2019年中國光伏技術發展報告(2)

中國可再生能源學會光伏專業委員會

(中國可再生能源學會，北京 100190)

1.3 銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池的研究進展

1.3.1 CIGS薄膜太陽電池的研究概況

2018年，四方創能光電技術有限公司與清華大學的莊大明教授合作研發的小面積電池效率達到21.49%(有效面積為0.46 cm2)。在CIGS疊層電池方面，比利時歐洲跨校際微電子研究中心(IMEC)與德國巴登符騰堡太陽能和氫能源研究中心(ZSW)制備的串聯鈣鈦礦與CIGS的新型薄膜太陽電池的轉換效率達24.6%，為鈣鈦礦-CIGS雙結疊層太陽電池創下新的紀錄[31]。Solibro公司發布最新量產大尺寸的世界冠軍組件效率值，經TüV Rheinland認證中心認證，其開發的1190 mm×789.5 mm大面積玻璃基CIGS薄膜太陽電池全面積效率達到17.52%(開孔面積效率為18.7%)，組件輸出功率為164.7 W[32]。

1.3.2 CIGS薄膜太陽電池研究的國際進展

與轉換效率不斷提高相匹配的是在技術創新方面取得良好的進展。

1)在CIGS發展史上，Na元素對CIGS性能的有利影響和作用機理被認為是具有里程碑意義的發現。雖然適量Na元素摻雜有利于提高CIGS多晶硅太陽電池效率已被廣泛認可，但Na元素摻雜對CIGS單晶硅太陽電池的作用還不明確。盧森堡大學的COLOMBARA等[33]發現Na元素可以促進GaAs單晶硅襯底上生長的CIGS中In和Ga的相互擴散，這一現象與Na元素阻礙CIGS多晶硅中In和Ga的相互擴散這一結論完全相反，該成果發表在Nature Communications上。KF后處理被認為具有減薄緩沖層同時維持較高填充因子的作用，從而可提高電池效率。Solar Frontier利用CsF后處理提高吸收層表面禁帶寬度和晶體質量，將CIGS電池的開路電壓損失降低到384 mV，從而顯著提高了電池的開路電壓和填充因子，獲得效率22.9%的世界紀錄。2018年，本領域的研究主要集中在利用原子探針層析(APT)、三維飛行時間二次離子質譜分析(3D-TOF-SIMS)、掃描透射電鏡(STEM)及納米X射線熒光(nanoXRF)等表征手段在納米尺度分析重堿金屬摻雜對CIGS太陽電池的微觀結構及性能的影響方面[34-37]。

2)無鎘環保緩沖層研究及電池制備。為獲得高效率電池，在CIGS太陽電池制備中通常采用CdS作為緩沖層。雖然Cd以化合物形式存在，對環境的污染風險較小，但是對環境的潛在破壞仍然促使人們不斷對無Cd緩沖層進行研發。目前的無Cd緩沖層主要有干法磁控濺射和濕法化學水浴制備的Zn(O,S)、In2S3、(Zn,Mg)O等。2018年Solar Frontier利用Cd0.75Zn0.25S/Zn0.79Mg0.21O取代CdS/i-ZnO緩沖層，同時利用加熱光浴-光浴后處理獲得21.2%的電池效率[38]。

3)基于窄禁帶CIGS背電池的疊層電池。CIGS的帶隙在1.0～1.7 eV可調且具有較高的吸光系數，被認為是最理想的疊層電池材料。2018年，利用寬禁帶鈣鈦礦作為前電池與窄禁帶CIGS作為背電池制備雙節疊層電池獲得巨大突破。8月末，加州大學洛杉磯分校與Solar Frontier在Science發表雙端子型串聯鈣鈦礦-CIGS疊層電池世界效率22.4%的文章[39]。1個月后，IMEC與ZSW將鈣鈦礦-CIGS疊層電池的轉換效率突破至24.6%，此電池結構為四端子型串聯鈣鈦礦-CIGS雙結疊層電池[31]。

