晶體硅和薄膜太陽能光伏電池是現在乃至未來十年的兩大主要技術陣營，晶體硅太陽能電池以高轉化效率在過去和現在都主導著全球光伏市場。2011年以來，全球光伏產業在經歷高速發展后，帶來的是產能嚴重過剩，多晶硅價格暴跌，大批企業瀕臨破產。再加上如今遭到歐洲、美國、印度的光伏“雙反”，中國光伏企業對外市場環境越發惡劣，出口市場嚴重受阻，占全球2/3產能的中國光伏產業發展整體陷入危機。歷史經驗表明：每次危機都會孕育著新的技術突破和新的產業變革。在上述背景下，銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽電池由于其光電轉換效率居目前各種薄膜太陽能電池之首、生產成本較低、性能比較穩定、抗輻射能力強，并且不在美歐的“雙反”之列，而被越來越多的投資者所關注，并被譽為下一時代最有前途的廉價太陽能電池之一，有可能成為未來光伏電池的主流產品之一。

一、CIGS薄膜太陽能電池概況

一般而言，薄膜太陽能電池主要包括硅基薄膜電池（分為非晶硅、微晶硅和多晶硅薄膜電池三種）、碲化鎘（CdTe）薄膜電池、銅銦鎵硒（CIGS）薄膜電池、砷化鎵（GaAs）薄膜電池、染料敏化太陽能電池（DSSC）等五類。從上述幾類薄膜太陽能電池的發展現狀看，2011年，全球非晶硅薄膜太陽能電池的產量約為2144MW，占全球薄膜太陽能電池總產量的46.7%；碲化鎘（CdTe）薄膜電池的產量約為1960MW，占全球的42.7%；銅銦鎵硒（CIGS）薄膜電池的產量約為484MW，占全球的10.6%。CIS是銅銦硒（CuInSe2）的縮寫，是一種Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族三元化合物半導體材料。由于它對可見光的吸收系數非常高，所以是制作薄膜太陽能電池的優良材料。以P型銅銦硒（CuInSe2）和N型硫化鎘（CdS）做成的異質結薄膜太陽電池具有低成本，高轉換效率和近于單晶硅太陽電池的穩定性。近年來，國外研究機構將鎵（Ga）替代CIS材料中的部分銦（In），形成CuIn1 -xGaxSe2（簡稱CIGS）四元化合物。由氧化鋅（ZnO）/ CdS/CIGS 結構制作的太陽電池有較高的開路電壓，轉換效率也相應地提高了許多。CIGS薄膜太陽能電池在實驗室已經達到20%以上的轉換率，遠高于其他薄膜電池。CIGS薄膜太陽能電池的制備工藝有真空技術和非真空技術，真空工藝主要有濺射和蒸發。對于濺射方法制備的CIGS薄膜需要后硒化處理改善薄膜的性能。非真空技術可以大大降低電池的制造成本，但電池的性能和效率低下。市場上CIGS光伏產品基本是真空工藝完成的，這樣可以保證較高的轉換效率和穩定性。相比其他太陽能電池，CIGS薄膜電池主要有以下幾個優點（見表1）。

一是生產成本較低。

CIGS薄膜電池具備相對于晶硅電池的成本優勢，CIGS電池可以采用玻璃、不銹鋼或聚合物等廉價材料作為基底，生產成本是晶體硅太陽能電池的1/3-1/2。而對大規模工業生產而言，如能保持比較高的電池轉換效率，電池的價格以每瓦計算會比相應的單晶硅和多晶硅電池的價格低很多。此外，CIGS薄膜電池在光伏系統中采用后能量償還時間僅為幾個星期，遠遠低于晶硅太陽能電池。

