內(nèi)容來源:  投資備忘錄MEMO

正文開始

Figure 1: Single-junction PV cell operation: Photons of appropriate energy liberate electrons, which cross the semiconductor junction and generate a potential difference. (Source: Cyferz at English Wikipedia)

Figure 4: Multi-junction TFPV cell internal structure. (Source: NREL)

Table 1: Efficiency of c-Si, TFPV, and CPV technologies (Source: IRENA)

在之前一篇文章中，曾對晶硅電池進行了盤點。

【光伏產(chǎn)業(yè)】光伏電池之晶硅電池技術(shù)盤點

晶硅電池屬于光伏電池的一種，除此以外，還有薄膜電池、聚光電池技術(shù)飛速發(fā)展。

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一、太陽能電池原理

太陽能電池是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。光生伏特效應(yīng)的基本過程：假設(shè)光線照射在太陽能電池上并且光在界面層被接納，具有足夠能量的光子可以在P型硅和N型硅中將電子從共價鍵中激起，致使產(chǎn)生電子－空穴對。界面層臨近的電子和空穴在復(fù)合之前，將經(jīng)由空間電荷的電場作用被相互分別。電子向帶正電的N區(qū)而空穴向帶負(fù)電的P區(qū)運動。經(jīng)由界面層的電荷分別，將在P區(qū)和N區(qū)之間形成一個向外的可測試的電壓。此時可在硅片的兩邊加上電極并接入電壓表。對晶體硅太陽能電池來說，開路電壓的典型數(shù)值為0.5～0.6V。CCTC?3060經(jīng)由光照在界面層產(chǎn)生的電子－空穴對越多，電流越大。界面層接納的光能越多，界面層即電池面積越大，在太陽能電池中形成的電流也越大。

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二、現(xiàn)有的電池技術(shù)

光伏類產(chǎn)品主要分為晶硅、薄膜與聚光太陽能電池，晶硅太陽能電池最為常見，薄膜電池受限于成本與技術(shù)成熟度，在光伏行業(yè)中市場占有率仍比較小。聚光太陽能也稱為光熱發(fā) 電，自帶儲能特質(zhì)，因其對鋪設(shè)環(huán)境有較高要求，應(yīng)用極少。

光伏產(chǎn)品的核心指標(biāo)為“轉(zhuǎn)換效率”，即電池片能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)換為電能的效率指標(biāo)。電池片計價單位為“元/W”，轉(zhuǎn)換效率越高，單片功率越高，分母越大，單位成本越低。提高 轉(zhuǎn)換效率途徑有：1）提高光利用率；2）減少內(nèi)部損失；3）提高內(nèi)建電場強度。因此，提升電池轉(zhuǎn)換效率是降低成本的重要方式。同理，降低每度電的發(fā)電成本是光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)迭代 的唯一目的。轉(zhuǎn)換效率計算公式如下： 

通俗來講，太陽能電池的發(fā)電原理為：通過半導(dǎo)體材料組成的二極管，吸收太陽光中的 光子的能量，將能量傳遞給電子，電子受到二極管中的內(nèi)建電場驅(qū)動產(chǎn)生移動，形成光電流。 因此，晶硅與薄膜太陽能電池的發(fā)電原理是類似的，所用材料也均為半導(dǎo)體材料。聚光電池 的市場與技術(shù)路徑與前兩者差異較大，考慮到聚光電池產(chǎn)業(yè)化緩慢，全球裝機規(guī)模極少（1-2GW）。

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三、晶硅太陽能電池

晶硅太陽能電池是最為普遍、裝機量最大、技術(shù)最成熟的光伏電池。按照材料分類，晶硅太陽能電池可分為單晶硅與多晶硅太陽能電池，單晶硅材料相比多晶硅工藝更復(fù)雜，技術(shù) 出現(xiàn)之初成本更高，但性能更優(yōu)異。

晶硅光伏產(chǎn)業(yè)鏈較長，從上到下主要為硅料→硅片→電池片→組件→光伏發(fā)電系統(tǒng)。截至2020年底，我國硅料產(chǎn)能45.7萬噸，占全球的75.16%；硅片產(chǎn)能240GW，占全球的97.01%；電池片產(chǎn)能201.2GW，占全球的80.67%；組件產(chǎn)能244.3GW，占全球的76.34%。

單晶硅片龍頭企業(yè)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，長期推動非硅成本持續(xù)下降，大幅降低了單晶 硅片的生產(chǎn)成本和售價，毛利率仍保持高位，驅(qū)動因素有：CCTC?3060