1.3.3 CIGS薄膜太陽電池研究的國內進展

2018年國內多個研究單位在CIGS薄膜太陽電池研究中取得進展。

1)中國科學院深圳先進技術研究院CIGS太陽電池研發進展。該院光子信息與能源材料研究中心利用三步共蒸發在鈉鈣玻璃基底上制備的面積為0.5 cm2的CIGS電池效率為21.3%，是目前共蒸發制備CIGS太陽電池效率的國內紀錄，由北京鑒衡認證中心有限公司認證。該效率的突破主要是在三步共蒸發法中主動調節Ga的梯度分布，改善能帶梯度，并且利用KF后處理工藝，開路電壓達到719 mV，比未經KF處理的提高30～40 mV。

2)四方創能光電技術有限公司與清華大學合作研究進展。清華大學材料學院莊大明課題組2018年在CIGS電池方面的研究目標主要是提高電池的開路電壓Voc，其探索了不同Ga含量的CIGS電池特性，結果表明，提高Ga含量確實可顯著提高電池Voc[40-42]，但是Ga/III百分比超過33%后，電池的短路電流Isc急劇劣化，導致電池效率隨之下降[40-41]。為延遲高Ga含量對電池Isc的影響比例，采用堿金屬后處理，不僅可顯著提高禁帶寬度，還可鈍化缺陷，略微提高Isc[43]。

①小面積CIGS電池的研制。采用鈉鈣玻璃基底的CIGS電池的效率為21.49%，有效面積為0.46 cm2，創造國內濺射硒化法制備的CIGS電池的效率新紀錄，由中國科學院太陽能光伏發電系統和風力發電系統質量檢測中心于2018年4月11日認證。

電池制備工藝為：CIGS四元靶材濺射加后熱處理，利用不同Ga含量的四元靶材進行依次濺射，在預制膜中形成Ga含量的梯度，在含H2Se氣體的氣氛下進行高溫退火處理，使吸收層最終形成U型帶隙分布。

②CIGS組件的產業化開發。尺寸為1245 mm×635 mm的CIGS組件的效率最高達13.0%。

電池制備工藝為：在1245 mm×635 mm的玻璃基板上沉積CIGS，同樣利用吸收層梯度帶隙方式制備預制膜，退火后形成Ga含量的U型分布來制備電池。組件采用全激光刻劃技術進行內聯，可將死區寬度控制在200 μm以內。

主要的技術路徑為：采用不同Ga含量的四元靶材，通過磁控濺射工藝在預制膜中構建Ga含量的梯度分布，在含硒氣氛下對預制膜進行退火，從而在CIGS吸收層中形成U型分布的帶隙梯度。

3)國家能源投資集團(原神華集團)CIGS光伏組件開發和量產進展。2017年原神華集團、上海電氣和德國曼茲公司(Manz)三方合作，組建集研發、裝備制造和組件生產于一體的CIGS光伏合資公司：神華(北京)光伏科技研發有限公司、重啟重慶神華薄膜太陽能科技有限公司、蘇州曼茲新能源裝備有限公司。

小面積CIGS薄膜太陽電池的效率提升：神華(北京)光伏科技的合作方ZSW是提升小面積CIGS薄膜電池效率的主力軍，其標桿項目為Sharc25。

大面積CIGS薄膜光伏組件產業化方面：①北京44 MW實驗線建造：神華(北京)光伏科技有限公司將在北京低碳清潔能源研究所園區內建造44 MW的CIGS實驗線，設備由蘇州曼茲新能源裝備有限公司提供，技術與NICE Solar Energy GmbH已有的和正在開發的技術一致。②重慶306 MW生產線建造：2017年底，重慶神華CIGS薄膜光伏組件項目在當地開工。首期產線為306 MW，技術來自神華(北京)光伏科技有限公司，設備同樣由蘇州曼茲新能源裝備有限公司提供。

