山東孚日光伏科技有限公司 王巖 李和勝 孫琳

一 引言

銅銦鎵硒[CIGS:Cu(In1-x,Gax)Se2]薄膜太陽(yáng)電池?zé)o論是實(shí)驗(yàn)室記錄還是產(chǎn)業(yè)化水平，均是第二代薄膜光伏技術(shù)中光電轉(zhuǎn)化效率最高的[1,2]。因?yàn)榧婢邇?yōu)異的穩(wěn)定性和良好的弱光效應(yīng)，銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)電池不但可以廣泛應(yīng)用于地面光伏電站、屋頂電站以及光伏建筑一體化等各種光伏細(xì)分市場(chǎng)，還在空間動(dòng)力電源等特殊應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景[3]。

在CIGS薄膜電池的基礎(chǔ)研究和工業(yè)制造方面，以美國(guó)、德國(guó)和日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家走在了世界前列。中國(guó)要在CIGS薄膜電池產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域奮起直追乃至后來(lái)居上，走原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新與引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新相結(jié)合的道路，是直面挑戰(zhàn)、正視差距的明智之舉。

二 CIGS薄膜電池發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)

1 CIGS薄膜電池產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

綜合JRC、GTM Research等知名研究機(jī)構(gòu)的分析數(shù)據(jù)，截止2011年全世界從事CIGS薄膜電池制造的企業(yè)約40家左右，產(chǎn)能已經(jīng)接近1.5GW。其中以日本Solar Frontier產(chǎn)能最大，超過(guò)1GW。但是，2011年CIGS薄膜電池實(shí)際產(chǎn)量約850MW，產(chǎn)能釋放率約為56.7%；僅占全年光伏電池產(chǎn)量的2.88%(2011年全球光伏電池總產(chǎn)量約為29.5GW)[4,5]。

上述約40家從事CIGS薄膜電池產(chǎn)業(yè)化的業(yè)者從地域分布的角度主要集中于德國(guó)、美國(guó)和日本，代表型企業(yè)包括德國(guó)的W?rth Solar、Avancis和Solibro；美國(guó)的Global Solar、Miasol?、Nanosolar和Solopower；日本的Solar Frontier。從產(chǎn)品的種類出發(fā)，德國(guó)和日本的企業(yè)主要集中于以浮法玻璃為基底的集體型CIGS薄膜電池組件的生產(chǎn)；而美國(guó)的企業(yè)主要從事不同柔性組件的生產(chǎn)。從工藝路線角度出發(fā)，真空路線的共蒸發(fā)法和濺射后硒化法仍是CIGS薄膜電池產(chǎn)業(yè)化的主流技術(shù)；但是非真空的印刷法和電化學(xué)沉積法也取得了較大的進(jìn)步，進(jìn)一步拓寬了CIGS薄膜電池產(chǎn)業(yè)化的通道，極大的推動(dòng)了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

在技術(shù)發(fā)展水平方面，多數(shù)從事CIGS薄膜電池生產(chǎn)的企業(yè)均可將全尺寸CIGS薄膜電池組件的光電轉(zhuǎn)化效率穩(wěn)定于11%～13%，當(dāng)然針對(duì)不同的工藝路線和基底材料，組件實(shí)際的光電轉(zhuǎn)化效率略有不同。

2 CIGS薄膜電池發(fā)展趨勢(shì)

自2011年第三季度開(kāi)始光伏市場(chǎng)發(fā)生突變，晶硅太陽(yáng)電池價(jià)格降幅已經(jīng)超過(guò)40%，給薄膜太陽(yáng)電池的發(fā)展帶來(lái)了前所未有的巨大壓力。薄膜太陽(yáng)電池惟有加快以技術(shù)為驅(qū)動(dòng)、以市場(chǎng)為導(dǎo)向的創(chuàng)新步伐，才能在日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)中擺脫被動(dòng)局面、占有一席之地。根據(jù)GTM Reaearch在《Thin Film 2012-2016》一文中的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，在未來(lái)五年薄膜太陽(yáng)電池的產(chǎn)能和市場(chǎng)將持續(xù)增長(zhǎng)，其中CIGS薄膜太陽(yáng)電池的產(chǎn)能將在2016年達(dá)到4GW的規(guī)模，從而與CdTe薄膜太陽(yáng)電池分庭抗禮[4]。

