铟矿资源报道之二--铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池行业

一、薄膜电池行业概述

由于晶体硅电池成本长期处于高位，业内一直通过提升电池转换效率、降低硅片切割厚度等技术来降低成本。与此同时，薄膜电池作为第二代太阳能电池逐渐受到行业关注并增长迅速。

图1：光伏电池分类

关于光伏电池未来的发展趋势：晶体硅电池随着工艺的不断改进、成本的持续下降，短期内依然处于主导地位。而薄膜涂层电池由于其低成本的特点，其在转换效率方面还有提升的空间，未来市场份额势必会有明显的增长。而从市场预测情况来看，未来薄膜电池中CIGS薄膜电池的增速最为明显。

1 CIGS 薄膜电池概况

CIS是CuInSe2的缩写，是一种Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族三元化合物半导体材料。由于它对可见光的吸收系数非常高，所以是制作薄膜太阳电池的优良材料。以P型铜铟硒(CuInSe2)和N型硫化镉(CdS)做成的异质结薄膜太阳电池具有低成本，高转换效率和近于单晶硅太阳电池的稳定性。近年研究将Ga替代CIS材料中的部分In，形成CuIn1-xGaxSe2(简称CIGS)四元化合物。由ZnO/CdS/CIGS结构制作的太阳电池有较高的开路电压，转换效率也相应地提高了许多。CIGS电池在实验室已经达到19.9%的转换率，远高于其他薄膜电池。

二、CIGS薄膜电池优势

1 薄膜电池的低成本优势所在，相对于晶硅电池材料成本便宜

薄膜电池相对于晶硅电池最大的优势在于成本，在前几年多晶硅价格处于高位的时候，薄膜电池的成本优势更为明显。通过我们前面的分析也可以看出，即使在近期多晶硅大幅下降的情况下，薄膜电池的成本优势依然明显。

CIGS薄膜电池具备相对于晶硅电池的成本优势，CIGS电池采用了廉价的玻璃做衬底，采用溅射技术为制备的主要技术，这样Cu，In，Ga，Al，Zn的耗损量很少。而对大规模工业生产而言，如能保持比较高的电池的效率，电池的价格以每瓦计算会比相应的单晶硅和多晶硅电池的价格低得多。

另外，我们前面一直讨论的是光伏电站的初始建站成本，实际薄膜电池的弱光效应是其由于晶硅电池的另一大优势。薄膜电池因为其弱光效应好，每天工作时间远高于晶硅电池的工作时间，这补足了其发光效率相对较低的不足。

2 相对于其他薄膜电池，CIGS薄膜电池转化效率高

市场一直对薄膜电池的转化效率较低颇有担忧。CIGS是目前所推广的薄膜电池中转化效率最高的，目前实验室转换效率可以达到19.9%。CIS有很高的吸收率，在材料的第一微米可以吸收99%的可见光，所以是很有效的光伏材料。增加少量的镓可以增加它的光吸收能带，使它更贴近太阳光谱，改善光伏电池的电压和效率。禁带宽度适于太阳光的光电转换；容易形成固溶体以控制禁带宽度的特点。此外由于高吸光效率（α>104~~105㎝-1），所需光电材料厚度不需超过1μm，99﹪以上的光子均可被吸收。

3 相对于其他薄膜电池，性能稳定，无衰退

硅基薄膜电池的不稳定性集中体现在其能量转换效率随辐照时间的延长而变化，直到数百或数千小时后才稳定。而没有光致衰退效应（SWE）的半导体材料，光照会提高CIS的转换效率，因此此类太阳能电池的工作寿命长。无衰退是薄膜太阳能电池最为关注的性能指标，单结非晶硅薄膜电池的衰退达到25%，非晶微晶叠层薄膜电池的衰退为10%左右。CIS薄膜电池没有光致衰退效应，只可能出现由于不良封装技术导致的不到10%的衰退影响，这一特点和晶硅电池相同。

多年户外试验表明CIGS薄膜太阳电池及其光伏组件具有非常优秀的稳定性。Siemens太阳能公司对CIS组件进行了8年的户外测试，结果除了1989－1990年更换模拟器时电池效率稍有变动以外，其他时间电池的平均效率基本不变甚至有所增加。近年日本Showa Shell公司对11kW的CIGS电池方阵进行了户外测试，测试时间持续3年，结果表明CIGS组件的效率没有发现任何的衰减，再次证明了CIGS电池的稳定性。

4 最适合BIPV的应用

薄膜太阳能电池适合与建筑结合的光伏发电组件(BIPV)：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。

三、CIGS薄膜电池可能存在的问题

1 原材料In的稀缺性

从原材料的稀缺角度考虑，市场认为In将会限制CIGS薄膜太阳电池的长期发展。

我们认为，短期来看，In的稀缺不会构成阻碍CIGS薄膜电池发展的因素。In是一种银白色稀有金属，没有独立矿物，广泛分布于闪锌矿中。我国In储量约1.3万吨，占全球储量的2/3。除了中国，美国、加拿大、日本是主要的生产国。目前我国大部分In 材料出口至日本和韩国，仅有少量被国内使用。由于In材料的特殊性质和稀有性，我国已从2007 年6 月开始正式开始施行In材料出口配额制，2008年，中国共生产铟锭215吨。

从CIGS薄膜电池的材料构成来看，每MW的CIGSSe薄膜电池消耗的In 的数量为45公斤。目前全球CIGS薄膜电池的产能在300MW左右，所需要消耗的In 的数量为14吨，远低于目前In材料的产出量。

从技术角度而言，目前正在开展相关替代的吸收层材料研究，电池吸收层中尽量少用In和Ga元素。一些化合物材料，如锌黄锡矿结构的Cu2ZnSn(S,Se)4 晶体，通过Zn和Sn各替代一半黄铜矿结构中的In，可以作为薄膜电池的吸收层，而电池的其它工艺，如金属Mo电极、异质结的缓冲层和窗口层材料以及上电极材料和制备工艺，都与目前的CIGS薄膜太阳电池相同。

2 Cd的污染问题

由于Cd会带来与环境污染相关的问题，包括CIGS制备过程和电池的使用过程中，终会发生微量的污染问题，因此无Cd缓冲层的工艺是目前研发的重点。

无镉缓冲层可以分为含Zn硫化物、硒化物或氧化物以及In的硫化物或硒化物两大类，制备的方法主要是化学水浴法。已经能够用于生产大面积CIGS薄膜电池的无镉缓冲层有化学水浴法制备的ZnS和原子层化学气相沉积的In2S3