薄膜太阳能电池在我国的发展前景

　　1.薄膜太阳能电池发展的背景

　　为实现能源和环境的可持续发展，中国、美国、德国、日本等国家纷纷鼓励发展太阳能等可再生能源，迅速增长的光伏市场拉动了光伏产业的发展。太阳能光伏可分为晶硅和薄膜两种电池技术路线。晶体硅太阳能电池以高转化效率的优势晶硅太阳能电池是目前技术最成熟、应用最广泛的太阳能光伏产品，但晶体硅的光吸收能力较低，在弱光条件下几无发电，只适用于强光环境；电池材料厚且易碎，不能制成柔性组件，这都限制了其应用。目前靠规模化生产已将晶硅电池的成本降低到极致，技术突破显得尤为迫切。采用新的技术实现产品多元化，提高电池转换效率、降低材料与能源消耗、缩小产业链、增强产率及良品率是光伏产业发展的根本出路。

　　2.薄膜太阳能电池的特点

　　薄膜太阳能电池正是实现降低成本及产品多元化的有效途径。与晶硅电池相比，薄膜太阳能电池具有显著的成本优势：1）以玻璃、塑料、金属箔等廉价材料为衬底；2）其微米量级的器件厚度节省了昂贵的半导体材料；3）低温下即可制备，能耗低、能源回收期短；4）大面积连续化生产，电池材料、器件、商品化组件在一个车间内可同时完成，有效缩小了产业链。

　　与单一的晶硅电池相比，目前已发展了不同种类的薄膜太阳能电池，如硅基薄膜太阳能电池、碲化镉(CdTe)太阳能电池、铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池等。这些光伏电池具有不同的性能优势，各有其市场与消费群体定位，可有效降低同质产品之间的恶性竞争。

　　硅基薄膜太阳能电池包括多晶硅、非晶硅、微晶硅等材料制作的电池。多晶硅薄膜太阳能电池由于所使用的硅远较单晶硅少，无效率衰退问题，有可能在未来太阳能发电市场上占有一席之地。非晶硅太阳电池由于具有较高的光电转换效率和较低的成本等特点，但转换效率不高，影响其推广应用。与非晶硅电池相比，已发展的非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池，其具有更高的稳定效率。

　　CdTe太阳能电池较其他的薄膜太阳能电池容易制造，因而它向商品化进展最快，已由实验室研究阶段走向规模化工业生产。目前CdTe制造成本已低至1.28$/W，是所有太阳能电池中制造成本最低者，需要大量模组来铺设的并网型大型太阳能设施计划如发电厂等很适合应用CdTe模组。而且其温度系数低（约为-0.25%/℃），对弱光的敏感度高，更适合于高温、沙漠及潮湿地区等严苛应用环境。

　　CIGS薄膜电池是目前唯一能达到晶体硅转换效率且生产成本有潜力低于CdTe的薄膜电池。以玻璃为基底的电池CIGS组件，其转换效率可达到多晶硅水平（小面积电池Eff=20.8%，1m2面积电池组件15.7%，量产化组件平均效率可达到13%）；以金属箔或聚酰亚胺为基底的柔性CIGS组件，不怕摔碰，功率重量比可达1500W/Kg，适于移动便携和空间电池。若生产设备和工艺技术成熟，其产片的性价比具有很强的竞争力，将会撬动晶硅电池的市场垄断，打破其独霸市场的格局。

　　染料敏化太阳能电池具有原料丰富、成本低、原材料和生产过程环境友好、制备技术相对简单及性能稳定的优点。目前，小面积电池（面积小于1cm2）的光电转换效率已经达到12.3%，100cm2以上的大面积电池效率也接近6%，该电池今后的研究重点是进一步提高DSC的光电转换效率和电池实用化性能攻关。

　　有机太阳能电池以重量轻、可溶液成膜以及可弯曲的性质，得到了广泛的关注。目前，加州大学通过采用三结方案，有机聚合物太阳能电池的光电效率已提升到11.5%，展现出探索串联高效有机太阳能电池的可行性。但是，与现有成熟的硅基电池相比，电池的转换效率较低。

　　对不同种类太阳能电池的特点做了综合比较，从中可发现，目前已能进行产业化大规模生产的薄膜电池主要有三种：硅基薄膜太阳能电池、碲化镉及铜铟镓硒薄膜太阳能电池。其中碲化镉和铜铟镓硒太阳能电池的转换效率较高，可以与晶硅电池媲美，而且其制造成本低，产业化前景最为明朗。

　　3.薄膜太阳能电池发展的机遇

　　薄膜太阳能电池具有良好的柔韧性、用料少、能耗低、便于大面积连续生产、生产制造成本低等优势，在光伏建筑一体化和荒漠电站等领域显示出良好的商业化应用前景，被公认为是未来太阳能电池发展的主要方向。我国在薄膜太阳能电池发展方面有着相当的优势。

　　近年来，随着薄膜技术的不断进步以及装备性能的持续提升，薄膜技术产业化的步伐逐渐加大。2013年全球薄膜太阳能电池的产能达到8.4GW，产量约为4GW，产量产能均较2012年提高了20%。其中，硅基薄膜电池的产能占比为50%，铜铟镓硒薄膜电池的产能占比为22%，碲化镉薄膜电池的产能占比为28%。2014年，CIGS的电池效率不断被刷新，薄膜太阳能电池技术正在重新获得资本市场的青眯。同时，我国多晶硅太阳能遭受的其他国家反倾销、反补贴调查，也为我国薄膜光伏产业的发展提供了难得的机遇。