二是轉換效率高。

CIGS 是目前所推廣的薄膜電池中轉化效率較高的，目前實驗室轉換效率已經超過20%。如，由美國國家可再生能源實驗室（NREL）研制的小面積CIGS太陽能電池的光電轉換效率為20%，美國普尼太陽能公司（Optony）在實驗室開發的聚光CIGS薄膜電池在高光強下達到21.1%的轉換效率，美國Miasole公司生產的1.68平方米柔性銅銦鎵硒（CIGS）太陽能光伏組件效率已達到15.5%，日本昭和殼牌（Showa Shell）公司生產的CIGS電池組件的轉換效率也達到14.2%。上述幾個綜合性的技術指標已經非常接近多晶硅太陽能電池的較高水平，是當前其他種類薄膜太陽能電池所達不到的紀錄。

三是弱光效應好。

CIGS薄膜電池的弱光效應是其較于晶硅電池的另一大顯著優勢。薄膜電池因為其弱光效應好，每天工作時間遠高于晶硅電池的工作時間，這補足了其發光效率相對較低的不足。美國Shell Solar公司在自己的光伏制造工廠的屋頂安裝了250kw的CIGS薄膜光伏發電系統。在陰天或陰暗氣候條件下，CIGS薄膜電池比其他太陽能電池產生更多的電能，這表明CIGS電池不僅具有較高的轉換效率，而且其弱光特性也是其他種類電池所無法比擬的，更適合用于高緯度地區和氣候條件不理想的地區。

四是電池性能穩定。

無衰退是薄膜太陽能電池最為關注的性能指標，單結非晶硅薄膜電池的衰退達到25%，非晶微晶疊層薄膜電池的衰退為10%左右。CIGS薄膜電池沒有光致衰退效應，這一特點和晶硅電池相同。CIGS薄膜電池不存在光致衰退的問題早已被證實。西門子公司制備的CIGS薄膜電池組件經受7年的室外考驗仍然表現出原有的性能。近年日本Showa Shell公司對11kw的CIGS電池方陣進行了戶外測試，測試時間持續3年，結果表明CIGS 組件的效率沒有發現任何的衰減，再次證明了CIGS 電池的穩定性。

五是抗輻照性能好。

美國波音公司對CIGS薄膜電池做過電子與質子輻照、溫度交變、振動、加速沖擊等試驗，并把經過地面試驗的電池裝在衛星上運行一年，證明CIGS薄膜電池抗輻照性能十分優良，在空間電源方面具有很強的競爭力。

六是最適合光伏建筑一體化（BIPV）的應用。

CIGS薄膜太陽能電池非常適合光伏建筑一體化應用，在實際應用中，某座建筑的雙層玻璃封裝剛性的CIGS薄膜太陽能電池組件，可以根據需要，制作成不同的透光率，可以部分代替玻璃幕墻，而不銹鋼和聚合物襯底的柔性薄膜太陽能電池更適用于建筑屋頂等需要造型的部分。將CIGS薄膜太陽能電池應用于城市大量的既有和待開發的建筑外立面和屋頂，避免了現有玻璃幕墻的光污染問題，能替代建材，同時節能省電，這已經成為未來城市利用光伏發電的主要方向。