與研發(fā)機(jī)構(gòu)和制造廠商對(duì)CIGS薄膜太陽(yáng)電池的熱切期待相一致，廣大投資者在光伏行業(yè)的資金投入也集中于兩個(gè)領(lǐng)域——除了收益較豐的光伏工程領(lǐng)域，便是有望發(fā)力的CIGS薄膜太陽(yáng)電池。MERCOM在《Solar funding and M&A:2011》一文的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中，以Stion、Miasol?和HelioVolt等公司為代表的CIGS薄膜太陽(yáng)電池廠商在2011年和2012年一季度分別吸引了4.67億美元和1.04億美元的投資[6]。

三 銅銦鎵硒中國(guó)產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐

CIGS薄膜太陽(yáng)電池商用市場(chǎng)拓展腳步遲滯的原因概括起來(lái)主要有三點(diǎn):一是技術(shù)復(fù)雜，造成準(zhǔn)入門(mén)檻高。因?yàn)閺?fù)雜的工藝制程和吸收層組成元素眾多，造成CIGS薄膜電池的準(zhǔn)入門(mén)檻相對(duì)較高，這也是量產(chǎn)企業(yè)高度集中于德國(guó)、美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的主要原因。二是工藝尚未標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)專用設(shè)備依賴較大。由于從事CIGS薄膜電池批量生產(chǎn)的技術(shù)多種多樣，還沒(méi)有形成類似晶硅電池那種成熟的標(biāo)準(zhǔn)化工藝路線，造成CIGS薄膜電池產(chǎn)業(yè)化嚴(yán)重依賴專用設(shè)備的制造，初始投資較大，設(shè)備的投資回報(bào)比較低。三是制造成本相對(duì)較高。復(fù)雜多樣的工藝、專用化的設(shè)備以及較小的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模極大的阻礙了CIGS薄膜電池產(chǎn)業(yè)化的步伐[7]。

因此，若想推動(dòng)CIGS薄膜電池產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，需要在規(guī)避技術(shù)準(zhǔn)入門(mén)檻、推進(jìn)工藝標(biāo)準(zhǔn)化和降低生產(chǎn)成本方面做進(jìn)一步的努力。山東孚日光伏科技有限公司正是在這三方面進(jìn)行了卓有成效的探索和實(shí)踐，才走出了一條CIGS薄膜太陽(yáng)電池中國(guó)化批量生產(chǎn)的新型之路。

1 孚日光伏產(chǎn)業(yè)化工藝路線

孚日光伏采用濺射后硒化工藝方法制備CIGS薄膜太陽(yáng)電池，電池結(jié)構(gòu)如圖1所示。

孚日光伏CIGS薄膜電池以普通的浮法玻璃為基底，采用磁控濺射方法制備金屬鉬(Mo)層作為背電極；光吸收層是采用兩步法制備:預(yù)先采用磁控濺射的方法制備銅銦鎵(CIG)的金屬預(yù)制層，而后進(jìn)行高溫硒化獲得銅銦鎵硒(CIGS)吸收層；隨后采用化學(xué)水浴(CBD)的方法制備硫化鎘(CdS)的緩沖層；之后再繼續(xù)采用磁控濺射的方法制備本征氧化鋅(i-ZnO)適配層和摻鋁氧化鋅(ZAO)窗口層。為提高電池的開(kāi)路電壓，穿插進(jìn)行幾步刻劃工藝，將大面積的單一電池認(rèn)為劃分為多個(gè)電池，同時(shí)實(shí)現(xiàn)區(qū)分小電池的串聯(lián)。電池制備的工藝流程如圖2所示。