4)中國建材集團CIGS太陽電池研發與產業化進展。中國建材集團所屬凱盛集團收購德國Avancis公司，并成立凱盛光伏材料有限公司，利用Avancis的濺射硒化技術制備CIGS太陽電池。制備的尺寸為30 cm×30 cm、孔徑面積為622 cm2的無鎘CIGS組件效率為17.9%，得到弗勞恩霍夫太陽能系統研究所的權威認證。

5)漢能各下屬全資子公司CIGS太陽電池研發與產業化進展。漢能旗下共有德國Solibro、美國MiaSolé、美國Global Solar Energy 3家全資海外子公司，其2018年的效率進展情況如表1所示。

表1 截至2018年漢能各下屬公司在CIGS太陽電池方面取得的效率進展Table 1 Efficiency progress made by Hanergy's subsidiaries in CIGS cells by 2018

①漢能Solibro。漢能Solibro CIGS薄膜太陽電池生產技術采用共蒸法，其多點源共蒸技術可靈活改變工藝流程來控制成膜組分及禁帶寬度。

2018年1月，Solibro公司發布最新量產大尺寸的世界冠軍組件效率值，經TüV Rheinland認證中心認證，其開發的1190 mm×789.5 mm大面積玻璃基CIGS電池全面積效率達到17.52%(開孔面積效率為18.7%)，組件輸出功率為164.7 W[43]。漢能Solibro的研發團隊還在無鎘緩沖層、雙面電池、堿金屬后處理、Ag摻雜等方面進行了研究[37,44-49]。

②漢能MiaSolé。漢能MiaSolé采用一站式卷繞鍍膜技術，在濺射設備、“卷對卷”生產工藝、濺射沉積技術、材料、設備表征和可靠性等方面處于世界領先水平。

MiaSolé研究發現，在磁控濺射沉積MoNa背電極層時，不同的沉積溫度、氣氛對Na在CIGS吸收層中的擴散、吸收層與背電極界面的影響，找到了提高電池效率的途徑。分析了在磁控濺射沉積CIGS過程中，溫度、硒化、Na組分等生長條件對Ga/(In+Ga)的影響；研究了Ga/(In+Ga)梯度分布對太陽電池性能的影響，目前濺射沉積法制備的電池效率最高達到了17.96%(內部測試)。

MiaSolé公司于2018年9月在荷蘭登博斯市完成歐洲最大的柔性組件工程—— 在Maaspoort體育中心頂部鋪設418片柔性光伏組件，年發電量將達125 MWh[50]。該公司開發的柔性CIGS組件的特點在于背面采用自粘型的膠膜，能非常方便的直接粘貼到由Evalon膜制造的屋頂上，為組件鋪設提供了便利的施工條件。

③漢能Global Solar Energy(GSE)。漢能GSE柔性CIGS薄膜共蒸技術采用不銹鋼襯底“卷對卷”的生產工藝及緊湊、高產的沉積設備，可實現材料的高效利用。其獨特的柔性產品封裝技術，尤其是后續研發成功的ICI(集成芯片互聯)技術，在全球處于領先地位。該技術首先利用光刻技術制備電極，再用激光焊接方式將前后電極連接起來，達到減少串聯電阻、提升組件轉換效率的目的。封裝材料包括前板復合膜、EVA及背板復合膜，ICI封裝技術不僅可降低成本、提高轉換效率，還可降低工藝復雜度、提高組件可靠性。

漢能GSE推出其PowerFLEX?+系列產品，柔性組件效率達到15%，在炎熱、陰天、低輻照、高緯度等地區的性能表現突出[51]。該類組件具有較強美學特征和較低廉的成本，安裝較方便，目前在屋頂、車頂等曲面領域應用廣泛。