　　虽然我国薄膜电池技术研发及产业化发展仍处于起步阶段，但是已经具备一定的产业基础。在高转换效率CdTe薄膜电池的制备及电池组件生产线的建设方面，我国目前已经进入世界先进行列。国内相关研究单位和企业已经介入碲化镉薄膜电池技术研究中，并积累了大量的研究经验。中国科学院电工研究所在普通廉价玻璃上制备出了厚度仅为2μm的CdTe多晶薄膜，经认证，其转化效率达到14.4%，标志着我国CdTe电池研究进入了世界先进行列。杭州龙焱能源科技已建成一条年产30MWCdTe薄膜电池组件的生产线，并生产出平均转换效率达到11.39%的CdTe电池组件产品。而且CdTe电池组件也已实现产业化应用，在河北鹿泉市西任村，华北第一座碲化镉薄膜分布式光伏电站已实现并网发电；在青海玉树觉悟寺，基于碲化镉薄膜太阳能组件的的风光互补离网太阳能系统也已建设完成并投入使用。这些成功案例必将进一步促进CdTe产业的发展。

　　对于起步相对较晚的国内CIGS产业而言，虽然也取得了一定的成果，但生产设备和技术瓶颈的制约也是显而易见，目前为止量产的厂家几乎没有，用国产化组件建成运营的项目也是凤毛麟角。在这种大背景下，除加强核心技术的自主创新外，国内CIGS产业采用的是“引进--吸收--消化--创新”的路线。随着欧美CIGS产业技术向中国的开放，汉能借机收购了德国Solibro、美国Miasole及Global Solar生产线，取得三种不同工艺的铜铟镓硒技术；中建材今年4月也通过保留品牌的方式收购了德国Avancis的铜铟镓硒技术；深圳鑫明光控股美国Ascent Solar公司，均在中国落地进行国产化，Manz技术也对中国开放。对这些顶尖技术的消化吸收可为我国CIGS薄膜太阳能电池产业的发展提供高的起点。引进Manz集团CIGS模块的云南石林项目已经被证明是一个成功的案例，预示着这种模式的可行性可以大规模铺开。

　　从光伏应用来看，薄膜太阳能电池设备在屋顶或者地面，城市或者郊区都可以装置，在光伏建筑一体化领域更是具有较大的市场潜力。薄膜太阳能电池可根据需求制成适合与建筑结合的光伏发电组件：双层玻璃封装刚性的薄膜太阳能电池组件，可以根据需要，制作成不同的透光率，可以部分代替玻璃幕墙，而不锈钢和聚合物衬底的柔性薄膜太阳能电池适用于建筑屋顶等需要造型的部分。将薄膜太阳能电池应用于城市大量的既有和待开发的建筑外立面和屋顶，避免了现有玻璃幕墙的光污染问题，能代替建材，同时发电又节能，将成为未来城市利用光伏发电的主要方向。我国的温室大棚面积世界第一，且城市建筑资源丰富，为薄膜光伏发电提供了广阔的市场。根据国家统计局数据测算，到2020年，我国城乡房屋建筑面积约为890亿平方米，以东、南、西墙墙面积的15%、屋顶面积的10%计，直接市场规模超过10万亿元，间接市场规模达30万亿元，相当于我国汽车市场的3-5倍。即使按照10%的转化率和太阳能平均每年1300个发电小时计算，装机规模相当于368个葛洲坝或45个三峡，可替代全社会30%左右的年用电需求。

　　不可否认，国家政策一直是光伏行业发展的主推手。科技部、发改委在相关规划里面明确指出对薄膜产业化的研发需求。在十二五规划中，国家力挺薄膜电池，薄膜电池技术被列入国家产业化大纲。国家高度重视分布式光伏发电的发展，并出台了各种配套政策和实施方案，有力推动了分布式光伏发电在众多领域的多种方式利用，薄膜光伏产业呈现出良好发展态势。

　　从资源角度看，我国发展薄膜太阳能电池有着得天独厚的天然优势。我国镉矿资源约占世界镉矿资源总量的23%，居世界第一位，碲的储量在世界上处于第三位。我国碲储量约为2.2万吨，居全球第三位，这为我国碲化镉产业的发展奠定了良好的基础。中国丰富的稀土资源，为CIGS薄膜太阳能电池在中国国内的发展奠定了坚实的基础。全球已探明的In储量中国占70%，目前我国已经作为战略资源实行出口许可证制度。因此发展CIGS技术和产业必定要到中国，中国将成为CIGS的最大生产国。

　　4.结语

　　不管是从政策扶持，还是现有的产业基础来看，中国薄膜电池产业的发展进程势必不可阻挡。未来几年，凭借其在建筑应用领域的独特优势，薄膜太阳能电池的市场份额将逐年提升。相信随着薄膜国产化技术的进步、辅助配套设施的同步发展、原材料供应及性能的日益完善，薄膜太阳能电池在我国将会有更好的发展。开发符合我国实际和现实需求的具有自主知识产权的成套工艺技术和关键设备制造技术，迅速扩大市场，是目前我国薄膜太阳能电池产业发展的关键。

　　文/CSST中央研究院节能环保分院 王守玲，马铁