圖2 CIGS薄膜電池制備工藝流程圖

電池制備完畢之后就進(jìn)入到組件制備過(guò)程。在這一過(guò)程中完成電極的引出，封裝材料的敷設(shè)、蓋板玻璃的敷設(shè)以及層壓、裝框等工藝過(guò)程，以最終獲得CIGS薄膜太陽(yáng)電池組件。

在批量生產(chǎn)上述標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的同時(shí)，孚日光伏還積極針對(duì)不同的細(xì)分應(yīng)用市場(chǎng)陸續(xù)開(kāi)發(fā)了無(wú)框型CIGS薄膜電池組件和透光型CIGS薄膜電池組件；上述產(chǎn)品已經(jīng)獲得國(guó)家專利，可以廣泛應(yīng)用于屋頂光伏電站和光伏建筑一體化應(yīng)用領(lǐng)域[8,9,10]。

2 孚日光伏產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

作為一家真正實(shí)現(xiàn)CIGS薄膜電池批量化生產(chǎn)的企業(yè)，孚日光伏掌握了大規(guī)模生產(chǎn)CIGS薄膜太陽(yáng)電池的全套核心技術(shù)及全面管理經(jīng)驗(yàn)；突破了長(zhǎng)期以來(lái)制約CIGS薄膜電池產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)壁壘和管理經(jīng)驗(yàn)匱乏的難題。

伴隨公司的快速成長(zhǎng)，一支本土化的、經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的、學(xué)歷層次和專業(yè)結(jié)構(gòu)合理的技術(shù)團(tuán)隊(duì)日臻成熟；該團(tuán)隊(duì)擁有CIGS薄膜電池建廠的全套實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，CIGS薄膜電池規(guī)?；a(chǎn)的管理經(jīng)驗(yàn)，完全具備自主進(jìn)行生產(chǎn)線垂直整裝和新產(chǎn)品研發(fā)的能力。

經(jīng)過(guò)多年沉淀和積累，公司用于CIGS薄膜電池生產(chǎn)的全套生產(chǎn)工藝、核心技術(shù)以及核心生產(chǎn)設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)計(jì)正申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利，輔以產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)專利，自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)群正逐步形成。

經(jīng)過(guò)三年的實(shí)際操作和管理經(jīng)驗(yàn)，公司積累了豐富的潔凈廠房管理經(jīng)驗(yàn)，水、電、氣以及“三廢”處理等基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建和管理經(jīng)驗(yàn)，具備了為更大規(guī)模CIGS薄膜電池生產(chǎn)項(xiàng)目服務(wù)的能力。

公司的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)德國(guó)T?V和中國(guó)金太陽(yáng)質(zhì)量認(rèn)證，質(zhì)量水平已達(dá)世界先進(jìn)水平。作為中國(guó)大陸首家同時(shí)擁有上述兩項(xiàng)認(rèn)證的CIGS薄膜電池生產(chǎn)商，可為客戶提供一流產(chǎn)品。

公司建立了完整的CIGS薄膜電池生產(chǎn)所需原材料及生產(chǎn)輔料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，建立了穩(wěn)定的本土化原材料供應(yīng)體系。原材料評(píng)估開(kāi)發(fā)流程已列入管理體系，按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展運(yùn)作。

公司建立了涵蓋原材料入廠檢驗(yàn)、生產(chǎn)過(guò)程控制及成品質(zhì)量控制等完備的質(zhì)量管理體系，通過(guò)ISO9001國(guó)際質(zhì)量管理體系認(rèn)證，有效地保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

公司擁有設(shè)備齊全、管理一流的分析測(cè)試中心，建立了完善的原輔料及半成品檢驗(yàn)控制方法和標(biāo)準(zhǔn)，可為CIGS批量化生產(chǎn)提供全套檢測(cè)服務(wù)。此分析測(cè)試中心也是技術(shù)中心的雛形。

按照ISO 9001國(guó)際質(zhì)量管理體系的要求，公司已經(jīng)建立起完善的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程，并針對(duì)目標(biāo)市場(chǎng)和客戶要求進(jìn)行定制化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)。公司開(kāi)發(fā)的BIPV專用無(wú)框組件和透光組件已經(jīng)獲得國(guó)家專利授權(quán)。

