近年来世界很多国家持之以恒地在光伏领域投入研发力量，其中低成本、大面积的CIGS(铜铟镓硒)电池已经可以看见成效。其市场份额虽然只占整个光伏市场的不足10%，但随着CIGS制造技术获得突破以及技术成熟度的提高，该产品将打破光伏市场晶体硅电池单一垄断，以其卓越的性价比成为一种非同质化的高端产品,将会占据越来越大的市场份额。
南开大学电子信息与光学工程学院光电子薄膜器件与技术研究院教授、博士生导师孙云
记者：孙教授，您好！请问目前晶体硅电池在生产过程中的污染主要有哪几个环节？当前现状如何？是否能够通过技术及设备得到有效解决？
孙云：我觉得主要污染在硅原料及硅片生产这一环节，因为石英砂制成硅原料的过程中，需要由碳产生二氧化碳来脱氧，制成纯度达到97%以上的工业硅，依靠酸洗使其纯度达到99.7%～99.9%。无论是通氯产生四氯化硅，还是通过盐酸处理产生三氯氢硅，都要经过精馏提纯，再由氢还原凝结为高纯度的多晶硅原料。这一过程很大部分是在高温下进行。将硅原料铸锭或拉单晶也要在真空条件下，高于硅的熔点1410℃经过一定时间来完成。因此硅片生产的全部过程中，二氧化碳的排放、化学废液的处理、含氯气体或液体的泄漏，都将对环境造成不同程度的污染。另外,在硅片上扩散pn结也要在900℃以上进行，因此晶硅电池全过程的高能耗，带来的大量温室气体的排放不得不引起人们的关注，尤其是产量越大，其问题越突出。美国西北大学与能源部直属的阿冈国家实验室的研究团队发现，在中国制造太阳电池组件再运到欧洲安装，其碳足迹将是在欧洲本地制造和安装的2倍。主要指的是中国对工厂的环保与效能标准要求较少，提炼和生产晶硅电池过程需要大量的能源，而中国在这个过程中使用的能源是比欧洲的同行所用更多的化石能源，而且能源利用率较低。所以通常所说的高污染、高能耗就是以上说的这两个方面。
记者：请问晶硅电池生产环节存在污染是个案还是集体存在？是行业的问题，还是企业自身的问题？
孙云：除了硅原料之外，我认为晶硅电池生产并不是整个产业链都有污染，例如组件封装生产环节几乎就没有污染，扩散过程酸碱清洗、腐蚀制绒、刻槽等工艺会用到一些酸碱性的东西，在排放前需要处理，但还是要比薄膜电池有更大地投入加以防范。薄膜电池组件清洗玻璃或其他基底，不需要酸碱刻蚀，用的都是少量的有机清洗剂，不仅没有酸碱的污染，而且是真空镀膜，光伏材料和电池组件制造同时在一个车间内完成，所以薄膜电池在这方面基本上没有污染。
我觉得晶硅电池产业链的污染，除了碳排放之外，以目前的技术使生产过程产生污染是企业自身的问题，主要看配套设施齐不齐全，如果配套实施比较齐全、再加上严格管理，即使生产成本高一些，但是污染这个问题还是可以避免的。
记者：您作为行业的学术带头人，您的专业是研究CIGS薄膜电池。在您看来，该技术方向是否存在污染的问题？
孙云：目前为止，我们还没有发现CIGS有严重的污染问题。采用后硒化技术制备CIGS薄膜，一般使用剧毒气体硒化氢(H2Se)，由于有废气处理装置，最终排放应该没有问题。另外，大部分CIGS电池里有一过渡层硫化镉(CdS)约50纳米，由湿法工艺(CBD)制备，其废液里面含有少量的重金属镉(Cd)，经处理后可达到国家标准后再排放。CIGS电池中的Cd含量比碲化镉(CdTe)电池相差甚远，CdTe电池里含Cd层大约5～7微米。CdTe和CdS这两种薄膜都很稳定，模拟火灾上千摄氏度情况下没有发现镉的挥发，电池组件封装好了更不会造成污染。若是有污染问题，德国、美国就不会允许生产了。目前，国外已有CIGS电池企业采用无镉过渡层工艺，如日本SolarFrontier的CIGS电池产品，就不含有Cd这一元素，这也从侧面反映了Cd是可以从CIGS电池中去除，这也是该产品发展的重要方向。