1）單晶爐：單爐投料量從早期 300kg 提升至 2020 年的 1900kg；連續(xù)投料、多次拉晶等技術(shù)持續(xù)降本。

2）熱場：熱場尺寸從最早的 16 寸變成現(xiàn)在的28-36 寸，提高成晶率；

3）金剛線：金剛線切割技術(shù)的應(yīng)用大幅降低了非硅成本；

4）大尺寸：硅片尺寸從15xmm到16xmm再到現(xiàn)在的182mm與210mm，硅片尺寸的增大能持續(xù)提升功率降低成本；

在“碳中和”的大背景下，光伏產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，基于對行業(yè)未來的良好預(yù)期，電池片企業(yè)和組件企業(yè)為了搶占市場份額加大生產(chǎn)力度，對硅片的需求明顯增加，形成硅料供需不匹配的情況，快速推動硅料價格上漲（2021年各地區(qū)年漲幅200%~300%）。形成供需不匹配的原因是：1）硅料與硅片的擴產(chǎn)周期相差較大（2年、1年），形成短期的供需錯配；2）受到“能耗雙控”的影響，有關(guān)漲價的預(yù)期進一步發(fā)酵，個別硅料廠商被迫停產(chǎn)、減產(chǎn)，產(chǎn)能相對受限。硅料、硅片價格均達到近十年最高點，上游原料漲價快速推動電池片、電池組件價格飆升，2021年10月環(huán)比增長10%，分別為1.15元/瓦與2元/瓦。中短期內(nèi)，在政策推動下光伏需求不變，預(yù)計供給端原料緊缺將持續(xù)施壓下游電池片價格，另其處于高位，一定程度上給予薄膜類太陽能電池機會。

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四、薄膜類太陽能電池

薄膜太陽能電池是緩解能源危機的新型光伏器件。薄膜太陽能電池可以使用在價格低廉的陶瓷、石墨、金屬片等不同材料當(dāng)基板來制造，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)μm。薄膜太陽電池除了平面之外，也因為具有可撓性，可以制作成非平面構(gòu)造，可與建筑物結(jié)合或是變成建筑體的一部份，應(yīng)用非常廣泛。

薄膜類太陽能電池優(yōu)勢有：

1）節(jié)約光吸收材料：由于薄膜材料光吸收系數(shù)大，電池厚度可極薄（1μm左右，vs晶體硅約 180μm）。并且不需要像晶硅那樣切片，材料浪費極少。過去十幾年中，晶硅電池的硅耗持續(xù)快速下降，但現(xiàn)在仍達3.5g/W以上，預(yù)計還能有1/3左右的下降空間；薄膜電池的光吸收材料用料相對要低得多，并且隨著效率提高仍有較大的攤薄空間。如CIGS薄膜用料為0.1g/W；CdTe薄膜材料的用料為0.2g/W。

2）生產(chǎn)流程少，產(chǎn)業(yè)鏈短：與晶硅電池相比，薄膜電池的產(chǎn)線非常集約，晶硅電池的產(chǎn)業(yè)鏈包括多晶硅-硅片-電池片-組件四大環(huán)節(jié)，除組件外其他三大環(huán)節(jié)均為重資本投入，且生產(chǎn)流程非常復(fù)雜。薄膜電池的功能層通常采用真空物理和化學(xué)氣相沉積，生產(chǎn)自動化程度高，制作工藝可以連續(xù)在多個真空沉積室或多片在一個沉積室內(nèi)完成，從而實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，通常一次成型做成組件，面積越大成本越低。盡管目前薄膜電池單GW產(chǎn)能投資高于晶體硅，但在規(guī)?；a(chǎn)之后投資有望快速下降；

3）具有弱光效應(yīng)好、溫度系數(shù)低等特點，同等裝機容量下總發(fā)電量更多：比如在歐洲地區(qū)，由于光照資源普遍較差，銅銦鎵硒和碲化鎘薄膜電池發(fā)電能力更強，同樣裝機量發(fā)電量比晶硅多發(fā)5%以上的電能；此外，由于銅銦鎵硒和碲化鎘薄膜電池溫度系數(shù)比晶硅低，當(dāng)組件發(fā)熱時發(fā)電量也會更多，而在光照資源充裕的地區(qū)，組件溫度上升到60℃以上是非常正常的。優(yōu)越的弱光性和溫度系數(shù)表現(xiàn)一定程度上彌補了發(fā)電效率相對較低的不足；

4）多元的應(yīng)用場景意味著更廣闊的潛在市場空間：薄膜電池可以按照傳統(tǒng)工藝制成剛性的標(biāo)準(zhǔn)組件，用于地面電站或者分布式電站；其中CIGS薄膜電池也可以根據(jù)需要以不銹鋼或聚合物等柔性基底為襯底，生產(chǎn)柔性電池，適用于承重要求或美觀要求的工商業(yè)建筑物屋頂?shù)忍幨褂?；還可以做成折疊式電源，方便攜帶，可供給小型儀器、計算機、軍事、通信、GPS等領(lǐng)域的移動設(shè)備使用；