公司自行設(shè)計(jì)和安裝了國(guó)內(nèi)最大的CIGS薄膜屋頂電站。該項(xiàng)目成功入選2011年金太陽(yáng)示范工程。通過(guò)不斷為客戶提供定制化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)服務(wù)，公司已經(jīng)具備了向不同客戶提供定制化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品生產(chǎn)和安裝的實(shí)際項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn)和能力。通過(guò)自行設(shè)計(jì)安裝的示范項(xiàng)目在金太陽(yáng)示范項(xiàng)目評(píng)審中順利過(guò)關(guān)，公司也獲得了幫助客戶進(jìn)行金太陽(yáng)等示范項(xiàng)目申請(qǐng)的經(jīng)驗(yàn)和能力，正逐步成長(zhǎng)為光伏系統(tǒng)解決方案提供商。

經(jīng)過(guò)三年多的實(shí)際運(yùn)營(yíng)，尤其是第一條產(chǎn)線投產(chǎn)以來(lái)批量生產(chǎn)積累的生產(chǎn)調(diào)度、工藝優(yōu)化、設(shè)備維護(hù)以及基礎(chǔ)設(shè)施操作等經(jīng)驗(yàn)，孚日光伏已具備了進(jìn)一步擴(kuò)充生產(chǎn)規(guī)模的條件和能力。伴隨市場(chǎng)開(kāi)拓工作的展開(kāi)和產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證的獲得，在市場(chǎng)開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)以及項(xiàng)目申報(bào)方面也積累了豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。

四 銅銦鎵硒未來(lái)產(chǎn)業(yè)化思考

1 市場(chǎng)及客戶對(duì)組件制造商的要求

毋庸置疑，太陽(yáng)電池的應(yīng)用范圍將在人類日常生活所需的各個(gè)領(lǐng)域日益廣泛。同時(shí)，不可否認(rèn)的是，光伏電站仍將是太陽(yáng)電池組件主流的應(yīng)用方向。典型的光伏發(fā)電項(xiàng)目商業(yè)模式是:光伏組件制造商向EPC(設(shè)計(jì)－采購(gòu)－施工)工程總承包商提供組件，后者受投資者委托負(fù)責(zé)建設(shè)光伏電站，以向最終消費(fèi)者提供電力。

在此過(guò)程中，投資人怎樣會(huì)做出投資決策并引發(fā)金融機(jī)構(gòu)的興趣和認(rèn)同，是光伏發(fā)電項(xiàng)目得以實(shí)施并運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵所在。有業(yè)內(nèi)專家引進(jìn)“可融資性”(Bankablility)這一金融術(shù)語(yǔ)，用于判斷對(duì)某個(gè)光伏發(fā)電項(xiàng)目的認(rèn)可度、可靠性，以及是否值得信賴并最終獲得投資[11]。投資者在判定一個(gè)光伏發(fā)電項(xiàng)目是否具有可融資性時(shí)，會(huì)定量和定性評(píng)估各個(gè)環(huán)節(jié)的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)，與光伏組件制造商緊密相關(guān)的是太陽(yáng)電池的性價(jià)比和可靠性。要求電池組件供應(yīng)商提供符合相應(yīng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的，高穩(wěn)定性的電池組件，并建立完善的關(guān)于組件生產(chǎn)信息的可追溯數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)然，高的轉(zhuǎn)化效率和較低的生產(chǎn)成本始終是光伏組件被客戶認(rèn)可必需的前提條件。

孚日光伏在努力提高產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性以及最終滿足光伏項(xiàng)目的“可融資性”方面做了許多前瞻性的探索和嘗試。

