012013铜铟镓硒薄膜太阳电池的发展状况与趋势

1/232013铜铟镓硒薄膜太阳电池的发展与趋势蒋潇1蒋荣华2成都夏舞科技发展有限公司1江西赛维LDK太阳能高科技有限公司22012-11-180、序言铜铟镓硒（简称CIGS）薄膜太阳电池，具有性能稳定、抗辐射能力强、生产成本低廉、环保高效、光谱响应范围宽等特点，其光电转换效率是目前各种薄膜太阳电池之首，是多元化合物半导体中最具代表性的光伏器件。被国际上称为下一时代最有前途的廉价太阳电池之一，有可能成为未来光伏电池的主流产品之一。CIGS薄膜由于元素成分多、结构复杂，工艺中某一项参数略有偏差，则材料的电学性能和光学性能变化很大，制备过程难于控制。因此，对工艺和设备的要求非常严格。其关键的生产技术是铜铟镓硒（CIGS）薄膜核心材料与柔性基材的完美结合。由于受到晶硅太阳电池价格快速下跌的影响，目前薄膜太阳电池已失去低材料成本的优势，竞争力大减。薄膜组件价格与晶硅电池组件价格一同在持续下跌，因此，2012年薄膜电池市场扩展有限。CIGS薄膜电池的技术瓶颈在于量产的稳定性，目前有部分厂商已突破此技术瓶颈，扩大了生产规模，2012年产量有明显增长，但厂商須持续提升转换效率，才能使成本具有竞争力。SolarFrontier已建980MW大型生产线，显示CIGS薄膜太阳电池的量产技术已得到突破，将吸引更多生产厂投入CIGS生产行列，预估将增加设备的需求量。本文将对各类晶硅电池进行比较；叙述CIGS薄膜电池的结构、特性、国内外发展现状、价格走势、产业化水平、投资风险，以及CIGS薄膜电池的主要制备工艺和技术关键作简要介绍和展望。1、晶硅电池与薄膜电池的概况太阳电池发展到现在，已经进入了第三代。第一代为单晶硅太阳能电池，第二代为多晶硅、非晶硅等太阳能电池，第三代是以CIGS薄膜太阳电池为代表的薄膜太阳能电池。从发展历史的角度来看，可将太阳电池按下图1进行分类。图1光伏电池的分类太阳能光伏电池晶体硅电池薄膜涂层电池其它新型电池单晶硅电池多晶硅电池硅基薄膜电池化合物半导体薄膜电池非晶体基太阳能电池a-Si微晶、多晶硅薄膜电池碲化镉薄膜电池CdTe铜铟硒薄膜CIS砷化镓薄膜GaAs2/231.1、晶硅电池价格大跌限制了薄膜电池的发展近年来，由于太阳电池组件供给量大幅提升，加上欧债危机和发达国家对光伏补贴的大幅降低，导致光伏市场萎缩，市场供过于求逐步加剧，光伏市场价格持续大幅度下跌。通过表1全球太阳电池产量与需求的相比数据，我们可清楚看见：2009年，由于美国金融危机的影响，太阳电池开始出现明显的供过于求，2011年欧债危机加剧了这种状况，供需极不平衡，光伏市场出现严重供过于求。到目前为止，供过于求的状况仍严重。详见下表1和图1全球太阳电池供需状况统计与预测。表1全球太阳电池供需状况统计与预测项目20082009201020112012E需求量（GW）6.07.216.627.730生产量（GW）7.9310.723.937.242.0参考数据：国家发改委能源所，2012由数据作者收集整理图1全球太阳电池供需状况统计与预测参考数据：国家发改委能源所，2012由作者整理2011年初以来，在欧债危机、光伏“双反”贸易战、全球光伏产能过剩、中国、印度等光伏新兴应用市场的政策滞后等综合因素共同作用和影响下，使光伏应用市场跟不上光伏产能发展的速度，曾如火似荼的光伏产业急速坠入严冬，市场萎缩、竞争残酷、价格暴跌、全行业性亏损，行业洗牌加剧。2012年以来，光伏市场进一步下跌，据我们的统计，进口多晶硅价格从年初最高点的30.5美元/千克快速下跌至11月中旬的16美元/千克以下，均价跌幅达47%，最低价跌到15美元/千克，跌幅已超过50%。多晶硅价格的快速下跌也导致其他光伏产品的价格下跌，其中156×156多晶硅片的均价从年初1.126美元/片跌至0.82美元/片，跌幅近27%；多晶硅电池片和组件的价格分别从年初的0.478美元/瓦和0.951美元/瓦跌至11月中旬的0.348美元/瓦和0.662美元/瓦，其跌幅分别为29%和30%。