5）最具想象空間的應(yīng)用場景在光伏建筑一體化市場（BIPV）：雙碳目標(biāo)下，城市分布式綠色能源的需求增大，在城市場景中人們對于光伏產(chǎn)品的要求不僅僅是發(fā)電， 還包括其他衍生需求，例如光伏建筑一體化市場對外觀、設(shè)計壽命、屋面受力、防水可靠性、施工難度和速度等各方面要求較高，傳統(tǒng)晶硅和剛性薄膜太陽能匹配度差，而CIGS柔性薄膜因其柔性、輕量化等特點在該應(yīng)用場景下優(yōu)勢明顯。

上表所示，主流薄膜電池為GaAs薄膜電池、CIGS薄膜電池、鈣鈦礦薄膜電池、非晶硅薄膜電池4種類型。其中 1）GaAs薄膜電池轉(zhuǎn)化效率最高，是世界組件最高的單結(jié)電池， 但其制備工藝過于復(fù)雜，價格昂貴，目前處于實驗室制作為主，尚無法實現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)；2） 非晶硅與有機薄膜電池轉(zhuǎn)化效率一直不高，衰減率高，逐漸被市場所淘汰；3）近年來鈣鈦礦太陽能電池實驗室研究效率提升較快，但是實際應(yīng)用面臨產(chǎn)品穩(wěn)定性問題，其衰減過快的 科學(xué)問題還沒有解決，目前處于實驗室研發(fā)和小規(guī)模的中試階段，尚有較長的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化 路徑要走；4）除以上種類外，也出現(xiàn)過有機-無機雜化、染料敏化等薄膜太陽能電池技術(shù)路 線，但離產(chǎn)業(yè)化距離過遠(yuǎn)，CCTC?3060故不深入介紹。

產(chǎn)業(yè)化需綜合考慮技術(shù)路徑的生產(chǎn)難度、轉(zhuǎn)化率、成本、設(shè)備、材料穩(wěn)定性等因素，因 此，目前真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化且具備競爭力的只有 “碲化鎘”與“CIGS”薄膜電池?！绊诨k” 與“CIGS”薄膜太陽能電池技術(shù)概況如下：

碲化鎘CdTe：

碲化鎘是目前為止商業(yè)化最成功的剛性薄膜電池。CdTe材料帶隙寬度約1.45eV，與太 陽光譜更匹配，其理論效率達32%，高于晶硅，降本潛力也很大。目前碲化鎘電池的實驗室效率已達25.5%，國外商業(yè)化組件效率達到19%，成本可與晶硅產(chǎn)品抗衡。與晶硅光伏相比， 碲化鎘光伏電池弱光吸收表現(xiàn)較好。其制作過程是，在玻璃上連續(xù)沉積7-10層膜，且過程 中做激光刻畫，形成階梯狀的電流通道進行導(dǎo)電，避免如晶硅光伏一樣在銀線上花費大量成本。此外，CdTe電池可以便捷地與建筑材料結(jié)合用于BIPV市場，與玻璃結(jié)合制作光伏幕 墻。因碲與鎘是有毒元素，市場對其環(huán)保程度存疑，如歐盟的RoHS對使用此類原料的產(chǎn)品 就有嚴(yán)格的要求。美國FirstSolar與國內(nèi)龍焱科技已生產(chǎn)碲化鎘太陽能薄膜電池多年，并未 發(fā)生嚴(yán)重的環(huán)保事件，且兩家公司均有回收技術(shù)，實現(xiàn)90%以上的碲化鎘回收再提純，再次 制成太陽能產(chǎn)品。FirstSolar年度可持續(xù)性報告顯示，碲化鎘薄膜電池生產(chǎn)工序較少，所消耗 的電能、排放的廢水、廢棄原料反而少于傳統(tǒng)晶硅電池產(chǎn)品，真正做到清潔能源、清潔生產(chǎn)。 但碲化鎘的原材料有瓶頸，碲屬于稀有金屬全球儲量最少，可能會遇到供應(yīng)短缺問題。

銅銦鎵硒（CIGS）：

CIGS 電池產(chǎn)業(yè)化研究也較早，過去由于 1）技術(shù)工藝難度較高（多種元素配比復(fù)雜）； 2）產(chǎn)線裝備非標(biāo)準(zhǔn)化；3）核心設(shè)備國產(chǎn)化困難，產(chǎn)業(yè)化進程比較緩慢。一般認(rèn)為，由于其極高的技術(shù)壁壘，CIGS的產(chǎn)業(yè)化難度較高，但經(jīng)過多年的發(fā)展，柔性CIGS已經(jīng)具備大規(guī) 模產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)條件。高效率上限和良好的穩(wěn)定性是CIGS太陽電池的優(yōu)點，且CIGS可柔性的特點也能幫助其瞄準(zhǔn)細(xì)分市場，將為其在光伏市場、尤其是城市光伏市場獲得差異化競爭優(yōu)勢。

CIGS電池結(jié)構(gòu)：

CIGS 芯片主要由7層組成，自下而上分別是襯底、Cr基底緩沖層、Mo背電極層、CIGS吸收層、CdS電池緩沖層、i-ZnO本征窗口層、ITO窗口導(dǎo)電層。CCTC?3060

非晶硅薄膜太陽能電池

計算器中常見的非晶硅(a-Si)太陽能電池.

