鋰電世界  日前，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展指南（2015年）》，確定優(yōu)先發(fā)展五大類205項(xiàng)產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)。備受太陽能光伏市場(chǎng)關(guān)注的薄膜電池生產(chǎn)技術(shù)，“支持CIGS銅銦鎵硒薄膜電池生產(chǎn)工藝技術(shù)研發(fā)，特別是大規(guī)模柔性銅銦鎵硒卷對(duì)卷連續(xù)生產(chǎn)工藝，提升轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本”被納入指南。

     CIGS電池發(fā)明與硅薄膜及碲化鎘電池是同一時(shí)期，但商品化步履維艱，主要是由于其材料結(jié)構(gòu)及科學(xué)機(jī)理與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體有著很大的不同，相對(duì)于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電機(jī)制等諸多問題是全新的，人們?cè)趯覍沂≈兄鸩秸J(rèn)清其本質(zhì)。與此同時(shí)，多元化合物多晶半導(dǎo)體制備技術(shù)，也是在科學(xué)機(jī)理認(rèn)知過程中摸索創(chuàng)新逐步發(fā)展起來的。

    經(jīng)過幾十年的發(fā)展，CIGS電池的材料和器件機(jī)理越來越清晰，電池的優(yōu)越性能越來越明顯，實(shí)驗(yàn)室所創(chuàng)造的電池紀(jì)錄不斷刷新，如今已明顯超過目前光伏市場(chǎng)主流產(chǎn)品多晶硅電池。與此同時(shí)其產(chǎn)業(yè)化技術(shù)進(jìn)展不斷加快，生產(chǎn)技術(shù)趨于成熟。南開大學(xué)光電子研究所博士生導(dǎo)師孫云教授所言，“CIGS薄膜太陽電池產(chǎn)業(yè)化核心技術(shù)已被歐美國家突破，下一步主要是降低成本，繼續(xù)提高組件效率，優(yōu)化設(shè)備與工藝使之更加成熟穩(wěn)定。”因此，CIGS薄膜電池產(chǎn)業(yè)化完善技術(shù)，擴(kuò)大產(chǎn)能降低成本，使之成為光伏市場(chǎng)主流產(chǎn)品之一將是一種必然趨勢(shì)。

     CIGS前景可期誰來做？

    為在新常態(tài)經(jīng)濟(jì)環(huán)境中有效推動(dòng)能源革命進(jìn)程，中國政府將發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)作為新的增長(zhǎng)點(diǎn)，服務(wù)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，改善生態(tài)環(huán)境，建設(shè)美麗中國。在2015中國光伏大會(huì)上，國務(wù)院參事、中國可再生能源學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)石定寰認(rèn)為，在“十三五”期間，我國光伏產(chǎn)業(yè)不僅要在產(chǎn)業(yè)規(guī)模上有所發(fā)展，更要在全產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)上提升競(jìng)爭(zhēng)力，特別是要掌握核心技術(shù)，使產(chǎn)業(yè)不斷升級(jí)換代。

    工業(yè)和信息化部副部長(zhǎng)懷進(jìn)鵬指出，光伏產(chǎn)業(yè)是半導(dǎo)體技術(shù)與新能源需求融合發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，對(duì)調(diào)整能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，緩解環(huán)境保護(hù)壓力，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的健康、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

    在經(jīng)歷了前期階段性的困境后，今年以來，中國光伏產(chǎn)業(yè)持續(xù)回暖，電池組件的產(chǎn)量達(dá)31GW，同比增長(zhǎng)32%。新增并網(wǎng)光伏裝機(jī)容量約10.5GW，累計(jì)裝機(jī)容量超過38GW，在中國18家多晶硅企業(yè)中，10家實(shí)現(xiàn)滿產(chǎn)，前10家組件企業(yè)平均毛利率超過15%。世界可再生能源理事會(huì)主席沃爾夫?qū)?amp;dot;帕爾茨博士在《光伏的世界》中指出，在本世紀(jì)全球光伏市場(chǎng)起步之時(shí)，中國抓住機(jī)會(huì)進(jìn)入了曾由歐洲主導(dǎo)的這一市場(chǎng)，使其產(chǎn)業(yè)得到發(fā)展。現(xiàn)在，光伏在電力市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力顯著提高、價(jià)格明顯降低，主要?dú)w功于中國大力發(fā)展光伏制造產(chǎn)業(yè)，而歐洲則沒有參與這一進(jìn)程。