记者：国内CIGS生产厂家目前的电池产品包含Cd这一成分吗？
孙云：目前，国内CIGS生产厂家如汉能、孚日等生产的产品应该是含有Cd的，在国内尚未见到无Cd产品的报道。因为含Cd的CIGS产品转换效率相对较高，比无Cd的转换效率大致要高1～2个百分点。另外，CIGS电池组件中所含的Cd元素微乎其微，没有人们想像的那么严重。特别是厂家若能够将破损和失效的太阳电池组件负责回收集中处理，人们就更没有必要对此担心了，当然能够向社会提供无Cd电池更好。
记者：与晶硅电池(组件)相比，CIGS薄膜电池的优点主要有哪些？哪些优点更适合市场化应用？
孙云：从电池本身来说，优点还是比较多的，第一，成本低；第二，制造过程能耗低；第三，转换效率高；第四，弱光响应好,输出功率高于晶硅电池；第五，可制成高比功率的柔性电池，具有更广泛的应用空间。
我们说的低成本是从科学角度来讲，目前成本高是由于该电池产业化技术还处于孵化期。该产品是在廉价的玻璃、不锈钢箔或高分子聚酰亚胺衬底上沉积太阳电池各层薄膜，几层薄膜加在一起大约3～4微米，贵重原材料消耗极少。晶硅电池片则需要200微米，只有如此厚度，才能够将太阳光基本吸收干净。否则，将会有一部分光未被吸收而透过，影响其光电效率。将硅锭切成片，锯缝下来的硅粉不可再回收，因为这里含有很多金属成分很难再生提纯。因此每一片都要从硅锭上切下300微米,相当于有1/3硅原料被损耗。
晶硅电池从硅原料到商品化的电池组件，是由社会化的产业链完成，可实施专业化大规模生产，目前产品销售价格已经降到极致，产品利润被产业链各环节的企业所分摊。而CIGS电池整个产业链在一个车间内完成，玻璃和基本原材料进入车间经过加工，出去的是电池组件直接提供给光伏电站，各个工艺环节可在车间内调节，减少了物流成本，而且组件成本可控，利润空间会更大。
能耗低表现在CIGS电池组件的生产过程，过高的温度会使玻璃承受不了。对于高分子聚合物衬底上制备轻质柔性CIGS电池组件，只能在450℃温度以下短时间内完成。而晶硅电池从硅原料到组件，其能耗远高于薄膜电池。
多晶硅电池转换效率的实验室世界纪录很长时间保持在20.5%，CIGS电池转换效率的世界纪录，最近两年连续被多家企业或研究机构刷新，目前已达到21%(由德国Solibro-汉能创造)。产线生产的CIGS玻璃电池组件平均效率已达到13%～14%，而光伏市场主流产品多晶硅电池组件平均效率为15%～16%，单晶硅电池组件平均效率为16%～17%，从CIGS的发展态势来看，产线组件平均效率超过晶硅电池将是指日可待。
由于CIGS薄膜的光吸收系数是目前所有光伏材料中最高的，其太阳电池的光谱响应也非常宽，在1000nm波长处仍有很高的量子效率。有试验结果表明，同一地点、相同功率的光伏电站，年发电量高于晶硅电池10%。以相同功率价格安装的电站，同样功率的电站带来的收益额外增加10%，而且稳定不衰退，表明其光电性能及商业价值十分突出。
