代替CIGS中Ga元素可形成Cu(In1-xAlx)Se2化合物半导体材料,既降低了成本,又拓宽了带隙,采用此种办法的IEC电池转换效率达到16.9%的较高水平,但至今仍未有实际生产的案例。

此外,对窗口层进行工艺优化、研究新型的窗口层材料从而提高窗口层的光电性能,以及改善电极划刻对太阳能电池性能的提高也具有积极的意义。

4、电池中有毒元素对环境及人身安全具有很大危害

碲化镉电池,以及CIGS电池都存在有毒性的元素,尤其是碲化镉电池。其主要影响,一是含有Cd的尘埃通过呼吸道对人类和其他动物造成的危害;二是生产废水废物排放所造成的污染。因此对破损的玻璃片上的Cd和Te应去除并回收,对损坏和废弃的组件应进行妥善处理,对生产中排放的废水、废物应进行符合环保标准的处理。

出于对环境以及人身安全的考量,碲化镉电池仅适用于远离人群的高原及荒漠电站,集中使用,集中管理,大大限制了该电池的大面积推广。目前各国均在大力研究解决CdTe薄膜太阳能电池发展的因素,如何解决这一问题,打消公众的顾虑,是薄膜电池从业者必须面对的一个难题。

5、从业者技术能力水平仍需提高

国内薄膜太阳能电池起步较晚,大约在2001 年以前,国内从事CIGS 薄膜太阳能电池研究的单位极少,稍有影响的是天津南开大学光电子所和清华大学机械工程系功能薄膜研究室,之后北京大学重离子实验室、清华大学材料科学与工程系、中国科技大学、内蒙古大学、云南师范大学、地质大学等也开始开展CIS 系太阳能电池的研究。由于当时国家投入经费少,电池技术难度大,只有南开大学在天津市自然科学基金与国家科技攻关少量计费资助下维持了下来,在“十五”期间,铜铟硒太阳电池被列入国家863重点课题,才使这种电池在我国有了一定的发展。

由于长期缺少政府政策以及资金的支持,国内的CIGS 人才底蕴较薄弱,国内的CIGS从业者大多都是从相关行业转来,相对于晶硅电池来说,化合物薄膜太阳能电池机制复杂,所以需要培养更多的相关专业技术人才、提高从业者的研发和技术能力以应付CIGS电池生产中遇到的难点。

6、投资规模仍需扩大

由于近些年晶硅电池原材料成本的降低,以及一系列新技术、新工艺的使用,低成本高效率的晶硅电池占据了光伏市场的绝大部分份额,出于短期利益以及投资风险的考量,大部分投资者对当下投资薄膜电池持慎重态度,从而影响了薄膜光伏电池在国内的国产化进程,不过这样的状况现今已有所改观。

三薄膜太阳能电池国产化的优势

虽然路途艰难,但中国发展薄膜太阳能电池也具有一定的优势,对于寄予厚望的CIGS薄膜太阳能电池,在材料方面,全球已探明的铟储量,中国占70%,在材料成本方面,无疑有得天独厚的优势。只要提高原材料提纯和加工水平,打破国外优质原材料的垄断,薄膜电池的成本无疑会有显著的降低。

此外,中国人投资热情高,看好的项目投资会很疯狂,相信随着CIGS电池效率的不断突破,会有越来越多的投资商会投入薄膜电池的国产化进程中。

四关于薄膜太阳能电池国家相关政策

今年6月,国家能源局、工信部、国家认监委联合对外发布《关于促进先进光伏技术产品应用和产业升级的意见》,提出要提高光伏产品市场准入标准,实施“领跑者”计划,引导光伏技术进步和产业升级。根据这项政策,多晶硅电池组件和单晶硅电池组件的光电转换效率分别达到16.5%和17%以上,可称为行业“领跑者”,而硅基、铜铟镓硒、碲化镉及其他薄膜电池组件的光电转换效率只需分别达到12%、13%、13%和12%以上就可获得这一称号。这意味着中国对薄膜技术的认可和容忍度加大,对薄膜太阳能电池的市场准入设置了较低门槛,这一政策的出台,无疑会增加更多投资者的信心,减轻薄膜电池生产商生存发展的压力。