2 孚日光伏的探索與嘗試

在保證組件產(chǎn)品質(zhì)量及穩(wěn)定性方面，孚日光伏已經(jīng)順利獲得德國(guó)T?V和中國(guó)金太陽(yáng)質(zhì)量認(rèn)證，質(zhì)量水平已達(dá)世界先進(jìn)水平。此外，孚日光伏還完全按照IEC標(biāo)準(zhǔn)要求在工廠內(nèi)搭建了組件可靠性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，以保證產(chǎn)線上生產(chǎn)的組件完全滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)要求。此實(shí)驗(yàn)室正在積極申報(bào)國(guó)家認(rèn)可實(shí)驗(yàn)室(CNAS)認(rèn)證。

在保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性及可追溯性方面，孚日光伏已經(jīng)獲得ISO9001國(guó)際質(zhì)量管理體系認(rèn)證；同時(shí)在生產(chǎn)線上建立了生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)，可以監(jiān)控產(chǎn)品生產(chǎn)每一個(gè)環(huán)節(jié)，并記錄所采用的工藝、材料及設(shè)備信息。該系統(tǒng)以ID號(hào)作為唯一標(biāo)識(shí)，準(zhǔn)確定位每一個(gè)組件，以保證組件信息的可追溯性。

在持續(xù)提升組件光電轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)品質(zhì)量方面，孚日光伏已經(jīng)組建了企業(yè)技術(shù)中心，并于2012年5月獲得濰坊光伏工程研究中心授牌。本中心致力于薄膜光伏相關(guān)基礎(chǔ)理論及工程問(wèn)題的研究，以新工藝、新材料、新產(chǎn)品、新設(shè)備為研發(fā)的重點(diǎn)和方向，將為電池轉(zhuǎn)化效率和質(zhì)量水平的提升提供強(qiáng)有力的智力支撐。

3 CIGS薄膜電池未來(lái)產(chǎn)業(yè)化的思考

按照目前的技術(shù)發(fā)展水平，CIGS薄膜電池的產(chǎn)業(yè)化之路還很漫長(zhǎng)，需要組件制造商、相關(guān)設(shè)備/材料供應(yīng)商和科研單位的共同努力。要想繼續(xù)擴(kuò)大CIGS薄膜電池的市場(chǎng)份額，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，必須堅(jiān)持以市場(chǎng)為導(dǎo)向，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)力，憑借緊扣客戶需求和差異化的產(chǎn)品來(lái)增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

作為光伏組件的制造商，應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確的把握市場(chǎng)發(fā)展的脈搏，深挖技術(shù)潛力，不斷進(jìn)行技術(shù)、產(chǎn)品與應(yīng)用的創(chuàng)新，緊緊圍繞如何更好地滿足客戶需求這一根本目的，依靠提升產(chǎn)品的附加值和質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本來(lái)站穩(wěn)市場(chǎng)，不斷擴(kuò)大CIGS薄膜電池在光伏市場(chǎng)的份額，推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

[1]M. A. Green, et al. Solar cells efficiency tables (version 39), Prog.Photovolt.: Res. Appl., 2012.

[2]M. Edoff. Thin film solar cells: research in an industrial perspective.AMBIO, 2012.

[3]CIGS technology: the new thin film engine EuPD, 2010.

[4]Thin Film 2012-2016: Technologies, Markets, and Strategies for Survival, GTM Research, 2012.

[5]PV status report 2011, JRC, 2011.

[6]Solar funding and M&A:2011 forth quarter and annual report,2012.

[7]F. Colville. Behind the CIGS facade: benchmarking CIGS manufacturers and quantifying return-on-investment , Solarbuzz,2012.

[8]山東孚日光伏科技有限公司.一種無(wú)框BIPV太陽(yáng)能電池組件(P),中國(guó)專利:201120217445.7.

[9]山東孚日光伏科技有限公司.一種銅銦硒薄膜太陽(yáng)能電池組.件(P),中國(guó)專利:201120217608.1.

[10]山東孚日光伏科技有限公司.一種銅銦硒薄膜太陽(yáng)能透光組.件(P),中國(guó)專利:201120321916.9.

[11]L?deke-Freund, F. & Olbert, S. (2011): Bankability: Definition- Bedeutung - Management, presentation.