表1 三種薄膜太陽能電池特性比較

非晶硅薄膜

CIGS

CdTe

主要材料

硅

銅、銦、鎵、硒化合物

碲、鎘化合物

光吸收層厚度

0.2-0.5 12渭' type="#_x0000_t75"> m

＜1 12渭' type="#_x0000_t75"> m

1 12渭' type="#_x0000_t75"> m

光吸收能力

非直接能隙材料，可吸收的光譜有限，吸收光子能量范圍1.1-1.7ev。

直接能隙材料，吸收范圍廣，吸收光子能量范圍1.02-1.68ev。

直接能隙材料，吸收

范圍廣，吸收光子能量范圍1.45ev。

發電穩定性

穩定性較差有光致衰減效應，Tandem可改善光致衰減效應。

穩定性高，無光致衰減效應。

穩定性高，無光致衰減效應。

轉化效率

實驗室：13.2%，組件：6%-10%。

實驗室：20%，組件：10%-14%。

實驗室：16.8%，組件：8%-13%。

材料特性

硅烷為主要原材料，因用量少而供應充足。

硒/銦為稀有金屬，難以應付全面性大量的市場需求，緩沖層硫化鎘具有潛在毒性。

碲為稀有金屬，難以應付全面性大量的需求，碲、鎘為有毒元素，受限環保法規及消費心理障礙。

材料控制性

產業界用硅技術成熟。

四元素難以精準控制。

二元素較CIGS易控制。

材料成本

高品質透明導電膜（TCO）玻璃價格高。

靶材成本會比基板高。

材料成本約占5成。

常見成膜技術

化學氣相沉積法（CVD），濺射法（sputter）。

濺射法（sputter）。

蒸鍍法（Evaporation），適用多種成膜技術。

具備優點

成本低，可用柔性襯底，發展成熟，可大量生產。

原料穩定，效率較高，可用柔性襯底。

效率較高，可用柔性襯底，發展成熟，可大量生產。

具備缺點

轉換率低，穩定性差。

工藝未標準化，銦、鎵的蘊藏量有限。

薄膜中成本高，模組與基材料占總成本50%，鎘毒性大，碲天然蘊藏量有限，但是在銅、鋅的礦床中有伴生，提煉也相對容易。

雖然CIGS薄膜電池具有高效率和低材料成本的優勢，但它也面臨兩個主要問題：關鍵原料銦的供應不足和緩沖層CdS具有潛在的毒性。

一是從原材料的稀缺角度考慮，銦（In）和鎵（Ga）將會限制CIGS 薄膜太陽電池的長期發展。銦是一種銀白色稀有金屬，沒有獨立礦物，廣泛分布于鉛鋅礦中，是目前電子信息等高科技領域必需的金屬材料之一。目前，全世界銦的地質儲量僅為1.6-1.9萬噸，而我國銦儲量約1.3萬噸，占全球儲量的2/3。中國銦礦主要集中在云南、廣西、內蒙古、青海、廣東等地。除中國外，美國、加拿大、日本也是銦的主要生產國。目前我國大部分銦材料出口至日本和韓國，僅有少量被國內使用。由于銦材料的特殊性質和稀有性，我國已從2007年6月開始正式開始施行銦材料出口配額制。2011年我國精銦產量約為380噸，同比增長5.4%；出口額為105噸，同比下降20%；全年銦出口配額為233噸。相比銦而言，鎵雖然也是一種稀有金屬，但儲量要比銦多許多倍。在我國內蒙古地區準格爾煤礦發現與煤伴生的超大型鎵礦后，全世界鎵儲量大增。目前，全球鎵的儲量約為185萬噸，其中我國儲量約為95萬噸，占全球的1/2。從CIGS 薄膜電池的材料構成來看，每兆瓦的CIGS薄膜電池消耗的銦的數量為45公斤。目前全球CIGS薄膜電池的產能在500MW左右，所需要消耗的銦的數量為22.5噸，遠低于目前In材料的產出量。從技術角度而言，目前正在開展相關替代的吸收層材料研究，電池吸收層中盡量少用In和Ga元素。一些化合物材料，如鋅黃錫礦（Kesterite）結構的Cu2ZnSn（S,Se）4 晶體，通過Zn和Sn各替代一半黃銅礦結構中的銦，可以作為薄膜電池的吸收層，而電池的其它工藝，如金屬Mo電極、異質結的緩沖層和窗口層材料以及上電極材料和制備工藝，都與目前的CIGS薄膜太陽電池相同。

二是鎘（Cd）的污染問題。由于Cd會帶來與環境污染相關的問題，包括CIGS制備過程和電池的使用過程中，終會發生微量的污染問題，因此無Cd緩沖層的工藝是目前研發的重點。無鎘緩沖層可以分為含鋅硫化物、硒化物或氧化物以及銦的硫化物或硒化物兩大類，制備的方法主要是化學水浴法。已經能夠用于生產大面積CIGS薄膜電池的無鎘緩沖層有化學水浴法制備的ZnS和原子層化學氣相沉積的In2S3。