非晶硅（a-Si太陽能電池或a-Si∶H）已經(jīng)在消費產(chǎn)品使用超過了30年的，如計算器等。非晶硅太陽能電池的典型結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。通常情況下，非晶硅太陽能電池的厚度僅為幾微米或更小。這種太陽能電池采用p-i-n結(jié)，即在n+層和p+層之間加入一層本征半導(dǎo)體材料。本征半導(dǎo)體材料層較厚，所以大多數(shù)的光子在這里被吸收。整個本征區(qū)域內(nèi)的內(nèi)建電場增強了電子和空穴的加速，從而提高了收集效率。頂面常覆有透明導(dǎo)電氧化物（TCO），和金屬接觸作為背觸點。非晶硅（a-Si）是直接帶隙半導(dǎo)體，其帶隙約為1.75 eV。與單晶硅相比，非晶硅具有較高的吸收率但糟糕的輸運性質(zhì)（transport properties）。CCTC?3060因此，其效率被載流子復(fù)合所降低。雖然非晶硅太陽能電池的效率已經(jīng)達到16%，但最關(guān)鍵的問題是它們的穩(wěn)定性（Staebler Wronski效應(yīng)） 。具有16.1%的初始效率以及13.4%的后期穩(wěn)定效率的非晶硅太陽能電池，已經(jīng)在一個小面積的三結(jié)太陽能電池上成功實現(xiàn)，其參數(shù)為1.96 V開路電壓，短路電流密度9.52 mA/cm2，填充因子71.92% 。

雖然非晶硅太陽能電池的可靠性已經(jīng)在過去20年得到了提高，且其具有低成本的優(yōu)勢，非晶硅太陽能電池仍然未能擊敗太陽電池的主要原因是由于其較低的效率和可靠性。進一步的研究以提高其惡劣環(huán)境中的可靠性也是必要的。

砷化鎵太陽能電池GaAs

砷化鎵其帶隙為1.4電子伏特，對于一個單結(jié)太陽電池這是幾乎是最佳的帶隙。GaAs太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖1（c）所示。n-GaAs/p-GaAs/p-AlGaAs太陽能電池是這樣的太陽能電池的代表。通常，GaAs太陽能電池通過在表面覆蓋薄的薄的鈍化GaAlAs層來利用異質(zhì)面結(jié)構(gòu)。由于其較大的帶隙，頂層（或Windows層）防止電子在表面復(fù)合，同時允許光子的通過。頂層一般與吸收層達到晶格匹配 。

基于不同材料的太陽能電池的結(jié)構(gòu)和能帶圖 （a）晶硅，（b）非晶硅，（c）砷化鎵

砷化鎵太陽能電池的工作原理與晶體硅太陽電池的工作原理相似。實質(zhì)上的區(qū)別是，GaAs太陽能電池是基于薄膜基板和更有效的吸收層-砷化鎵層。（GaAs單結(jié)薄膜太陽能電池）已達到約30%的效率，其他參數(shù)開路電壓 1.122V，短路電流密度29.68mA/cm2，填充因子86.5% 。雖然砷化鎵太陽能電池具有優(yōu)異的性能，但是其大規(guī)模部署太過昂貴，故通常用于特殊應(yīng)用，例如空間電子。

有機-無機雜化太陽能電池

▲有機太陽能電池（www2.imec.be/content/us）

大多數(shù)太陽能電池都是以無機材料為基礎(chǔ)的，現(xiàn)在設(shè)計有機太陽能電池已經(jīng)可以實現(xiàn)。有機材料可以采用低成本的方法生產(chǎn)，但其效率仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于無機太陽能電池。一個有機太陽能電池的方案如圖4所示。在有機太陽能電池中，異質(zhì)結(jié)是由一個供體和一個受體類型的有機材料組成的。光子由有機材料吸收，然后產(chǎn)生一個激子（靜電耦合的電子-空穴對）。當(dāng)激子擴散到施主-受主界面后，電子和空穴分離。整個過程如圖4所示。在有機材料，最高占據(jù)分子軌道（HOMO）概念和最低未占據(jù)分子軌道（LUMO），類似的半導(dǎo)體中價帶和導(dǎo)帶 。

▲圖4。一種有機太陽能電池的示意圖。有機或混合太陽能電池的定義略有不同，但它們都是基于有機材料。此處，本文將介紹兩個代表–染料敏化太陽能電池（DSSC）和鈣鈦礦太陽能電池（PSC）。

染料敏化太陽能電池

▲染料敏化太陽能電池 (greendiary.com/good-bad)