    光伏組件作為太陽能光伏電站的核心部分，是推動(dòng)中國清潔能源產(chǎn)業(yè)升級(jí)的主要?jiǎng)恿χ唬栯姵厥切履茉串a(chǎn)業(yè)類中最先得到重視的商品，其發(fā)電能力及成本是光伏電站投資者最為關(guān)注的指標(biāo)。也就是說，新產(chǎn)品確實(shí)符合應(yīng)用環(huán)節(jié)的需求，且比老一代產(chǎn)品具有先進(jìn)性和很好的性價(jià)比，投資者更愿意為此埋單。

    孫云教授認(rèn)為，CIGS電池不同于傳統(tǒng)的硅基薄膜電池，其發(fā)電能力基本等同于晶硅電池，一旦產(chǎn)業(yè)化技術(shù)成熟，其產(chǎn)量達(dá)到GW量級(jí)，其度電成本必定要低于晶硅電池，而且制造過程的能耗和對(duì)環(huán)境的污染，大大低于晶硅電池。這種降低碳排放的生產(chǎn)制造，不僅是落實(shí)我國巴黎氣候大會(huì)承諾的具體行為，而且更符合清潔能源的真實(shí)本質(zhì)。

    近年來CIGS薄膜電池技術(shù)的確取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，漢能在德國的Solibro公司2014年4月份就宣布，CIGS（銅銦鎵硒）薄膜太陽電池取得重大突破，其轉(zhuǎn)化率達(dá)到20.5%，并通過了美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NationalRenewableEnergyLaboratory)測(cè)試及認(rèn)證。德國Manz集團(tuán)更是將CIGS薄膜太陽電池的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率刷新至21.7%，并且效率提升空間有望在近年突破25%。我國中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院采用共蒸法研制出超過20%轉(zhuǎn)化率的CIGS薄膜電池，也在向產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)。

    國內(nèi)首例CIGS電站（云南石林1MW）運(yùn)營商北京桑林藍(lán)天首席執(zhí)行官王曉義向記者提供了一份各種光伏發(fā)電技術(shù)路線競(jìng)爭(zhēng)比較圖，基本能說明了各種技術(shù)路線的優(yōu)勢(shì)與不足。

    從成本上來看，早期業(yè)內(nèi)對(duì)CIGS“高富帥”的印象也在不斷地修正。目前國內(nèi)晶硅電池成本大概在3.6元/瓦。德國Manz集團(tuán)測(cè)算，CIGS薄膜組件產(chǎn)能超過300MW，則組件生產(chǎn)成本可以做到人民幣2.5元/瓦，發(fā)電成本更是下降至0.05歐元（人民幣0.35元），其成本上將會(huì)低于晶硅太陽電池。

    采用分布式光伏發(fā)電其效能最高，薄膜光伏組件在光伏建筑一體化（BIPV）中具有一定的優(yōu)勢(shì)和巨大的市場(chǎng)潛力。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局測(cè)算，到2020年我國城鄉(xiāng)房屋建筑面積約為890億平方米，以東、南、西墻墻面積的15%、屋頂面積的10%鋪上太陽電池板，直接市場(chǎng)規(guī)模超過10萬億元，間接市場(chǎng)規(guī)模達(dá)30萬億元，相當(dāng)于我國汽車市場(chǎng)的3～5倍。即使按照10%的轉(zhuǎn)化率和平均每年1300個(gè)發(fā)電小時(shí)計(jì)算，裝機(jī)規(guī)模相當(dāng)于368個(gè)葛洲壩或45個(gè)三峽電站，可替代全社會(huì)30%左右的年用電需求。“CIGS薄膜太陽電池轉(zhuǎn)換率高、性能穩(wěn)定、制造成本低、抗輻射能力強(qiáng)、弱光發(fā)電性能好，色調(diào)黑色柔和，顯得高貴大氣。在光伏建筑一體化BIPV或者BAPV方面，單位面積的發(fā)電量上很占優(yōu)勢(shì)，在垂直角度等不利于光伏組件發(fā)電的情況下，CIGS模組的弱光效應(yīng)會(huì)體現(xiàn)得更為明顯，發(fā)電量比晶硅模組更高。若是制成輕質(zhì)、可彎曲的柔性電池組件，具有晶硅電池?zé)o法實(shí)現(xiàn)的功能。”王曉義對(duì)記者說，一項(xiàng)新技術(shù)的由高尖端到實(shí)際落地甚至普及，由誰來主導(dǎo)，在市場(chǎng)普及推廣上非常重要。同時(shí)落地的時(shí)間節(jié)點(diǎn)也非常重要。最初，需要一些品牌去做普及的鋪路石，或者說是探路者。雖然在企業(yè)層面，漢能出現(xiàn)了一些問題，但在推廣方面還是有非常大的貢獻(xiàn)的，特別是在全球市場(chǎng)層面已經(jīng)把CIGS打造成光伏未來技術(shù)的制高點(diǎn)和標(biāo)桿。