二、我國CIGS薄膜太陽能電池產業及應用的基本情況

目前，我國CIGS薄膜太陽電池產業發展正處于起步階段，相關研究工作正在開展，還沒有形成產業鏈，具有以下幾個特征：

一是產業技術不斷突破。

我國CIGS電池的研究自20世紀80年代開始起步，早期研究單位有內蒙古大學、云南師范大學、中國地質大學和南開大學。但由于國家投入經費少，電池技術難度大，只有南開大學在天津市自然科學基金與國家科技攻關少量經費資助下勉強維持下來。在“十五”期間，CIGS電池被列入國家“863”重點課題，使之在我國有了長足發展。南開大學開發建立的CIGS電池實驗平臺具備CIGS薄膜太陽電池各層薄膜的制備手段，可制備10cm×10cm以下面積的CIGS薄膜電池器件和材料，包括多元共蒸發，直流、射頻、中頻濺射，單靶、雙靶混合濺射，電化學與化學溶液沉積（CBD）、真空硒化與非真空硒化，激光劃線與機械劃線等設備裝置等。目前，我國大陸已有多家單位進入CIGS薄膜電池研究領域，如北京大學、清華大學、上海大學、中電18所、上海空間電源所、中科院深圳現代技術研究院、上海技術物理所、上海硅所等，采取不同的技術路線制備CIGS薄膜，基本上處于基礎研究階段。有的機構已經制備出CIGS薄膜電池，但尚未見到電池組件轉換效率的報道。還有的機構投入巨資引進國外制造設備，開發柔性襯底CIGS電池中試線，目前尚屬于起步階段。

二是產業規模不斷擴大。目前，CIGS組件已經取代硅基薄膜成為轉換效率較高，性能穩定、成本較低的新產品，而且對比晶硅的優化轉換率，CIGS目前商業化的成績已經表現出極大的成本優勢。相關資料表明，2009年，我國CIGS薄膜太陽能電池銷售量為0.09GW，到2010年銷售量已經增長為0.3GW，同比增長233.3%。2011年，我國CIGS薄膜電池銷售量為0.6GW，同比增長100%，增長速度位居薄膜太陽能電池之首。目前，國內CIGS在建（擬建）項目中，廣東、山東、江蘇、廣西等地各有2家，四川、遼寧、山西、安徽等各有1家。

 三、我國CIGS薄膜太陽能電池產業發展存在的問題

當前，我國CIGS薄膜太陽能電池產業發展雖然取得了一定成就，但是從產業自身的發展來看，仍存在一些問題。主要表現在以下幾個方面。

一是CIGS薄膜電池轉換效率仍待提高。

與國際先進水平相比，我國CIGS薄膜太陽能電池轉換效率相對較低，目前我國量產的CIGS薄膜電池組件的效率一般在8%-10%之間。而國際上量產的CIGS薄膜電池效率一般在11%-15%之間。根據SolarPlaza對全球前十大CIGS電池制造企業電池轉換效率的排名，我國昌盛日電CIGS薄膜電池組件的轉換效率為11.4%，而美國Miasole公司的轉換效率已高達15.5%，差距非常明顯（見表2）。目前，國際上CIGS的實驗室轉換效率已達20%，接近晶硅電池的實驗室轉換效率。但大規模商業量產和明顯技術優勢尚未出現，這使得我國企業通過自主創新路線，掌握關鍵核心技術，從事高附加值的CIGS薄膜太陽能電池制造的構想成為可能。