染料敏化太陽能電池被認(rèn)為是有機的或混合型太陽能電池的一個重要例子。染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)和能帶圖如圖5所示。在這種太陽能電池中，一個單層的電荷轉(zhuǎn)移染料連接到介孔氧化物層（二氧化鈦納米粒子的帶隙為3.2電子伏特）。當(dāng)一個光子被染料分子吸收時，基態(tài)的電子將被激發(fā)到激發(fā)態(tài)。然后激發(fā)的電子轉(zhuǎn)移到電子受體（TiO2），基態(tài)的空穴從電子給體處（氧化還原電解質(zhì)）得到補充。所產(chǎn)生的電壓對應(yīng)于介孔二氧化鈦層的費米能級和電解質(zhì)的氧化還原電位之間的差異。CCTC?3060

染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。

鈣鈦礦太陽能電池

采用鈣鈦礦太陽能電池的無人機（electricvehiclesresearch.com）

鈣鈦礦太陽能電池及鈣鈦礦分子結(jié)構(gòu)示意圖（mpip-mainz.mpg.de/34927）

第一個鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的開發(fā)是在2009，其效率為3.8%。在過去的六年中已經(jīng)看到了鈣鈦礦太陽能電池的快速增長。由于制作方便，原料來源充足，效率高，鈣鈦礦太陽能電池顯示出一些優(yōu)勢。

鈣鈦礦太陽能電池是基于一種具有與CaTiO3相似結(jié)構(gòu)的材料。目前，鈣鈦礦太陽能電池的研究主要集中在兩種結(jié)構(gòu)上，基于PSM的介觀金屬氧化物（或基于鈣鈦礦的染料敏化太陽能電池DSSC）和基于平面異質(zhì)結(jié)的PSC。平面異質(zhì)結(jié)PSCs利用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的多功能性，因為鈣鈦礦材料可以作為電子和空穴導(dǎo)體?；阝}鈦礦太陽能電池的能帶圖如圖6所示，可以看到工作原理類似于染料敏化太陽能電池。

CH3NH3PbI3/TiO2異質(zhì)結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖及能帶圖

在一般情況下，鈣鈦礦太陽能電池效率達到了14.5至19.3%。雖然鈣鈦礦太陽能電池仍處于早期研究階段，部分產(chǎn)品已顯示出良好的穩(wěn)定性。一個運行單元（在最大功率的照明下）在45°C環(huán)境下，在500小時的運行后其效率下降率小于20%。

雖然鈣鈦礦太陽能電池在短時間內(nèi)達到較高的效率，其物理基礎(chǔ)尚未明確，鈣鈦礦太陽能電池的另一個挑戰(zhàn)是尋找重金屬元素的替代元素。

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盡管薄膜電池占比萎縮，但整體光伏行業(yè)的爆發(fā)也帶動薄膜太陽能市場規(guī)模絕對值的增 長。隨著技術(shù)的不斷進步，薄膜太陽能電池的應(yīng)用將會越加廣泛，預(yù)計未來幾年薄膜太陽能 電池產(chǎn)量將會進一步提升。

2019年全球薄膜太陽能電池的產(chǎn)能接近11GW，產(chǎn)量約為6-7GW，同比增長約70%， 主要得益于美國FirstSolar 產(chǎn)量的大幅增長。從產(chǎn)品類型來看，碲化鎘薄膜電池的產(chǎn)量在薄 膜太陽能電池中占比達到90%；CIGS銅銦鎵硒薄膜電池為10%左右（注：不同機構(gòu)統(tǒng)計數(shù) 據(jù)略有差異）。其中碲化鎘薄膜電池市場主要是以美國為主的大型地面電站項目，CIGS銅 銦鎵硒薄膜電池市場主要是工商業(yè)分布式電站、戶用分布式以及移動能源產(chǎn)品市場等。CCTC?3060

根據(jù)CPIA的統(tǒng)計，2017年全球銅銦鎵硒薄膜電池產(chǎn)量為1.10GW；2018年銅銦鎵硒薄膜電池產(chǎn)量為0.87GW，出現(xiàn)較大幅度下滑。主要原因是龍頭企業(yè)SolarFrontier 受日本本土 光伏市場的影響，銷售量和產(chǎn)量雙雙下降；中國薄膜制造企業(yè)在建CIGS薄膜項目大部分產(chǎn)能并未如期釋放。據(jù)前瞻測算，2019年全球銅銦鎵硒薄膜電池產(chǎn)量小幅度回升至0.89GW。

國內(nèi)外CIGS競爭情況略有不同，國外市場以機構(gòu)與實驗室為主，主要進行推高 CIGS 轉(zhuǎn)化效率相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新；國內(nèi)則為實現(xiàn)商業(yè)化、國產(chǎn)化努力，專注產(chǎn)能擴充、應(yīng)用場景落 地。具體市場競爭情況如下：