    正如王曉義所說，“誰來做，很重要”。如“冥王星”和“熊貓”高效電池，就是當(dāng)時(shí)在市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位的無錫尚德、英利等品牌力推下才得以成功的。

    如果僅以“冥王星”和“熊貓”還不能說明問題的話，同為光伏產(chǎn)品的組串逆變器的普及亦是如此。早在，十多年前就有品牌就開始擎起組串式大旗，成為當(dāng)時(shí)公認(rèn)的組串逆變器普及旗手，但是緣于該品牌在光伏行業(yè)的影響力有限，最終直到2013年通信行業(yè)龍頭華為介入，全面開啟組串逆變器普及之路，組串型逆變器才從國內(nèi)使用不足10%，迅速在兩年間上升到30%左右。

    歷史教訓(xùn)：引進(jìn)、吸收、自主研發(fā)才是“正道”

     CIGS雖然產(chǎn)品、概念出現(xiàn)較早，從技術(shù)層面來說被公認(rèn)為代表未來方向，但始終未能形成產(chǎn)業(yè)。

    十幾年前由于歐美國家百萬屋頂計(jì)劃刺激了國際光伏市場(chǎng)，將高能耗和高污染的晶硅材料及晶硅電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)和裝備向中國全面開放，由于硅原料的緊張，我國又將歐美已經(jīng)逐漸淡出市場(chǎng)的硅基薄膜太陽電池生產(chǎn)技術(shù)重新拾起來，成為薄膜電池的主流產(chǎn)業(yè)，歐美國家專門為中國定制年產(chǎn)40MW產(chǎn)線以1億美元銷售給中國多條。但代表新技術(shù)的高效穩(wěn)定的CIGS及CdTe薄膜太陽電池技術(shù)卻對(duì)中國實(shí)行嚴(yán)密封鎖，迫使我國只能自主研發(fā)。

    十年過去，數(shù)十家企業(yè)投入少則幾千萬元，多則數(shù)億元，都想獲得第一桶金，相互壁壘，孤軍奮戰(zhàn)。由于大家對(duì)于這種新型化合物薄膜太陽電池開發(fā)缺乏認(rèn)知，沒有一家實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)（其中有技術(shù)原因，也有非技術(shù)原因），數(shù)十億交了學(xué)費(fèi)。

    2011年晶硅電池大幅度降低售價(jià)，歐美國家很難將CIGS電池成本降至具有競(jìng)爭(zhēng)力，不得不將CIGS產(chǎn)業(yè)技術(shù)向中國開放。漢能借機(jī)收購了Solibro、Miasole及GlobalSolar生產(chǎn)線，中建材蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計(jì)研究院收購德國Avancis公司CIGS電池生產(chǎn)線，保密嚴(yán)格的Manz公司也對(duì)中國實(shí)施技術(shù)開放。由于漢能的高調(diào)運(yùn)作，以及北京桑林公司在石林MW級(jí)示范電站所顯示的優(yōu)異性能，使CIGS電池產(chǎn)業(yè)再度升溫，吸引一些央企、國企及大民企進(jìn)行前期介入，產(chǎn)生了新一輪的投資熱潮。中建材聲稱投資百億將Avancis公司技術(shù)移植到中國實(shí)現(xiàn)1.5GW產(chǎn)能；國內(nèi)煤炭龍頭企業(yè)神華集團(tuán)正在進(jìn)行引進(jìn)數(shù)百兆瓦M(jìn)anz產(chǎn)線的技術(shù)投資論證，還有一些不愿透漏的企業(yè)也在醞釀數(shù)百M(fèi)W產(chǎn)線的引進(jìn)。在孫云教授看來，收購或引進(jìn)國外最先進(jìn)技術(shù)及生產(chǎn)線，將其在中國落地，在世界頂尖級(jí)技術(shù)基礎(chǔ)上迅速發(fā)展，可節(jié)省5～8年自主研發(fā)時(shí)間，大大縮短商品化時(shí)間，是我國快速發(fā)展的有效途徑之一。在高起點(diǎn)上消化吸收實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，繼續(xù)創(chuàng)新做強(qiáng)做大，必將使我國成為CIGS薄膜太陽電池產(chǎn)業(yè)大國和技術(shù)強(qiáng)國。

