青山绿水云雪路——“十三五”铜铟镓硒（CIGS）产业技术创新展望
时间：2020-10-28 来源：admin 浏览数：2410

山东邹城，在中华五千年历史长河中，不仅诞生了孔子、孟子两位中国乃至世界历史文化名人，还孕育了许多为中华民族发展壮大做出了历史贡献的杰出人物，“三迁择邻”世代贤母孟母，“凿壁偷光”刻苦治学西汉经学家匡衡，抗击匈奴汉魏军事家唐彬，国宝医书《脉经》作者王叔和等都是这块土地培养出来的大贤巨擘。

江山如此多娇，还看今朝。“十三五”开局期间，由山东国阳光伏科技有限公司投资的国内最大规模3MW薄膜电池（CIGS）在山东邹城工业园区屋顶分布式电站并网发电。

3MW薄膜电池（CIGS）组件约两万多块CIGS电池组，安装在邹城工业园区5个厂房屋顶，占屋顶面积约3万多平方米。按照山东邹城日照小时换算满发电功率为1300小时，预计全年3MW电站可发电390万千瓦时，全额上网，享受国家发电度电补贴政策，经济效益可观。

该电站并网发电，展现了国内近年来能源科技创新能力和技术装备自主化水平显著提升，为国内先进重大能源装备运用做出了项目示范，将引领高端发电装备向光伏领域纵深发展。该电站项目的并网成功，是集成创新，资源创新和引进消化吸收再创新的典范。项目薄膜电池组件为汉能Solibro（德国）制造，并网型逆变器装置为德国SMA旗下的公司生产，汇流、箱变和数据通讯采集系统等由北京桑林蓝天公司自主研发，最终集成发电。大连秦能电力设计院负责项目设计、并网设计和项目EPC总承包。

北京桑林蓝天自控技术有限公司为山东邹城薄膜电池（CIGS）电站项目技术与装备支持方，也是投资方之一。

中央深改小组再次强调，聚焦国际科技界普遍关注、对人类社会发展和科技进步影响深远的研究领域，集聚国内外科技力量，量力而行，形成一批具有国际影响力的标志性科研成果，提升我国战略前沿领域创新能力和国际影响力。铜铟镓硒作为国家重大科技项目攻关，摆到日程。

一、铜铟镓硒（CIGS）的确切含义

铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池材料是由Cu（铜）、In（铟）、Ga（镓）、Se（硒）四种元素构成最佳比例的黄铜矿结晶薄膜为吸收层的太阳能电池。它具有光吸收能力强，光吸收系数达到105量级，是目前所有光伏材料之最。还具有发电稳定性高、不衰减的特点。

铜铟镓硒是低成本的高效能源电池材料，但技术难度高。铜铟镓硒电池组件主要成本是普通建材玻璃基板，不需使用太阳能专用超白玻璃或透明导电玻璃，四种半导体材料除铟外，其余都是普通金属元素和化学元素。而且每片电池组件CIGS吸收层膜层材料厚度2um左右。而晶硅材料必须在200um以上才能全部吸收光谱响应内的太阳能光子，从而达到最高发电效率。CIGS具备了材料使用少、发电效率高的特点，是理想的能源替代材料。

二、现阶段该工程技术最前沿发展和产生背景

巴黎全球气候协议后，各国经济去碳化，减少使用化石能源，特别是在提高能效和能源生产力上，清洁能源等开发上已达成共识，能源科技创新进入高度活跃期，新兴能源技术以前所未有的速度加快对传统能源的替代。攻克的建设难题集中在先进能源装备技术及关键材料等领域。我国政府更旗帜鲜明的提出能源科技革命战略发展纲领，把能源技术视为新一轮科技革命和新兴产业突破口，弯道超车，抢占技术制高点，增强国家竞争力并保持领先地位。

2015年，欧盟集中了全欧洲科学界和产业界力量，制定了CIGS侠客（Sharc）25计划。由欧盟出资600万欧元，在三年内，CIGS薄膜材料实验室转换效率将达到25%。该研发计划由德国ZSW（德国氢能太阳能研究所）牵头组织实施。现阶段CIGS转换率为22.6%，由欧洲保持技术领先地位。

美国特朗普总统上台后，更是突出了对CIGS产业支持，把美国与墨西哥长达1000英里边境线建设成光伏发电隔离墙。全部使用由美国厂商生产的CIGS电池组件。光伏发电墙装机规模为1.5GW，使用CIGS电池组件约为983万片，整个工程项目总投资80亿美元。收益40亿美元，比使用来自中国投标的晶硅产品要节省1.38亿美元。

日本昭和壳牌太阳能公司（Solar Frontier）开发铜铟硒CIS电池技术，目前宣称实验室转换效率已达到22.9%，比欧洲ZSW持有的世界纪录22.6%，还多0.3个百分点。