我们收集PVinsights公布的光伏产品价格，整理出了2011-4到最近全球光伏产品的价格数据和走势图表，大部分国际光伏产品如硅片、电池片、硅基太阳电池、电池组件和光伏多晶硅的报价仍在持续下滑，详见下图2-4。20082009201020112012E67.216.627.7307.9310.723.937.242全球太阳电池供需状况与预测需求量（GW）生产量（GW）3/23整个光伏产业受供需严重失衡的影响，导致从2011开始到现在，晶硅光伏产业链自上游多晶硅到下游组件都大幅度和持续跌价，除造成晶体硅产业链制造商大幅亏损或倒闭外，薄膜电池也不能独善其身，光伏的大环境也抑制和影响到了薄膜太阳电池产业的发展。图22011-4到2012-9全球光伏多晶硅价格走势资料来源：PVinsights、作者收集整理（每月中旬的均价）图32011-4到2012-8全球各类光伏产品价格走势资料来源：PVinsights、作者收集整理（每月中旬的均价）图4硅基电池组件与薄膜电池组件走势与对比7874.55553.552.355139.533.629.13131.7528.424.6624.1223.6221.7220.5820.12020406080100Apr/11May/11Jun/11Jul/11Aug/11Sep/11Oct/11Nov/11Dec/11Jan/12Feb/12Mar/12Apr/12May/12Jun/12Jul/12Aug/12Sep/122011-4以来PV级多晶硅价格走势（美元/千克）3.481.531.1341.043.681.541.321.150.7050.530.50.4264.572.031.775.053.222.2842.061.5351.0350.9460.7320123456Apr/11May/11Jun/11Jul/11Aug/11Sep/11Oct/11Nov/11Dec/11Jan/12Feb/12Mar/12Apr/12May/12Jun/12Jul/12Aug/122011-4到2012-8全球硅片和电池价格走势156多晶硅片（美元/片）156单晶硅片（美元/片）电池综合均价（美元/瓦）156多晶电池（美元/片）156单晶电池（美元/片）硅基电池组件（美元/瓦）4/23资料来源：PVinsights作者收集整理（每月中旬的均价）1.2、近年晶体硅与薄膜电池市场变化状况从目前市场构成来看，晶硅电池仍然是目前太阳电池的主流。晶硅电池主要应用于太阳能屋顶电站、商业电站和高土地成本的城市电站，是目前技术最成熟，应用最广泛的太阳能光伏产品，所占全球光伏市场的份额在80%左右。薄膜太阳电池也随着其技术的不断进步，光电转换效率得到迅速提高。尽管与晶硅电池相比仍有很大差距，但因其用料少、工艺简单、能耗低，成本具有一定优势，以及柔性电池在与建筑一体化的应用方面，越来越被业界所接受，近年来薄膜太阳电池产业得到较快发展。尤其是在2007-2008年多晶硅的价格在每公斤高达400-500美元时，材料用量低的薄膜太阳电池得到了大的发展机会，加上设备取得容易，形成了一股硅基薄膜太阳电池生产厂建设的风潮。2007年全球薄膜太阳能电池产量达到400MW，比2006年的181MW增长120%，市场占有率增加到12%，而2006年的市场占率仅为8.2%；2008年全球薄膜太阳能电池产量达892MW，比07年增长123%，其市场占有率进一步上升，达到12.5%。多晶硅电池占主导地位，占总份额的47.7%，单晶硅电池下降4个百分点到38.3%。2009年，虽然多晶硅价格大幅度下跌，但仍达每公斤150美元，加上前两年薄膜电池建设项目的投产，其产能发挥出来，使薄膜电池的市场占率大幅增加到16.7%。