國外現(xiàn)狀：

柔性薄膜太陽能電池主要有聚酰亞胺（polyimide，簡稱 PI）塑料基底和不銹鋼等金屬 基底兩條技術(shù)路線。在實驗室研究效率方面，2018 年美國 Alta Devices（漢能子公司）的單結(jié)柔性GaAs電池光電轉(zhuǎn)化效率為29.1%，是世界最高效率，工藝條件非?？量?，不能實現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)；瑞典的 EMPA 于2019年在實驗室中實現(xiàn)了在 PI 基底上小面積柔性 CIGS 冠 軍電池的 20.8%轉(zhuǎn)換效率，目前正與 Flisom 公司合作嘗試中試。美國 Ascent Solar 公司實 現(xiàn)了效率 11%的 PI 基柔性 CIGS 電池的小批量生產(chǎn)，由于需采用低溫法制作，產(chǎn)線生產(chǎn)效 率比較低，價格昂貴，目前尚處于中試過程。為了獲得高性價比及可規(guī)?；慨a(chǎn)的柔性電池， 更多人把目光投向了容易實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)及應(yīng)用的不銹鋼箔基底。美國國家再生能源實驗室 （NREL）的不銹鋼襯底 CIGS 電池效率達到 17.4%，原美國Global Solar 和瑞典 EMPA 實 驗室也相繼制備出 17.7%不銹鋼基底的 CIGS 電池，美國Miasole 公司利用濺射法于 2019 年 制備出效率達 20.58%的小面積柔性 CIGS 電池。柔性不銹鋼箔基底的 CIGS 電池經(jīng)過 30 余 年的發(fā)展，已經(jīng)經(jīng)過規(guī)?；a(chǎn)及市場驗證，逐步成為行業(yè)發(fā)展主流。

國內(nèi)現(xiàn)狀：

我國薄膜電池早期研究主要在南開大學(xué)等院校，但主要聚焦于CIGS實驗室研究為主。 2000 年之后陸續(xù)有多家單位進入該研究領(lǐng)域，南開大學(xué)、中科院深圳先進技術(shù)研究院、中科院硅酸鹽所、清華大學(xué)、中電18 所等多家單位先后嘗試建設(shè) CIGS 中試生產(chǎn)線，進行了CIGS 電池設(shè)備和工藝國產(chǎn)化的自主探索。 但公開資料顯示，過去幾年國內(nèi)大多數(shù) CIGS 薄 膜電池項目進展緩慢，多數(shù)處于停滯狀態(tài)，主要因為其核心技術(shù)材料的配比與制造工藝壁壘 較高，簡單的海外技術(shù)引進是無法實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的。

近幾年漢能、中建材、神華、尚越光電、圣暉菜等中國企業(yè)為代表，大力通過國際并購 整合歐美企業(yè)先進技術(shù)，投入巨資進行薄膜電池產(chǎn)品的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，把我國CIGS電池 產(chǎn)業(yè)化推向迅猛發(fā)展階段（其中漢能、中建材、神華三家主要以剛性 CIGS 薄膜為主，漢能以收購的美國公司的方式獲得CIGS柔性電池技術(shù)，但因無本土化團隊、基本停留于早期； 圣暉菜為半柔性CIGS薄膜）。CCTC?3060目前，我國除尚越光電、漢能、圣暉菜外無其他具備產(chǎn)業(yè)化 能力的柔性CIGS薄膜電池生產(chǎn)商，但漢能處于破產(chǎn)停滯階段，而圣暉菜在江蘇句容投資CIGS 生產(chǎn)線尚處于中試階段，并未投產(chǎn)。故事實上，就柔性CIGS薄膜電池而言，尚越光電在國內(nèi)未有強勁的對手。

CCTC?3060

聚光光伏（CPV）技術(shù)

一、概念

聚光太陽能是使用透鏡或反射鏡面等光學(xué)元件，將大面積的陽光匯聚到一個極小的面積上，再進行進一步利用產(chǎn)生電能的太陽能發(fā)電技術(shù)。聚光太陽能技術(shù)可以分為三大類，即三種表現(xiàn)形式：

CPV聚光光伏：將匯聚后的太陽光通過高轉(zhuǎn)化效率的光伏電池直接轉(zhuǎn)換為電能（Concentrated Photovoltaics）；CPV是聚光太陽能發(fā)電技術(shù)中最典型的代表。  

CST聚光光熱：利用匯聚后的太陽光產(chǎn)生的高熱量加熱液態(tài)工質(zhì)，再進行熱力發(fā)電（Concentrated Solar Thermal）；

CPVT：以上兩者的結(jié)合形式（Concentrated Photovoltaics andThermal）CPV聚光光伏系統(tǒng)可以按匯聚太陽光的方式不同分為兩個大類，即采用鏡面聚光的反射式和采用透鏡聚光的透射式。

什么是高聚光光伏？它的基本原理說起來很簡單，就是一個放大鏡。通過把太陽光聚集到一點，配以高效電池，提高光電轉(zhuǎn)換率，減少半導(dǎo)體電池使用量，降低成本。何謂(高倍)聚光型太陽能發(fā)電系統(tǒng)

