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光伏:产业危机突破口是技术薄膜化

如何突破变得至关重要,而欧洲的CIGS Sharc25计划预计会对中国光伏产业产生双重的效应。一方面是对于欧洲各国积极开发下一世代光伏技术感到芒刺在背,另一方面也能刺激中国光伏产业急需升级的思考与讨论。

专家观点

孙云
南开大学光电子研究所博士生导师

“CIGS电池不同于传统的硅基薄膜电池,其发电能力基本等同于晶硅电池,一旦产业化技术成熟,其产量达到GW量级,其度电成本必定要低于晶硅电池,而且制造过程的能耗和对环境的污染,大大低于晶硅电池。这种降低碳排放的生产制造,不仅是落实我国巴黎气候大会承诺的具体行为,而且更符合清洁能源的真实本质。”

庄大明
清华大学材料学院常务副院长

“薄膜太阳能代表了光伏技术的发展方向。铜铟镓硒(CIGS)薄膜的效率提升与成本下降潜力巨大,而且使用寿命长,在同样功率下,发电能力也比晶硅强,在生产过程中,能耗与污染方面也更具优势。”

王晓义
北京桑林蓝天自控技术有限公司
首席执行官

“在光伏建筑一体化BIPV或者BAPV方面,单位面积的发电量上很占优势,在垂直角度等不利于光伏组件发电的情况下,CIGS模组的弱光效应会体现得更为明显,发电量比晶硅模组更高。若是制成轻质、可弯曲的柔性电池组件,具有晶硅电池无法实现的功能。”

肖旭东
中科院深圳先进技术研究院集成
所光伏太阳能中心实验室主任

“根据他接受国家相关课题的研究结果,目前晶硅电池能量回收周期为2.7年,碲化镉电池为1年,非晶硅电池1.3年,只有铜铟镓硒电池小于1年。CIGS成本相对具备更低的成本挖掘潜力:多晶硅产业已经处在成本学习曲线下降的饱和阶段,包括转换效率的提升和降低成本的改善措施所需投入的资金会越来越大。相较而言,CIGS仍处于产业发展初级阶段,在设备及材料本土化的优势上,良品率及转换效率上还有很大的提升空间。”

关于Manz

德国企业Manz集团是一家全球领先的高科技设备制造商,能为“显示器”、“太阳能”及“电池”三大策略领域提供先进生产设备解决方案。Manz集团在德国、中国大陆、台湾、斯洛伐克及匈牙利皆设有自己的生产基地,以及遍布全球的服务据点,确保快速的回应及交货时间。

Manz涵盖的核心技术领域包含自动化、测试与检测、激光加工、真空镀膜、化学湿制程、丝网印刷和涂布,以及卷对卷工艺。在公司宣言“激情成就高效能”的推动下,Manz承诺会为未来各种重点产业的客户,提供更高效能的生产设备解决方案。同时显着降低终端产品的生产成本,从而使全世界的客户都能因此而受益。

为了履行这一承诺,Manz不断优化其产品组合,以便在客户端建立可信任的生产工艺,同时也稳步提高Manz设备制造的产品性能参数。这个目标成为Manz创新的一个重要动力,帮助实现关键技术的突破,例如全球通信产业所需的显示器、可持续发电、电力驱动交通工具及能源存储系统。

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导语:在今年三月份,欧洲光伏学术界与产业界创建了CIGS Sharc25计划。其宗旨是研究和开发超过晶硅转换率的CIGS技术,其效率转换率将达到25%。在最近欧洲布鲁塞尔光伏技术平台年会上针对欧洲光伏技术危机,又在讨论制定一个XGWP计划,即要建立一个欧洲千兆瓦级工厂,集研发和制造一体化,选择的技术路线原则上是最具颠覆性的技术。欧盟薄膜太阳能之父拉尔斯.斯托特先生在三年前就指出,光伏产业危机突破口是技术薄膜化。

在晶硅技术转换效率和应用环境面临瓶颈的同时,欧洲学术界启动CIGS Sharc25计划的背景是什么?对中国光伏产业产生的影响是什么?

CIGS在欧洲产官学界是已经关注非常久的新世代太阳能技术,一直被公认是主流晶硅电池之外,最具备量产水平的光伏电池技术。最近在技术上取得大幅进展后,各界期盼趁此热潮,藉此将CIGS技术继续推进,因此CIGS Sharc25的目标是在最短时间内把CIGS薄膜太阳能电池的效率达到25%,使CIGS薄膜太阳能的技术能超越主流的晶硅技术,进而在成本上占有优势,抢占市场份额。

中国长久以来以生产及研究晶硅技术为主,晶硅在光伏产业上发展历程已久,上下游产业链完整且技术相当成熟,而当产业发展到如此成熟的今天,这些优势已造成了种种限制。而限制就在于提升效率与降低成本,想要将整体产业突破现状的代价相对的越来越高。目前中国晶硅产业所面临的困境为:

贸易障碍:晶硅投入门坎较低,因此竞争者多,面对中国庞大的产能,世界各国更争相在贸易关卡上限制中国制造的光伏组件。

产能过剩:投入者多,导致了今日的产能过剩,使得光伏产业进入整并时期。

因此,如何突破变得至关重要,而欧洲的CIGS Sharc25计划预计会对中国光伏产业产生双重的效应。一方面是对于欧洲各国积极开发下一世代光伏技术感到芒刺在背,另一方面也能刺激中国光伏产业急需升级的思考与讨论。

值得关注的是欧洲“CIGS Sharc25”计划,并没有把Solibro(被汉能收购)和Avancis(被中建材收购)两家公司列入参与企业研发名单中,理由是这两家公司已被中国公司收购,不属于欧洲企业。这是否属于技术封锁?其背后是否有更为深刻的原因?Manz对国内投资企业的技术输出是否会因此受到“CIGS Sharc25计划”的限制?

中国公司在面对申请以欧盟为出资主体的科研计划,或许会受到一些限制,不过仍需更深入探讨其相关法令,才能清楚其对非欧洲公司的规定。

目前并没有看到对于Manz技术转移有所限制,因为Manz与ZSW之间有独家的转授权协议。

目前很有投资企业对Manz公司向国内输出CIGS生产技术是有疑虑的,毕竟Manz公司是典型的欧洲公司。如:真正向投资企业交底多少技术?技术升级是否有附加成本?投资后期Manz与投资企业的关系?

就先进性而言,Manz在技术上绝对会转移当今最先进的铜铟镓硒技术,再加上Manz与ZSW仍非常积极投入研发,后续仍能持续提供客户技术升级服务。此点可由Manz与ZSW在近几年来不断在小面积尺寸与量产尺寸的铜铟镓硒电池上打破世界纪录来证明。

就完整性而言,Manz会将累积十几年量产设备、工艺开发技术及量产所需要的知识产权毫无保留的转移,是一个能快速让客户上手的整合性输出。

未来的技术升级是有偿的服务,因为研究与开发本身也需要成本。不过我们认为技术升级必须是双赢的局面,也就是提升方案所需的费用必须让能让客户在短期内回收。

一旦与客户合作,就成为了伙伴关系,目标是要共同打开铜铟镓硒市场。因此Manz会倾全力帮助客户的员工招聘与训练、材料本地化验证或共同研发项目的开展等。未来Manz仍可做为提供客户后续技术升级的选项之一,或是形成战略联盟,快速扩产以达经济规模。总之,我们对于与客户的后续态度不但是全力支持,而且与之的关系保持开放心态。

目前整个薄膜光伏尤其是CIGS产业的发展,让整个光伏行业看不清楚。例如今年国内包括中建材合肥生产线、神华、广西地凯、云南龙宫光伏都开始布局CIGS光伏生产线。而与次同时,台积电则宣布退关闭旗下CIGS生产线。一边是企业密集布局,一边是企业的逃离。作为CIGS解决方案的提供商,如何看待这两种现象?

一个产业的形成,一定有人看好加入,而加入的厂商会有失败也会有成功,这是属于正常的产业生态发展。如:CdTe在还没形成规模化产业前,投入厂商更多,可惜最终只有First Solar取得最终的胜利。目前CIGS发展型况类似,有些人因为技术或资金问题,选择退出,但有更多人反而逆势布局,尤其在去年ZSW宣布以21.7%打破世界纪录之后,激起更多人的热情,我们感觉在铜铟镓硒的投资上有升温的趋势。

通过近些年的发展,CIGS突破了哪些瓶颈?

在技术上,以ZSW创造21.7%世界纪录为底的后处理工艺(post deposition, PDT)的发现与优化是最大的进展。一般推测,此一工艺优化了本身pn的结构,使得后续更多的效率提升方案一一被提出也在实验室研发当中。

在量产工艺方面,Manz实现了全激光的刻划工艺,大幅降低死区面积。除此之外,Manz在大面积尺寸的当中,也确认了如PDT工艺、镓浓度元素调变或CIGS厚度减薄的量产可能性。

可以确认的是,研发与量产的脚步并不会停止,而会更快速的迎头赶上并超越晶硅的组件效率!

国内一些专家认为台积电的失败是技术路线的失败,Manz是否认同?什么是溅射后硒化工艺(两步法)和共蒸镀工艺(一步法)。目前这两种技术的发展现状怎样?Manz主张的技术路线是?