我国的光伏产业经过短短10年发展，已成为全球最大的光伏产能制造国。但光伏产业以晶硅技术为主，粗放型发展，技术路线单一，技术储备不足。若出现颠覆性技术，随时有被洗牌危险。远没有形成中国特色的新能源制造强国，究其原因还是我国缺乏重要的光伏技术原创性研究和国家级的技术基础设施支撑平台。国家层面颁发的产业导向、简化行政审批、金融支持等政策还只是停留在文件转发，并没有落实到CIGS产业创新体系上。

我国央企与民企在CIGS产业体系建立起到了关键作用，积极参与全球化太阳能技术竞争。以下图表仅作为参考：

全球光伏产业技术现状：

三、CIGS产业未来面临的关键难点、挑战

构建CIGS产业创新体系，面临的关键难点是其核心装备技术处于起步阶段。获得的技术是通过收购兼并引进而来，不是原创性技术。

汉能收购美国Miasole和Glob Solar、德国Solibro等公司，形成了独特的薄膜产业体系，以汉能Miasole双玻柔性组件为例，开发了铜铟镓硒电池组件转换效率为17%，每片功率为270瓦的产品。目前已在山西大同下线，即将在2018年5月1日南京汉能Solibro公司技术下线的产品，也将达到玻璃双玻电池组件15-16%转换效率。中建材收购德国Avancis技术，已在2017年10月底前成功下线，但具体转换效率不详。神华与上海电气收购德国Manz技术，在重庆建设CIGS 306MW生产线，转换效率为14.6-15%，预计2019年底下线。

我国CIGS产业面临最大的挑战是规模过小，装备技术几乎在3-5年内全部依靠德国、美国进口，以规避技术、设备，运营等风险，从而造成产线设备投资巨大，成本难以下降。无论是神华集团Manz、汉能Solibro核心设备共蒸镀机技术，汉能Miasola柔性溅射卷对片技术设备，还是中建材后硒化炉的装备研发制造，短期内还未能国产化来解决良率、转换效率、产能等工程技术难题。在完成产业化后，又将面临其延伸的高附加值发电技术集成装备运用问题。

四、CIGS产业化重大意义

我国在CIGS产业实践过程中，既要瞄准和紧盯未来太阳能科技和产业发展的新方向，又要结合国内太阳能产业发展国情，形成了“二十字”方针。即“技术薄膜化、产业规模化、运用能源化、成本平民化”。可以预见，这“二十字”方针构建的产业化体系，将会推动我国未来新能源技术跨越式发展，聚焦更高层次的国家能源安全重大科技难题和能源替代战略。

未来的产业发展构架，将着力解决以下几个方面工程技术难题：

1.强化创新型新能源替代和弯道超车意识。在“十三五”计划期末，基本建成布局合理、技术先进、运行高效、支撑有力的CIGS薄膜电池发电技术重大科技工程体系，获得在太阳能科技装备实质性突破能力。

2.向全球太阳能科技前沿的制高点看齐意识，对高端发电技术工程开展原创性研究。各项技术指标居国际领先地位，运行和使用效率整体进入世界前列，引领产业升级和科技发展趋势，推动新能源技术进步，体现其经济社会效益。

3.能源替代意识：以攻克薄膜技术关键难题，逐步取得一批有世界影响力的科研成果，催生一批具有革命性的高新工艺技术、高端装备集成技术及高端新能源材料技术，形成世界级新能源产业集群，进一步提升国家在制造业核心竞争力的国际影响力。把能源替代意识理念逐步纳入国家能源安全的发展战略规划。

4.产融结合意识：按照能源属性，以CIGS电池为核心部件，以提升能量系统转换效率为目标的关键技术研发，展开从10MW到100MW再到GW级电站集群光伏系统设计、集成装备技术示范攻关，并对相关电站，电力设备系统平衡、智能化运维及上网发电技术进行研究。在光伏行业起到引领性带动作用，实现光伏发电平价上网，不要补贴的最终目标。金融行业要以创新技术结合，对未来重大能源需求给以金融杠杆的支持。

如能实现上述“24”字方针，强化“四个意识”目标，将从根本上改变我国光伏核心技术受制于人的被动局面，使我国下一代光伏技术迅速进入世界先进行列，对国家未来社会经济发展产生重大影响。

           2019年4月6日

作者简介：王晓义，教授级高工、薄膜电池技术专家，北京市智库专家。国内CIGS 产业化创始人之一。主要科技工程应用研究成果为国内首例大型石林薄膜光伏电站并网运行，获得2014年联合国工发组织颁发的创新工程蓝天奖。同年获得中国新能源十大领军人物之称号。学术研究领域集中在构建薄膜发电高端装备产业化和CIGS 薄膜组件生产工艺及核心装备科技应用工程上。