我觉得，市场化应用方面，CIGS电池一方面具有低成本、高转换效率、抗辐射能力强、稳定不衰退等特质，应用在分布式电站具有很好地市场竞争力潜质；由于其外观色调柔和高雅，而且弱光响应好，也非常适合于高端建筑物的BIPV玻璃幕墙；另一方面，不锈钢箔或聚酰亚胺衬底的柔性电池，不仅保留了玻璃衬底电池的优良性能，而且重量轻、可卷曲折叠、不怕摔碰，更适合于便携式移动电站；按要求剪裁制作成大小不同组件，应用更为灵活。可镶嵌在帐篷屋顶上，也可折叠起来随身携带，随时就地打开为笔记本电脑、打印机及移动式通讯设备供电；还可镶嵌在服装上，在阳光下为随身携带的电子设备充电。聚酰亚胺衬底CIGS电池，其功率重量比可达到1500W/Kg(未封装)，是目前所有太阳电池无法比拟的。除了与不锈钢箔CIGS电池有一样的应用之外，还具有优异的空间性能，是某些航天飞行器的首选。因此，柔性CIGS电池无论是军用还是民用都具有广阔的前景和巨大的市场需求。
记者：在您看来CIGS薄膜电池未来的技术提升空间还有多少，有没有成型的技术路线图？
孙云：CIGS太阳电池目前实验室技术基本成熟，主要科学问题基本搞清，但还需要继续深入和细化。大面积电池组件产业化的核心技术已经突破，能够生产出高效电池组件。未来主要是围绕如何降低成本，使其价格为市场所接受。我认为产业化技术目前仍然存在缺陷，技术上还未达到复制扩产程度，否则西方国家不可能将如此高端技术对中国开放。瓶颈主要在于设备，如何保证薄膜的均匀性(要求多元化合物半导体材料结构及物理特性的均匀性)、产品的良品率、在线监测、工艺稳定的控制，降低设备的故障率及停机率等。特别是制造CIGS薄膜设备是最核心的，但一家一个样全是非标的，工艺和设备尚未完全成熟，还需要不断优化和升级。只有生产线可复制扩产才表明CIGS电池产业化技术达到了真正的成熟，那时就会出现CIGS电池的FirstSolar。若全部采用国产化300兆瓦产量，电池组件平均转换效率为13%，良品率为90%，其电池成本可以低于0.5美元/峰瓦，可达到吉瓦级产量的晶硅电池成本。
记者：您如何看待CIGS薄膜电池和晶硅电池的应用关系？
孙云：晶硅电池价格低，转换效率高，目前在光伏市场占有垄断地位，主要应用在各种形式的光伏电站，在大型地面电站的建设上更有优势。CIGS电池产品目前有三种形式，即玻璃基底电池组件、不锈钢基底柔性电池组件、聚酰亚胺基底柔性电池组件，各有其更适合的应用范围。其中柔性电池为当前主流的晶硅电池无法实现的，是光伏电池多元化的新品种，可在传统光伏发电不能覆盖的领域发挥特别作用，可有独立的价格体系不与晶硅电池竞争，随着人们对产品的认识，使应用范围不断扩展，其潜在的市场需求会越来越大。
玻璃基底的刚性CIGS电池组件，与晶硅电池一样适合于各种形式的光伏发电站。从外观色调和弱光发电能力来看，对于玻璃幕墙具有更突出的优势，目前其产业化技术尚有缺陷，有待于完善扩产以降低成本。一旦技术成熟扩产，CIGS电池价格与晶硅电池持平，将会有很强的市场竞争力。但是，CIGS电池产能即使达到上百吉瓦，也不会替代晶硅电池成为光伏市场的主体，终归稀有贵金属铟制约着该电池无限扩张，到那时有可能又有地球储量丰富的原材料制造的廉价、高效电池替代目前所有的传统电池，成为能源结构的主体。
目前，国内生产晶硅电池衰退率这一问题已经相当突出，由于超大规模生产，一味追求低成本，使产品质量大不如以前，我估计明后年光伏市场会出现由于衰退等质量问题而引起的一系列纠纷，到时候人们就会发现CIGS电池性能稳定、衰退率低等诸多优势，将会给予更多的青睐。
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