聚光型太陽能系統(tǒng)(CPV)是使用光學(xué)組件如菲涅耳透鏡(Fresnel lens)將陽光聚光至一個小點上，以期在極少的芯片面積上，達到高倍的聚光效果，太聚所生產(chǎn)之芯片在五十至一千倍之聚光倍率下皆表現(xiàn)亮麗。

第三代CPV(聚光太陽能)發(fā)電方式正逐漸成為太陽能領(lǐng)域的焦點。光伏發(fā)電經(jīng)歷了第一代晶硅電池和第二代薄膜電池，目前產(chǎn)業(yè)化進程正逐漸轉(zhuǎn)向高效的CPV系統(tǒng)發(fā)電。與前兩代電池相比，CPV采用多結(jié)的III—V族化合物電池，具有大光譜吸收、高轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點。

注：所謂III-V族化合物半導(dǎo)體，是指元素周期表中的III族與V族元素相結(jié)合生成的化合物半導(dǎo)體，主要包括鎵化砷（GaAs）、磷化銦（InP）和氮化鎵等。此類材料具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)(Zincblende)結(jié)構(gòu)。鍵結(jié)方式以共價鍵為主。由于五價原子比三價原子具有更高的陰電性，因此有少許離子鍵成份。正因為如此，III-V族材料置于電場中，晶格容易被極化，離子位移有助于介電系數(shù)的增加，若電場頻率在紅外線范圍。GaAs材料的n型半導(dǎo)體中，電子移動率((mn～8500)遠(yuǎn)大于Si的電子移動率((mn～1450)，因此運動速度快，在高速數(shù)字集成電路上的應(yīng)用，比Si半導(dǎo)體優(yōu)越。但是，由于GaAs材料的集成電路制程極為復(fù)雜，成本也較昂貴，且成品的不良率高，單晶缺陷比Si多。因此GaAs要如同Si半導(dǎo)體普及應(yīng)用，仍有待研發(fā)技術(shù)的努力。但另一方面，其優(yōu)點是具備能夠發(fā)出激光等目前硅所沒有的特性。

HCPV就是高聚光太陽能，高聚光太陽能（HCPV）與聚光（CPV）太陽能技術(shù)是通過聚光的方式把一定面積上的太陽光通過聚光系統(tǒng)會聚在一個狹小的區(qū)域（焦斑），太陽能電池僅需焦斑面積的大小即可，從而大幅減太陽能電池的用量。

二、組成

與國外相比，國內(nèi)的聚光光伏發(fā)電技術(shù)剛剛起步，考慮到國外對電池技術(shù)的保護，國內(nèi)短期難以制造出高效聚光太陽電池。目前，除河南中光學(xué)集團等少數(shù)企業(yè)外，國內(nèi)一些企業(yè)的聚光太陽能技術(shù)主要是從國外進口關(guān)鍵部件，國內(nèi)整機組裝，還沒有形成自主知識產(chǎn)權(quán)。

目前各大生產(chǎn)廠家的CPV系統(tǒng)具有多種不同的表現(xiàn)形式，但其結(jié)構(gòu)均離不開四大部分，即：聚光模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊（光伏電池）、太陽追蹤模塊、冷卻模塊。

聚光模塊

聚光子系統(tǒng)可以說是CPV系統(tǒng)最重要的組成部分，也是CPV與傳統(tǒng)平板式太陽能發(fā)電技術(shù)的最大區(qū)別所在。聚光模塊通常由主聚光器和二次聚光器組成，它很大程度上決定了整套CPV系統(tǒng)的性能高低。

按聚光強度的不同，可以分為低、中、高倍率聚光器。

按聚光方式的不同，可以分為反射式聚光器和透射式聚光器；

透射式聚光系統(tǒng)一般采用菲涅爾（Fresnel）透鏡，與普通凸透鏡相比，它只保留了有效折射面，可節(jié)省近80%的材料。目前用于制作菲涅耳透鏡最常用的材料是一種光學(xué)塑料，與玻璃透鏡相比，它的優(yōu)點非常明顯，那就是重量輕、易加工成型，但作為一種聚酯類材料，長時間使用后透光性能的衰退是它的劣勢。

反射式聚光系統(tǒng)可以克服透射聚光系統(tǒng)口徑難以做大的缺陷，其主要類型有拋物面鏡、平板、拋物面槽等。反射聚光系統(tǒng)不存在色散現(xiàn)象，反射效率可接近100%，但對反射面清潔度要求較高，如受到污染，反射效率會急劇下降，因此通常在組件表面還要覆蓋一層高透光玻璃以便于清潔。

二次聚光器安裝在電池表面，用于提高對入射光角度與聚光器軸線偏離角度的容忍度。追蹤系統(tǒng)的精度和風(fēng)的作用，都會引起太陽光入射角度的偏差，因此二次聚光系統(tǒng)在高倍率CPV系統(tǒng)中是一項必須的組件。

