关注第二代太阳能电池CIGS

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近年来，日本人在广西“扎堆”，见铅锌尾矿便拉矿主“开个价吧，给现金”。崇左县一位铅锌矿老板认为：“日本人不是骗子，就是疯子，铅锌尾矿一文不值，还要赔上治污费”。他想耍耍日本人，便信口开河道：“3个亿，要就全运走！”而日本人却毫不含糊，马上盯着签合同、转支票。最近，美籍华人太阳能资深科学家陈祖培教授一语道破天机。原来，日本人是冲着铅锌尾矿中的稀有金属铟而来，而铟则是制造第二代太阳能电池——铜铟硒镓最重要的原料。

自从1800年意大利人伏特发明第一个电池、1879年美国人爱迪生发明电灯后，人类生活就注定要与“电”结下密不可分的关系。电的产生方式有石油、瓦斯、煤、铀等多种，但这些能源的储量有限，在人类高度开发利用下终有消耗殆尽的一天。因此，世界各国无不积极地研发新的替代能源，太阳能电池就是一种最佳选择。从1954年美国贝尔实验室（Bell Lab）制造出第一个太阳能电池至今，基于硅晶片的太阳能电池一直占产业化生产主导地位，2005年晶体硅的市场份额大致为90.6%（单晶硅38.3%，多晶硅52.3%）。但受单晶硅材料价格及繁琐的电池工艺影响，其成本比火电贵七、八倍，限制了第一代太阳能电池真正商业化的大规模利用。值得注意的是，今后几年多晶硅材料的供应缺口都将维持在5000吨左右，导致材料价格大幅上涨，甚至出现有价无货、拥硅为王的畸形局面。这就必然促进其他材料太阳能电池的快速发展。

基于薄膜技术的第二代太阳能电池，包括多晶硅、非晶硅、碲化镉以及铜铟硒镓，可少用甚至不用晶硅材料，符合提高光电转换效率和降低生产成本的发展方向，目前研发势头方未艾。2006年以来，国际较大的光伏企业都制定了发展薄膜电池的目标。例如：在非晶硅薄膜产量已从2004年4.4%提高到2005年的4.7%、达到86MW的基础上，美国Energy Conversion Devices (ECD Ovonics)宣布将其薄膜组件生产能力增长每年60MW ；ErSol Group2008年将把薄膜组件生产能力提高到年产40MW，如市场如期增长，有可能再增加3500平方米的生产能力；德国SCHOTT公司将投资近6000万欧元，增加30MW的薄膜年生产能力。但薄膜电池的光致衰减效应和较低的效率（8%），始终是其未大规模商业应用的原因。而碲化镉电池2005年的比例虽从2004年的1.1%提高到1.6%、达到29MW，First Solar公司也宣布2006年将其生产能力提高到75MW，但镉毒污染环境仍然是碲化镉电池大面积推广的致命弱点。

铜铟硒镓CIGS（CIS中掺入Ga）太阳能电池是多元化合物半导体薄膜电池，是在玻璃或是其它廉价衬底上依次沉积多层薄膜而构成的光伏器件，其结构从玻璃衬底到最顶层依次是：金属Mo背电极/ CIS吸收层/ CdS过渡层/本征ZnO(i-ZnO)层/ZnO:Al窗口层，最后可选择在表面依次镀上减反射层(AR Coating)来增加光的入射，再镀上金属栅极用于引出电流。

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CIGS电池的特点，一是低成本，工艺简单，采用廉价的Na-Lime玻璃做衬底，溅射技术为制备主要技术，Cu,In,Ga，Al，Zn的耗损量很少，对大规模工业生产而言，如能保持较高的电池效率，电池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。二是高效率，禁带宽度（1.1eV）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，目前实验室样片效率达到18.8％。 三是性能良好，可大规模生产，CIGS电池的界面是化学稳定的；亚稳态缺陷对载流子有正面的影响；而Cu漂移是可逆的，它的漂移缓解了在材料中的化学势产生的缺陷梯度，这种适应性使其有很好的抗辐照和抗污染能力，暴露在日光下效率也不衰减，具备大规模生产的优势。
始于20世纪80年代初铜铟硒镓太阳能电池的研究，经过20多年努力，近期有了突破性的进展。目前，铜铟硒镓电池效率小面积已超过18.8%，大面积达到了13%，接近多晶硅太阳能电池（13.4±0.7%），在效率、稳定性和大面积生产技术方面都有可喜进展，尤其在衰减低和寿命长以及2美元/W的低市价方面，更是其它薄膜电池无可比拟的。
因此，尽管其2005年市场份额只有0.2%，但国外许多大公司和国家实验室都在吩咐抢占制高点。如2005年德国投入5500万欧元，正在建造生产能力达10MW的铜铟硒生产线，西门子公司（Siemens Solar）开始大规模实施制造薄膜太阳能电池的计划。上世纪90年代，美国能源部要求将CIS太阳电池组件的光电转换效率提高到15％。美国能源部负责太阳电池科技发展计划的美国太阳研究所开发CIS和CdTe两种薄膜太阳电池的基金，在80年代每年300万美元的基础上翻一番，并在订立开发资助合同时要求工业部门分担30％~50％的研究开发费用。美国国际太阳能电力技术公司的研究人员认为，在不远的将来，CIS太阳电池的效率将提高到16％以上。美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory) 1995年研制出光电转换效率为17.1％的CuInSe2太阳电池，最近宣布，铜铟硒镓电池技术取得突破，美国去年科技创新也授予了铜铟硒镓电池产业化项目。值得注意的是，日本松下电气工业公司开发了掺镓的CIS系化合物半导体薄膜新生产工艺，并用该薄膜开发了光电转换效率为15.3％(面积1cm2)的CIS系薄膜太阳电池。现在日本除了使用硅作原料生产多晶、单晶、非晶硅太阳电池以外，新型CIS系薄膜太阳电池--铜铟硒镓成为研发重点。综上所述，陈教授不无尖刻地指出，在北京奥运会前，美、日、德等发达国家铜铟硒镓（CIGS）太阳电池的产业化将有历史性突破，而北京奥运会采用的都是与上世纪90年代悉尼奥运会类似的晶硅基第一代光伏材料，很可能刚安装就落后CIGS15年左右。
但CIGS电池的大规模生产和推广并非没有瓶颈，主要障碍就是铟资源的稀缺性。铟不仅是极为稀缺的稀有金属，而且主要储藏在我国广西、江西、云南、贵州等几个省区的少数铅锌矿的尾矿之中。这就是世界太阳能行业目光转向这些深山老林山的原因。