    目前CIGS主要有兩種技術(shù)路線，即“一步法”（共蒸鍍法工藝）和“兩步法”（濺射后硒化工藝法），德國Manz收購的Wurthsolar目前運(yùn)營的30MW生產(chǎn)線使用的就是“一步法”，漢能收購的德國Solibro100MW生產(chǎn)線也是該工藝，全線依然在德國運(yùn)營；日本SolarFrontier和中建材收購的德國Avancis產(chǎn)線均為“兩步法”，漢能收購的美國Miasole柔性CIGS產(chǎn)線是濺射與硒化合為一步完成，即在高襯底溫度和硒氣氛下進(jìn)行反應(yīng)濺射制備CIGS薄膜，相當(dāng)于“一步法”，但原料是濺射靶材而不是蒸發(fā)的金屬顆粒。上述三種技術(shù)路線的產(chǎn)線已經(jīng)或正在準(zhǔn)備落地中國。問題是這三種工藝的核心設(shè)備，“一步法”的共蒸發(fā)沉積設(shè)備、高襯底溫度的反應(yīng)濺射設(shè)備，以及“兩步法”的硒化爐我國都不能自主生產(chǎn)，且國外也沒有能夠提供完整設(shè)備的供應(yīng)商，因?yàn)镃IGS電池制造商不希望設(shè)備商掌握核心設(shè)備的全套技術(shù)，一臺(tái)設(shè)備由幾個(gè)設(shè)備商加工不同部件，電池制造廠集成組合調(diào)試。孫云教授對(duì)記者強(qiáng)調(diào)，CIGS未來在中國本土的落地，需要在核心設(shè)備上下功夫。他建議政府相關(guān)部門應(yīng)在政策和資金上，對(duì)自主設(shè)備的研發(fā)制造加大支持力度。

    由于銅銦鎵硒薄膜是四元化合物半導(dǎo)體多晶薄膜，材料結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電機(jī)制與傳統(tǒng)硅類半導(dǎo)體有著本質(zhì)不同。另外該類電池組件是由5層薄膜構(gòu)成，某一層出現(xiàn)問題都會(huì)嚴(yán)重影響電池器件性能。雖然目前主要科學(xué)問題已經(jīng)清楚，實(shí)驗(yàn)室技術(shù)比較成熟，歐美準(zhǔn)備進(jìn)入或已經(jīng)進(jìn)入中國的產(chǎn)線，均能夠批量制造出組件產(chǎn)品。“向中國轉(zhuǎn)移的CIGS產(chǎn)線并沒有像美國FirstSolar生產(chǎn)碲化鎘（CdTe）電池那樣，試驗(yàn)線成功后不斷以每年500MW產(chǎn)能迅速擴(kuò)產(chǎn)到1.5GW，表明CIGS電池各產(chǎn)線技術(shù)還沒有達(dá)到不斷擴(kuò)產(chǎn)的成熟度，若真能夠達(dá)到不斷擴(kuò)產(chǎn)的技術(shù)成熟度，這些產(chǎn)線也絕對(duì)不會(huì)賣給中國。”孫云教授對(duì)記者說。因此他提醒產(chǎn)線收購引進(jìn)者不可掉以輕心，應(yīng)穩(wěn)妥地分步實(shí)施量產(chǎn)，以中小規(guī)模引進(jìn)消化吸收，在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，優(yōu)化提升再創(chuàng)新。在實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化中真正掌握核心技術(shù)，在技術(shù)提升中形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，擴(kuò)充產(chǎn)能最終實(shí)現(xiàn)做強(qiáng)做大。