表2 全球量產CIGS薄膜電池組件轉換效率排名

制造商

國別

2011年轉換效率

2012年轉換效率

1

MiaSole

美國

13.1%

15.5%

2

Q-Cells

德國

12.7%

13.4%

3

Solar Frontier

日本

12.6%

13.1%

4

Avancis

德國

12.6%

12.6%

5

.Global Solar Energy

美國

12.6%

12.6%

6

Yohkon Energia

西班牙

12.3%

12.3%

7

Nanosolar

美國

12.0%

12.0%

8

Honda Soltec

日本

11.6%

13.5%

9

昌盛日電

中國

11.4%

11.4%

10

Heliovolt

美國

11.3%

11.3%

資料來源：SolarPlaza。

二是CIGS薄膜電池制備關鍵核心技術缺乏。

目前世界上掌握CIGS薄膜電池生產制造核心技術的企業，幾乎都是采用自主研發技術，而且設備與技術一體化，大部分設備廠商只提供整個流程中某些工藝的解決方案。與硅基薄膜電池不同，CIGS電池專業的設備供應商還很少，而且到目前為止還沒有成功量產化的案例，這需要生產者的團隊具備較強的工藝技術實力，以及設備開發與整合能力。日本Solarfrontier公司的設備和工藝都是自主開發的，設備是不在市場銷售的。其他各家也基本如此。中國企業基本是花大價錢購買國外設備，但設備不代表工藝技術，也就意味著不一定能成功量產。當前，國外對CIGS薄膜電池制備技術嚴密封鎖，已投產的公司技術不擴散，拒絕轉讓技術或出售生產線，對于中國更為嚴格控制。目前出售生產線的公司，往往并不掌握CIGs電池生產線的全套工藝技術，甚至是核心技術，借用他人資金研發CIGS電池生產技術，將風險轉嫁給投資企業。國內企業沒有掌握核心技術，而投資上百兆瓦CIGS電池生產線，很大程度上是在于“圈錢圈地”。此外，我國國內企業重引進、輕視自主研發，過度依賴國外技術資源，使得當前我國CIGS薄膜電池產業專業研發團隊稀缺，產業化缺乏基礎研究，專業人才嚴重不足，企業發展得不到有效的技術支持。

三是CIGS薄膜電池產業有待政策支持。

目前，我國CIGS薄膜電池產業還處于產業的快速成長期，產業體系尚不健全，整體的配套政策、技術水平和市場情況處于一個發展摸索階段，細分產業鏈不夠完整，技術對外依存度高。社會上對高新技術自主創新與研發認知不足，缺乏產業化前期投資機制，使自有核心技術的產業研發缺少資金保障。因此，我國CIGS薄膜電池產業的發展亟需政府政策扶持。

四、政策建議

一是加強政府政策扶持。我國CIGS薄膜電池產業的發展正處于起步階段，政府有效的政策扶持是產業發展的關鍵。通過落實《可再生能源發展“十二五”規劃》等相關規劃及金太陽示范、太陽能光電建筑應用示范工程等工程，統籌制訂產業、財稅、金融、人才等扶持政策，積極促進我國CIGS薄膜電池產業健康發展。

二是支持企業自主創新。加強資金投入，支持行業企業和科研機構開展CIGS薄膜電池應用基礎研究，提升自主創新能力。由于CIGS的工藝和設備要求復雜，國際上尚未形成標準生產工藝和技術壟斷企業，因此必須支持中國企業立足自主創新，通過引進設備或與國外設備企業合作等形式加快CIGS薄膜電池的產業化。如，孚日光伏引進德國Johanna Solar公司的60MW生產線，哈爾濱高科技集團與美國普尼公司合作研發CIGS的生產工藝等。同時結合國內或聯合國內已經有較好研究基礎的高校和科研機構, 幫助企業盡快吸收和掌握國外先進技術。加強產學研結合，支持關鍵共性技術研發，全面提升國產化CIGS制備設備技術水平。加大人才培養力度，支持企業建立企業技術研發中心與博士后科研流動站。

三是完善行業標準體系。重視產品和標準體系建設，加快建立CIGS薄膜太陽能電池產品和發電系統的技術標準和監管體系，將一些有重大影響的企業標準及時轉化為強制性國家標準，積極參與制訂國際標準，推動建立產品檢測認證、監測制度，促進行業的規范化、標準化發展。推動企業加強CIGS薄膜電池產品回收。

四是加強行業組織建設。建立健全CIGS薄膜電池行業組織，推動推動行業自律管理，加強行業交流與協作，打造國內CIGS薄膜電池產業合作創新平臺。以行業組織為紐帶，以企業為主體，以市場為導向，提高CIGS產業應對國際競爭和市場風險的能力。