6)銅銦鎵硒薄膜技術的推廣應用。

①柔性光伏組件在屋頂項目中的應用。2018年8月完工的電科院趙公口203 kWp分布式光伏項目，位于北京市海淀區趙公口，屋頂使用面積為2030 m2。該項目采用漢能GSE PowerFlEX?+6 m柔性薄膜光伏組件，該組件擁有輕、薄、柔、易、高等產品優勢。與其他玻璃基組件相比，該組件重量優勢明顯，不帶背膠時每m2僅重2.3 kg(帶背膠時為3 kg)，適用于對荷載有嚴苛要求的屋面，以及建筑立面和移動應用場景；組件厚度僅3 mm，安裝便捷且將其安裝于屋頂時無需支架系統，操作簡單，適用于TPO(熱塑性聚烯烴)和EPDM(三元乙丙橡膠)防水膜、鍍層鋼板(如立接縫金屬屋面)、改性瀝青等不同屋面材質。這種安裝方式具有高抗風性能且不破壞屋頂。此外，相較于傳統玻璃基組件，該類組件可節省30%的支架系統和安裝成本；同時具有柔軟可彎曲的特性，可應用于弧形的屋頂、棚頂；由于對陽光入射角要求低，可水平鋪裝，組件之間無遮擋，無組件間距要求，可實現最大的有效利用面積，提高單位面積裝機量。根據北京市的年太陽總輻射量為1500 kWh/m2計算，該項目每年可發電20.09萬kWh，每年將減排CO2約220.3 t。

圖15 漢能GSE PowerFLEX?+組件鋪設的趙公口項目Fig.15 Zhao Gongkou project of Hanergy GSE PowerFLEX?+ PV modules

②漢瓦的應用。蘇州同里綜合能源服務中心屋頂項目采用漢能漢瓦，將柔性CIGS薄膜太陽電池與屋面瓦融為一體，兼具發電和建材產品的功能。工作時，漢瓦背部的空氣層因受熱膨脹而上升，瓦背氣壓減小，外部氣流從通風口不斷涌入，由內而外的氣流循環使采用漢瓦的屋頂較普通屋頂更遮陽隔熱。該項目的裝機量為20.31 kW，采用677片單片功率為30 W的標準漢瓦組件，已安裝完成。蘇州同里湖嘉苑被動式建筑已獲得中國住建部科發中心與德國能源署的雙重認證，住宅實現建筑自發自用電的“零能耗”，還具備被動儲能、室溫調節與智能語音控制家居等功能。

漢瓦的多樣造型可滿足不同的建筑風格，其優異的性能適應各種各樣的環境，自問世至今已被廣泛應用于別墅、民俗村、新農村自建房、政府機關單位、景區游客中心等風格各異的建筑上，為生態文明建設賦予新能量。

圖16 蘇州同里湖嘉苑漢瓦屋頂項目Fig.16 Tongli lake jiayuan hanwa roof project in Suzhou

③屋頂電站應用——Solibro SlideIn組件。上海青浦湖畔佳苑一棟高檔別墅的屋頂項目總裝機量為25.87 kW，日發電90 kWh，采用漢能Solibro SlideIn組件，不僅安裝更便捷、更安全、更省心，還具有卓越的防水、排水性能。該組件為CIGS雙玻光伏組件，采用滑入式安裝，不同于傳統的壓塊固定組件存在施工易碎的缺點，其在安裝過程中不易碎且基本無阻力，輕輕一推，即可勻速、精準裝卡到位，使SlideIn光伏系統可直接節省人力成本近40%。此外，該光伏系統可解決屋頂光伏安裝漏水痛點，具有卓越的防水、排水性能，給屋頂多了一層保護。

圖17 上海青浦湖畔佳苑別墅屋頂光伏項目Fig.17 Shanghai qingpu lakeside jiayuan villa roof PV project

1.3.4 CIGS薄膜太陽電池的發展趨勢展望

近幾年CIGS小面積太陽電池的效率穩步提升，產業化方面也獲得較大發展，尤其是國內一些著名企業的大力投入，使全球CIGS產業化中心轉移到中國。CIGS太陽電池轉換效率得到進一步突破，但其產業化方面仍有一些問題需要解決。未來在CIGS研發、技術進步和產業化推進等方面的發展趨勢可以概括為：