2009年仅全球薄膜电池老大美国FirstSolar的产量就比2008年翻了一倍还多，由2008年的503MW增加到2009年的1100MW，生产成本也进一步降至84美分/W，在这两方面可谓遥遥领先于其他厂商；另外，Sharp似乎也想全身心地投入薄膜产业，在2008年产出了38MW的a-Si/u-Si微非组件的基础上，2009年其产能为480MW。另外，曾经是2008年的世界头号太阳能电池供应商的Q-cells，2009年底薄膜电池的产能达到250MW，还有中国和全球的其他地方新进入的各种薄膜太阳能电池生产厂，2009年全球薄膜电池产量继续翻番，达到120%的增长幅度，产量达约2GW。薄膜电池产量增速连续三年超过120%的增长，显示了薄膜电池极为强劲的发展势头。然而，当2010年多晶硅价格跌至每公斤50美元时，对薄膜电池造成1.5351.1650.9460.820.6641.210.9150.7740.7240.62600.511.52Apr/11May/11Jun/11Jul/11Aug/11Sep/11Oct/11Nov/11Dec/11Jan/12Feb/12Mar/12Apr/12May/12Jun/12Jul/12Aug/12Sep/12Oct/12Nov/12硅基电池与薄膜电池价格走势硅基电池组件（美元/瓦）薄膜电池组件（美元/瓦）5/23了一定的冲击，其薄膜电池市场占有率回缩到14.5%左右。2011年第二季后多晶硅价格迅速下降至每公斤30美元左右，硅基电池价格也大幅度降低，使薄膜电池的发展受到进一步的抑制和冲击，其市场占有率进一步下降到13.4%左右。2012年以来，多晶硅和晶体硅电池价格进一步大幅度下跌，到11月份多晶硅平均价跌到了16美元/公斤以下，4年內多晶硅价格暴跌9成多，便宜的多晶硅材料成本使得晶硅电池最具有明显的竞争力，因此，预计薄膜电池的市场占有率将进一步萎缩到12%左右。在薄膜电池市场中，以硅薄膜太阳电池产能产量最大，其次是CdTe薄膜太阳电池，CIGS薄膜太阳电池产能则最少，但由于CIGS部分厂商的技术得到突破，預估2012年CIGS薄膜太阳电池市场占有率将增加。历年来各类电池的市场占有率情况详见下图5。图52008～2012年各类太阳电池市场占有率情况Source：拓墣产业研究所，2011/12目前，由于薄膜太阳电池量产技术以真空制程为主，其技术难度較高，且设备投资大，进入门槛高，厂商数较少，而具高产能的公司则更少。目前全球最大的薄膜太阳电池公司为美国生产CdTe的FirstSolar，2011年产量约2.14GW，2012年估计将增加到2.7GW左右，能稳坐龙头地位。除FirstSolar外，2011年排名前2～5名都是硅薄膜太阳电池生产厂，在2012年这个局面将发生变化，日本CIGS大厂SolarFroniter于2011年建成980MW新厂，2012年总产能将增加至1GW，预计2012年SolarFrontier将名列第二大薄膜太阳电池生产厂，详见下表2。表22011～2012全球前五薄膜太阳电池厂商预估Source：拓墣产业研究所，2011/126/23从市场长期发展来看，随着中国光伏市场的启动，晶硅电池与薄膜电池的发展前景都是较为乐观的，它们都将在各自能发挥长处的应用领域得到发展。未来，薄膜太阳能电池与硅基太阳电池将共分天下，各取所长，共同发展。2、各类太阳能电池的比较目前，在实验室条件下，单晶硅太阳电池的光电转化效率最高已达到24.7%，已经逼近理论值25%；而多晶硅的光电转化效率已从1976年的12.5%到目前实验室研制的最高转换效率20.3%。商业化的单晶硅太阳电池的光电转化效率为15～19.6%，商业化的多晶硅太阳电池的光电转化效率为13～18.5%，达到大规模商业生产和应用。目前，薄膜太阳能电池主要包括非晶硅薄膜电池、碲化镉薄膜电池和铜铟镓硒薄膜。在商业化薄膜太阳电池转换效率方面，以非晶硅薄膜太阳电池为最低，效率介于7～9%，实验室可达9.5%；非晶/微晶硅薄膜太阳电池与CdTe薄膜太阳电池转换效率略高，商业化分別是9～11%与9～12%，实验室可达9.5%和16.5%；CI