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铜铟镓硒薄膜太阳能电池技术分析

作者:admin发布时间:2020-09-12 13:49

  学术界和产业界普遍认为太阳能电池的发展已经进入了第三代。第一代为单晶硅、多晶硅太阳能电池,第二代为硅基、非晶硅等太阳能薄膜电池,第三代太阳能电池就是多结太阳能电池。

  铜铟镓硒薄膜太阳电池具有生产成本低、污染小、不衰退、弱光性能好等特点,光电转换效率居各种薄膜太阳能电池之首,接近晶体硅太阳电池,而成本则是晶体硅电池的三分之一,被国际上称为“下一时代非常有前途的新型薄膜太阳电池”。此外,该电池具有柔和、均匀的黑色外观,是对外观有较高要求场所的理想选择,如大型建筑物的玻璃幕墙等,在现代化高层建筑等领域有很大市场。

  铜铟镓硒电站的建设已经达到兆瓦级水平,据瑞士的SolarMax光伏并网逆变器公司提供的资料,2008年9月在西班牙建成了的3.24兆瓦铜铟镓硒电站,并成功运行。这必将加快CIGS的商业应用。

  采用CIGS吸收层的光伏模组可以高效的将光能直接转换为电能。在光伏技术领域具有重要的地位,目前小面积电池的研发效率世界纪录达到21.7%,组件效率达到16.5%。基于目前小电池的研究进展,未来小组件的效率可达到21%,全面积组件有望达到18%的效率。低成本CIGS光伏模组可以使度电成本低于0.05/kWh,并为降低CO2排放量做出重要贡献。

  CIGS模组产品和设计的多样性为未来光伏能源的发展提供了多种可能。CIGS玻璃-玻璃产品可应用于光伏电站、屋顶、建筑表面。目前,柔性轻质CIGS模组的产品平均开口效率已超过16%,随着此类产品达到更高的效率,将开启新的规模化应用和市场。

  从长期发展来看,以CIGS作为底电池,与合适的宽带隙吸收层材料结合,形成叠层电池,可使太阳能电池效率超过30%。由此可见,CIGS电池不仅是一种高竞争力的光伏技术,它还具有进一步开发利用的潜力。

  因CIGS模组具有较低温度系数、良好的光谱响应以及较好的弱光性能,使其具有较高的发电性量,因此在大多数的气候条件下具有较低的度电成本(LCoE)。此外,薄膜组件设计基于集成的内联技术,可以从本质上降低其对阴影的敏感性。低温度系数、高的阴影遮挡容忍度、较好的弱光性能,也是BIPV应用中的关键需求。

  基于薄膜太阳能电池的本质特性-较短的能量偿还时间和最少的高纯度材料的应用-薄膜太阳能电池的发电成本可低于传统能源方式。若计算碳足迹,薄膜太阳能电池具有显著的优势,是一种真正的可持续发展能源。此外,在光伏组件达到寿命期后,其完整回收利用在技术上是完全可行的,未来可依据需求进行开发利用。基于以上原因,CIGS技术在光伏规模化应用方面是一种最具可持续性的解决方案。

  基于刚性玻璃衬底的双玻铜铟镓硒组件,电池单元的电学互联由激光划刻形成一体化集成的串联结构,较之传统的串焊互联

  方式具有更卓越的可靠性。现今,大生产铜铟镓硒组件的可靠性已被大量的加速老化实验及长时间的实地测试数据证实,并具有独立测试机构的认证。

  当前最大的铜铟镓硒产能从百兆瓦到一吉瓦每年,存在于德国与日本。这些生产基地都以90%以上的产业价值链良率进行运营。目前全世界铜铟镓硒的总产能达2GW/年。虽然铜铟镓硒膜层的制备工艺在不同公司有所区别,但都表现出良好的产品性能。这表明铜铟镓硒光伏组件制造业已达到第一阶段的产业成熟度。即使使用了地壳稀缺元素铟,每年100GW的产能也不会对供应链造成挑战。这是由于技术的进步减少了铟的用量及铟元素的回收。技术研发的持续进展,在未来十年会发掘铜铟镓硒成本下降的更大潜力。

  今天铜铟镓硒光伏组件的生产成本几乎与晶硅太阳能组件相当,这还是在铜铟镓硒的生产规模及累计产出比晶硅太阳能产业小数倍的情况下比较。从2008到2014年,铜铟镓硒组件的全球出货量为3GW。这表明铜铟镓硒光伏产业处于产业认知曲线的起始端,如同平板显示及玻璃镀膜等相近似薄膜产业所经历的过程。大面积均匀镀膜、加速的工艺流程与更强大的铜铟镓硒镀膜设备相结合使150MW产能的制造成本有潜力达到0.4美元每峰瓦。值得指出的是,铜铟镓硒组件生产的设备投资包括从玻璃衬底输入到成品组件输出的完整的产业链。

  基于铜铟镓硒组件今天已达到的成绩,我们可以看到未来成本下降的巨大潜力。关键在于将实验室的小面积高光电转换效率转移应用于大生产。下一阶段成本持续下降的影响因素包括:组件效率的提升由14%到18%,规模效应带动的材料成本(BOM)下降,研发带动的成本下降(超薄吸收层,利用较低纯度的原材料),设备投资的下降,下一代设备带动的生产能力的改善(产能,良率及设备稼动率),生产能耗的降低及优化的基础设施。综合所有成本下降的因素,在吉瓦(GW)级规模,铜铟镓硒生产成本会实现25%至40%的进一步下降。

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