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我国光伏产业经过20多年不懈努力，已达到一定技术水平和生产规模。但现阶段，我国太阳能光伏产业仍处于基于硅晶的第一代太阳能电池世界金字塔产业结构的低端。高居塔尖的是7家太阳能多晶硅厂商：Tokuyama、Mitsubishi Material、Mitsubishi Polysilicon、Hemlock Semiconductor、Advanced Silicon Materials、Solar Grade Silicon、Wacker Piktsilicon，我国虽有峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅有限公司年产多晶硅60吨，即使全部供应光伏产业，也仅是市场需求的2.6％，其余只能依赖进口。目前四川新光硅业科技有限责任公司和洛阳中硅高科技有限公司正在分别建设1200吨和300吨多晶硅项目，但生产技术来自俄国有保留的改良西门子法，质量不过关。第二层是15家硅片厂商，包括RWE Schott Solar、Sharp、BP Solar、Deutsche Solar、Kyocera等，在这一环节主要的技术流程包括铸锭（或单晶生长）、切方滚磨、用多线切割机切片、化学腐蚀抛光，其中铸锭（或单晶生长）环节属于高能耗，切割机等投资规模亦相对较大，设备投资约占初期总投资的60%以上。第三层是太阳能电池片制造，2004年全球电池厂商有40余家，Sharp，Shell Solar、Kyocera、BP Solar、RWE Schott Solar分列一至五位。第四层是电池封装和组件集成，技术含量和进入门槛相对较低，属于劳动力密集型产业，全球厂商数量超过200家，国内厂商数量更多。
目前我国除无锡尚德、常州天合生产少量硅片和电池片外，几乎都是电池封装和组件企业，呈现“两头在外”的格局，即90%以上的原料进口，90%的产品出口。2005年我国对多晶硅的需求量为3800吨，其中光伏产业需求2691吨，绝大部分需要依赖进口。由于晶硅原料占太阳能电池生产成本的40％左右，而国内正在兴起一股太阳能电池投资热潮，将进一步引起原料的争夺大战，从而加剧原料供应的紧张而目前国际市场上的多晶硅也供不应求，电子和太阳能两个行业使用的高纯度硅从2004年的31000吨增长到2005年的35000吨左右，太阳能行业年用量增长20%。由于市场供不应求，国外主要多晶硅生产企业现已形成了企业联盟，严格控制技术转让并垄断全球硅材料市场，抬高多晶硅价格，1公斤太阳级多晶硅材料由两三年前13美元一路猛涨到46美元，涨幅高达250％，甚至达到60美元~80美元，国内太阳能电池生产厂遭遇了即使出高价也买不到多晶硅的“无米下锅”局面，多数太阳能电池制造企业产能都有放空现象。
因此，原料成本高、供应紧张不久进一步提高了多晶硅太阳能电池制造成本，还将威胁到国内晶硅基太阳能电池的发展。但另一方面，也为非硅基太阳能电池，尤其铜铟硒镓电池的发展创造了难得的机遇。可是，如果铜铟硒镓电池的技术仍然控制在美国那里，资源又落入日本之手，即使铜铟硒镓电池很快成为世界太阳能光伏产业的主流，我国除了遭受晶硅基太阳能电池产业的崩盘，继续为跨国公司打工之外，还能收获什么呢？陈祖培教授提醒我们：当前首先要把铟资源控制在中央政府手里，然后抓紧铜铟硒镓电池的研发生产。他认为，北京大学、天津大学等国内高校研发铜铟硒镓电池有一定基础，但国家不够重视，资金和相关条件薄弱，有必要在保证自主知识产权和资源优势的前提下，加强国外资金和技术的引进，尤其要重视海外华人的力量。作为切入点和示范工程，上述工作可从北京奥运会公开向海内外进行铜铟硒镓（CIGS）光伏发电系统开始，现在离开幕还有一年多时间，完全可能使北京奥运会成为展示世界最新光伏发电科技的窗口，真正体现“绿色奥运，科技奥运和人文奥运”的精神。