1)進一步深入探索Li、Na、K、Rb、Cs等堿金屬的作用機理。著重研究堿金屬元素在吸收層的分布，以及其對CdS/CIGS界面態的影響和鈍化缺陷的作用等，優化堿金屬后處理工藝和區分不同堿金屬的作用機理。

2)近幾年內CIGS薄膜太陽電池的轉換效率有望達到25%。未來需要突破的方向有高結晶質量的寬禁帶CIGS吸收層、新的吸收層制備工藝、對堿金屬摻雜的深入理解、新型寬禁帶緩沖層等。

3)基于CIGS太陽電池的疊層太陽電池效率有望突破30%。CIGS太陽電池的禁帶寬度在1.0～1.7 eV之間可調，可與鈣鈦礦、晶體硅及CIGS本身等多種太陽電池形成疊層電池，雙節電池的理論極限高達45%，具有極大科研價值和應用潛力。目前基于窄禁帶CIGS與鈣鈦礦的疊層電池效率已高達24.7%，基于寬禁帶(禁帶寬度＞1.5 eV)CIGS與窄禁帶(禁帶寬度約1.0 eV)CIGS的雙節疊層太陽電池效率為22.0%。如何提高寬禁帶和窄禁帶CIGS太陽電池效率及新型透明導電背電極將是未來主要研究方向。

4)在產業化方面，隨著有實力的大型企業加大投入，帶動我國核心裝備的自主研發和設計制造，可望逐步形成GW級的產業規模。目前國內隨著產能的增加，環境問題及稀土金屬的供需受到重視。因此，如何制備高性能的新型無鎘緩沖層替代目前主流的CdS緩沖層，以及降低單位產能消耗In原材料也是未來產業化需解決的問題。

5)提升CIGS薄膜太陽電池在光伏市場的競爭優勢。由于晶體硅的成本低和技術成熟度等優勢，光伏市場主要由其壟斷。為提升CIGS薄膜太陽電池競爭優勢，在通過提升技術和增加規模效應降低成本的同時，需要將產品應用多元化，避免與晶硅產品同質化競爭。應用多樣性方面，可偏向于分布式光伏電站、光伏建筑一體化、光伏建材構件等領域；也可利用柔性基底CIGS太陽電池可彎曲的特點，將其應用拓寬至背包、幕墻、弧形屋頂、車頂等。

6)CIGS薄膜光伏技術升級與設備國產化。我國CIGS企業關鍵核心技術與高端裝備對外依存度高、高端裝備制造業和生產性服務業發展滯后，未來需實現關鍵核心技術與裝備實施國產化攻關，提高關鍵環節的創新能力，形成薄膜太陽電池技術創新體系，全面提升大面積薄膜半導體材料核心裝備的創新能力。

1.4 銅鋅錫硫(CZTS)基薄膜太陽電池研究進展

1.4.1 CZTS基薄膜太陽電池發展概況

2014年，美國IBM采用聯氨溶液制備的CZTSSe太陽電池創造12.7%的世界效率紀錄[52]。這一紀錄被南京郵電大學辛顥課題組打破，該課題組以DMSO為溶劑，以簡單的金屬鹽和硫脲為前驅體化合物，通過優化前驅體里的化學組成，制備出效率為13.6%的電池[53]。此外，越來越多的研究組在2018年陸續報道效率超過11%的電池。奧爾登堡大學采用直流磁控濺射Zn/CuSn/Zn后，使用一步硒化法制備出效率為11.4%的CZTSe太陽電池[54]。托萊多大學采用濺射后硒硫化的方法，通過改變后退火過程中腔室的壓強，有效地降低了帶尾態，制備出效率為11.8%的CZTSSe太陽電池[55]。瑞士EMPA基于DMSO后硒化的方法，通過精確調控Li摻雜量獲得效率為11.6%的CZTSSe太陽電池[56]。中國暨南大學采用磁控濺射后硒化技術制備出效率為12.3%的CZTSe太陽電池[57]。 (待續)