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銅銦鎵硒(CIGS)引起中國神華、中建材等“大玩家”紛紛投資

據最新消息, 近兩年來, 在光伏細分技術路線——銅銦鎵硒(CIGS)上, 突然引來了如中國神華集團、中建材這般有實力的“大玩家”紛紛投資, 意欲攪動中國光伏產業格局。

尤其是在2017年底至2018年初, 銅銦鎵硒的佈局新消息紛至遝來。 2017年12月份, 中國建材集團旗下凱盛集團宣佈其位於安徽蚌埠的300MW的銅銦鎵硒薄膜組件產線正式投產;同煤集團、大同市經濟發展投資有限公司和漢能集團也宣佈其共同投資的第一條50MW產線開始投產;緊隨其後, 2018年1月份, 神華集團、上海電氣、德國光伏設備製造商Manz AG共同出資建設的重慶神華薄膜太陽能項目宣佈正式開工, 據稱該項目設計年產能為306MW。

那麼什麼是銅銦鎵硒?

業界認為, 太陽能電池的發展已經進入了第三代, 銅銦鎵硒薄膜太陽電池具有成本低、污染小、不衰退、弱光性能好等顯著特點, 光電轉換效率居各種薄膜太陽電池之首, 接近於晶體矽太陽電池, 而成本只占其三分之一, 被認為是下一代新型薄膜太陽電池, 因而成為近幾年研究開發的熱點, 無論是在地面陽光發電還是在空間微小衛星動力電源的應用上具有廣闊的市場前景。

第一代為單晶矽太陽能電池, 第二代為多晶矽、非晶矽等太陽能電池。

下圖為三代太陽能電池。

下圖為薄膜電池市場分類。 薄膜太陽能電池主要包括矽基薄膜電池、碲化鎘(CdTe)薄膜電池、砷化鎵(GaAs)薄膜電池、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜電池以及染料敏華(DSSC)太陽能電池五大類。 其中, 矽基薄膜電池又分為非晶矽、微晶矽、多晶矽薄膜電池三種。

矽基薄膜電池、碲化鎘(CdTe)薄膜電池、砷化鎵(GaAs)薄膜電池、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜電池屬於第二代太陽能電池。

下表為幾種薄膜太陽能電池的性能比較。

由此可知, CIGS薄膜太陽能電池轉換效率最高、生產、應用最方便, 光吸收能力強、 發電穩定性強, 當之無愧成為當前有應用潛力的高效太陽能電池, 具體優點如下:

節省原料成本。 CIGS是一種直接帶隙半導體, 其可見光吸收係數高達105cm-1數量級, 相較於矽薄膜需要200μm以上的厚度, CIGS只需要2-3μm的厚度即可。

光吸收能力強。 CIGS薄膜太陽能電池是由其母體銅銦硒(CISe)發展而來, 通過調節Ga的含量,可以使CIGS的禁帶寬度在1.04-1.67 eV內連續調整,以得到所需要的吸收層材料。

轉換效率高。

穩定性好,使用壽命長。

弱光效應好。

CIGS薄膜太陽能電池優勢明顯,但是也存在發展的三大阻礙因素,分別是制程複雜,投資成本高;關鍵原料的供應不足;緩衝層CdS具有潛在的毒性。況且,薄膜電池行業正處於發展初期,市場份額遠低於晶體矽電池。在我國光伏產業中,更多的資本、產能目前仍然集中於多晶矽、單晶矽路線。

產能及其發展

資料顯示,2015年全球薄膜太陽能電池的產能約為9.3GW,產量約為4.4GW。2015年矽基薄膜電池的產能占比為38%,銅銦鎵硒薄膜電池的產能占比為27%,碲化鎘薄膜電池的產能占比為35%。

而早在1953年,Hahn等人首次合成了CuInSe2 (CIS)材料,這是CIGS的早期雛形。而後,越來越多的國外研究團隊投入大量精力。相反地,在國內,我國在CIGS領域的研究開始較晚,20世紀80年代中期,國內的南開大學,清華大學等單位才開始開展CIGS薄膜材料和太陽能電池研究。下圖所示為CIGS在國外的發展。

需進一步解決的問題

時至今日,CIGS太陽能電池研究大熱,行業資本紛紛進入。在該技術發展過程當中,需要進一步解決的問題主要有:

提高光電轉換效率。為了提高CIGS電池效率,需要優化CIGS吸收層的能帶結構,以提高電池開路電壓並提高電荷的收集效率。

降低電池成本。In是CIGS電池的組成成分,其儲量遠低於矽,而在透明導電玻璃行業中需大量使用In。 因此,CIGS太陽能電池的產業化發展必須正確評估In儲量這一問題。

無毒無污染工藝開發。CdS層是太陽能電池的n型層,與作為p型層的CIGS吸收層形成p-n結,是CIGS太陽能電池的核心部分。目前,CIGS薄膜太陽能電池工藝中一般用化學水浴法(CBD)製備CdS薄膜材料,所製備的電池性能穩定、效率最高。 但是,Cd離子屬於重金屬,會污染環境。CdS層的替代材料目前效率最高的是ZnS。

通過調節Ga的含量,可以使CIGS的禁帶寬度在1.04-1.67 eV內連續調整,以得到所需要的吸收層材料。

轉換效率高。

穩定性好,使用壽命長。

弱光效應好。

CIGS薄膜太陽能電池優勢明顯,但是也存在發展的三大阻礙因素,分別是制程複雜,投資成本高;關鍵原料的供應不足;緩衝層CdS具有潛在的毒性。況且,薄膜電池行業正處於發展初期,市場份額遠低於晶體矽電池。在我國光伏產業中,更多的資本、產能目前仍然集中於多晶矽、單晶矽路線。

產能及其發展

資料顯示,2015年全球薄膜太陽能電池的產能約為9.3GW,產量約為4.4GW。2015年矽基薄膜電池的產能占比為38%,銅銦鎵硒薄膜電池的產能占比為27%,碲化鎘薄膜電池的產能占比為35%。

而早在1953年,Hahn等人首次合成了CuInSe2 (CIS)材料,這是CIGS的早期雛形。而後,越來越多的國外研究團隊投入大量精力。相反地,在國內,我國在CIGS領域的研究開始較晚,20世紀80年代中期,國內的南開大學,清華大學等單位才開始開展CIGS薄膜材料和太陽能電池研究。下圖所示為CIGS在國外的發展。

需進一步解決的問題

時至今日,CIGS太陽能電池研究大熱,行業資本紛紛進入。在該技術發展過程當中,需要進一步解決的問題主要有:

提高光電轉換效率。為了提高CIGS電池效率,需要優化CIGS吸收層的能帶結構,以提高電池開路電壓並提高電荷的收集效率。

降低電池成本。In是CIGS電池的組成成分,其儲量遠低於矽,而在透明導電玻璃行業中需大量使用In。 因此,CIGS太陽能電池的產業化發展必須正確評估In儲量這一問題。

無毒無污染工藝開發。CdS層是太陽能電池的n型層,與作為p型層的CIGS吸收層形成p-n結,是CIGS太陽能電池的核心部分。目前,CIGS薄膜太陽能電池工藝中一般用化學水浴法(CBD)製備CdS薄膜材料,所製備的電池性能穩定、效率最高。 但是,Cd離子屬於重金屬,會污染環境。CdS層的替代材料目前效率最高的是ZnS。

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