光電轉(zhuǎn)換模塊（電池模塊）

在 CPV 系統(tǒng)中，太陽光被匯聚到很小的一塊面積上進行光電轉(zhuǎn)換，因此對光伏電池的轉(zhuǎn)換效率和耐高溫性能都有較高的要求。因此，在高溫條件下（200℃以上）仍能保證較高轉(zhuǎn)換效率的III-V族元素化合物多結(jié)電池是目前CPV系統(tǒng)中電池模塊的理想選擇。

多結(jié)電池最早源自于人造衛(wèi)星用的非聚光光伏轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，改進后能夠承受500倍高倍率聚光時高達8A/cm2電流密度。在聚光條件下，與傳統(tǒng)硅系電池相比，由III-V族元素化合物制成的多結(jié)光。

伏電池（主要是三結(jié)）能夠轉(zhuǎn)換更寬光譜范圍內(nèi)的太陽光，因而能夠達到更高的光電轉(zhuǎn)換效率，并且聚光程度越高，電池轉(zhuǎn)換效率越高。目前波音光譜實驗室(Boeing Spectrolab)中的三結(jié)電池在364 倍的聚光倍率下已達到41.6%的光電轉(zhuǎn)換效率，預(yù)計未來這一數(shù)字可以接近50%。

太陽追蹤模塊

CPV系統(tǒng)與傳統(tǒng)平板式光伏系統(tǒng)的另一大區(qū)別在于，它要求太陽光相對于聚光系統(tǒng)垂直入射，否則整套系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率將急劇下降，聚光倍率越高的CPV系統(tǒng)對太陽光入射角度的精度要求也越高；因此太陽追蹤系統(tǒng)就成為必須，它確保聚光光斑準(zhǔn)確落在光伏電池上，獲得最大的光轉(zhuǎn)換效率。

太陽追蹤系統(tǒng)一般由光敏元件組成的傳感器判斷太陽光方向，再由電機驅(qū)動調(diào)節(jié)聚光系統(tǒng)的朝向。值得一提的是，除了CPV系統(tǒng)以外，一些使用傳統(tǒng)硅系電池的光伏系統(tǒng)也安裝有太陽追蹤系統(tǒng)，但其追蹤精度要求和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度都要低于CPV 系統(tǒng)。

CPV系統(tǒng)所用的太陽追蹤模塊，通常是一套雙軸追蹤系統(tǒng)，以保證太陽光始終垂直于聚光系統(tǒng)入射。其結(jié)構(gòu)主要由金屬支架和控制驅(qū)動機構(gòu)組成。對于大規(guī)模CPV電廠，整個電廠可以共享一套傳感系統(tǒng)，由其發(fā)出統(tǒng)一的驅(qū)動機構(gòu)動作指令，控制電廠中所有CPV 模塊朝向正確的方向。

CPV系統(tǒng)要投入大規(guī)模部署，一種可有效復(fù)制的高精度太陽追蹤系統(tǒng)是必不可少的組成部分，也是衡量CPV技術(shù)成熟性與可靠性的重要標(biāo)志。

冷卻模塊

雖然CPV系統(tǒng)使用的III-V族元素化合物電池的耐高溫性能要大大高于硅系電池，但在數(shù)百倍乃至上千倍的聚光強度下，為電池芯片配備冷卻系統(tǒng)仍然是必須的，否則電池的使用壽命和轉(zhuǎn)換效率都會因過高的溫度而有所下降。

CPV系統(tǒng)的冷卻模塊可以分為被動冷卻和主動冷卻，被動冷卻系統(tǒng)主要由散熱片構(gòu)成，通常只能用于低倍率聚光的CPV系統(tǒng)；主動冷卻系統(tǒng)一般有水冷、空冷、熱管冷卻。回收的熱量可以通過發(fā)電或加熱水得到進一步利用。

三、主要參數(shù)

發(fā)電轉(zhuǎn)換效率=輸出功率/（輸入功率密度X芯片透光面積）

幾何聚光倍率之計算方法是以聚光鏡片的面積除以芯片之大小。

電流比倍率之計算方法是以聚光下之短路電流大小除以1sun(未聚光)之短路電流之大小。

四、轉(zhuǎn)換效率十多年前，聚光電池的轉(zhuǎn)換效率并不高，但進入21世紀(jì)之后，轉(zhuǎn)換效率則以每年1%和1.5%的速度在增長，“上世紀(jì)90年代初，在太空用的是晶硅電池，末期則出現(xiàn)了多結(jié)太陽能電池，從而解決了晶硅電池轉(zhuǎn)換效率受限的問題。多結(jié)電池的好處在于，每層都可以更大限度地吸收太陽能，光電轉(zhuǎn)換效率的理論值能達70%，現(xiàn)在國際上可以做到的最高效率約為40%，批量生產(chǎn)的話，如今能有38%的多結(jié)電池?！?/p>