    歐洲技術(shù)封鎖為常態(tài)核心裝備國產(chǎn)化十分重要

    今年三月份，由歐洲光伏學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界創(chuàng)建了“CIGS Sharc25”計(jì)劃。其宗旨是研究和開發(fā)超過晶硅轉(zhuǎn)換效率的CIGS電池技術(shù)，其轉(zhuǎn)換率將達(dá)到25%。在最近歐洲布魯塞爾光伏技術(shù)平臺(tái)年會(huì)上針對(duì)歐洲光伏技術(shù)危機(jī)，又在討論制定一個(gè)X-GWP計(jì)劃，即要建立一個(gè)歐洲千兆瓦級(jí)工廠，集研發(fā)和制造一體化，選擇的技術(shù)路線原則上是最具顛覆性的技術(shù)。Sharc25計(jì)劃走研發(fā)，X-GWP千兆瓦級(jí)走制造，二者捆綁一體，第一個(gè)計(jì)劃資金已落實(shí)啟動(dòng)，千兆瓦級(jí)計(jì)劃還在討論中未定。值得關(guān)注的是，歐洲“CIGS Sharc25”計(jì)劃，并沒有把Solibro（被漢能收購）和Avancis公司（被中建材收購）列入?yún)⑴c企業(yè)研發(fā)名單內(nèi)，理由是這兩家公司已被中國公司收購，不屬于歐洲企業(yè)。在孫云教授看來，歐洲總是將不能帶來利潤(rùn)或缺乏競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)轉(zhuǎn)給發(fā)展中國家，同時(shí)對(duì)于新技術(shù)也總是不斷地開創(chuàng)，牢牢把握制高點(diǎn)，新技術(shù)對(duì)于中國高度封鎖是很正常的。從“CIGS Sharc25”計(jì)劃可以看出，CIGS電池轉(zhuǎn)換效率提升仍有很大潛力，極有可能超過單晶硅電池，組件效率超過18%將不在話下。如果將硅薄膜電池產(chǎn)線的核心設(shè)備PECVD換成CIGS薄膜沉積系統(tǒng)，補(bǔ)齊其他工藝設(shè)備，若量產(chǎn)化技術(shù)達(dá)到硅薄膜電池產(chǎn)業(yè)化成熟度，其組件成本將會(huì)大大低于晶硅電池，如果銷售價(jià)格與與晶硅電池相同，其產(chǎn)線的利潤(rùn)將會(huì)十分豐厚。由此可見，CIGS電池不僅在柔性組件方面具有優(yōu)勢(shì)，而且玻璃基板的剛性組件也仍然有十分誘人的前景。工信部《產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展指南（2015年）》所支持的薄膜電池生產(chǎn)關(guān)鍵共性技術(shù)，不僅僅是“大規(guī)模柔性銅銦鎵硒卷對(duì)卷連續(xù)生產(chǎn)工藝，CIGS銅銦鎵硒薄膜電池生產(chǎn)工藝技術(shù)研發(fā)，”還要解決量產(chǎn)化的瓶頸，即核心裝備國產(chǎn)化（這一點(diǎn)十分重要），在此基礎(chǔ)上提升轉(zhuǎn)換效率，穩(wěn)定生產(chǎn)工藝，原材料國產(chǎn)化，擴(kuò)充產(chǎn)能，以此來實(shí)現(xiàn)降低成本。

     CIGS電池產(chǎn)品和技術(shù)上的先進(jìn)性帶來了未來前景，工信部將此列入了《產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展指南（2015年）》，表明中央政府對(duì)此技術(shù)十分重視，央企、國企及大民企巨資投入，也表明CIGS電池產(chǎn)業(yè)春天已經(jīng)到來。但要充分認(rèn)識(shí)這一產(chǎn)業(yè)技術(shù)的復(fù)雜性，在消化吸收的基礎(chǔ)上突破核心裝備國產(chǎn)化瓶頸，形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)不僅是降低成本，而且實(shí)現(xiàn)了高效光伏電池低能耗、低排放規(guī)模化生產(chǎn)，這也正是國家所大力倡導(dǎo)的。