我们也认同主要问题还是在技术路径的选择。深入分析,台积电的退出大概可分为三个层面的问题:

A. 技术路线的错误,导致成本无法有效下降

台积电的声明稿表示,旗下台积太阳能是市场后进者,缺乏经济规模,虽然转换效率具领先优势,但在成本上不具竞争力。台积公司经审慎评量后认定,即便是执行最精进的成本减抑计划,亦恐难逆转成本劣势。其实探究背后原因,在于其技术路线采用的是两步法,也就是第一步升温将铜铟镓(CIG)溅射到靶材后降温破真空之后,在接下来把溅射好的CIG化合物材料在有硒环境之下再升温进行硒化反应,這技法期能将铜铟镓硒四种元素按预期比例均匀混合后沉积降温。这种工艺路线最大的关键是要使CIG化合物达到完全硒化的难度很高,造成最终良品率低,转换效率不稳定,生产成本过高,产品不具竞争力。

对实际的两步法工艺进行剖析,有两部分的成本是非常高的,其关键在于硒化工艺:

1. 硒化炉是所有两步法的瓶颈,一次硒化的工艺时间是为数十个小时!

2. 因为硒化工艺的关系,若采用普通的钠玻璃容易使得玻璃严重翘曲,所以背板玻璃必须使用强化玻璃,使得成本垫高

B. 欲复制其成功的半导体经验在绿能产业,但高毛利的半导体业与成本为优先考虑的太阳能产业不同

台积电2009年起投入新能源开发,2011年分割成立LED事业的台积固态照明,以及太阳能事业的台积太阳能,皆难以获利,今年(2015年)1月台积电才将旗下台积固态照明股权售予台湾晶电公司,如今台积太阳能又吹熄灯号,等于台积电在绿能领域的两大事业经营皆黯然收场。台积电在半导体本业一向以技术领先、管理严格、产能高、良率好而蜚声于中外业界,但其实隔行如隔山。台积电以过往的半导体成功经验来打造一个半导体级的太阳能厂房,使得还没进入产业就先垫高投资成本,从此就能看得出其思维与太阳能领域处处计较成本的思维格格不入!

C. 竞争激烈的半导体产业,使得台积电必须回防主要产业

台积电在半导体本业正面临强烈的竞争,除了大陆政府也正准备以国家的力量扶植自身半导体产业外,许多半导体产业分析师纷纷认为台积电在高阶制程领域,主导地位正在受到冲击,包括来自Intel及三星的威胁及本身半导体技术难度的挑战。尤其,三星的14奈米制程良率已经超越台积电,达到七成左右,這是最近关键压力所在。台积电表示,在结束台积太阳能营运之后,接下来将更专注于晶圆代工本业,全力衝刺12吋厂产能布建,包括大陆12吋晶圆厂投资。目前台积电正积极进行台灣南科及中科12吋晶圆厂产能扩建,做为先进制程生产重镇,预料下月也会提出登"陆"兴建首座12吋晶圆厂投资,更巩固全球晶圆代工龙头地位。而因应扩厂急需的大量人力需求,台积半导体邀聘所有厂内约365名同仁至母公司任职。

Manz采用的是一步法,能在同一个腔体上同时完成CIGS的镀膜,没有硒化的问题,自然转換效率提高。更重要的是,在量产上,一步法能后续体现PDT的工艺,后续技术提升相当令人期待,但目前并没有两步法能使用PDT工艺的方法。

光伏摩尔定律就是效率转换率每提升一个百分点,成本下降8%左右。它是由技术进步而带来的巨大经济效益,同时和产能规模也有直接关系。CIGS的产能规模是否是决定投资企业成败的关键?门槛是怎样的?什么样的企业符合投资CIGS技术的前提?

是的,提升产能规模使之达到经济规模也是能使成本下降的途径之一。以Manz的规划而言,一个约150MW年产能的工厂,生产成本约为0.4$/W(2块5人民币)左右,已经可以体现薄膜太阳能的成本优势,能达到平价上网。随着技术的提升与持续的产能投资,约700MW左右可再使成本下降约超过12%,来到0.35$/W。若产能再提升达到GW等级,就更加速了上下游的产业链整合,实现0.2$/W(甚至更低)的铜铟镓硒组件是指日可待的。

欲藉由产能规模来实现快速的成本下降,背后支撑的是以坚强的信念及较大的资金投入,因此需要规模大的公司一起实现。

目前中国国家能源局已经启动了光伏“领跑者计划”,其中对发电项目提出建设标准、技术进步及成本下降目标等要求,通过竞争性方式选择技术能力和投资经营实力强的开发投资企业,企业通过市场机制选择达到“领跑者”技术指标的光伏产品。如:多晶硅电池组件和单晶硅电池组件的光电转换效率分别达到16.5%和17%以上;高倍聚光光伏组件光电转换效率达到 30%以上;硅基、铜铟镓硒、碲化镉及其他薄膜电池组件的光电转换效率分别达到 12%、13%、13%和 12%以上。如何看待“领跑者计划”对于CIGS产业在国内发展的促进作用。

我们非常认同领跑者在计划上的规划。领跑者计划设定最低效率门坎一方面是藉由政策强迫产业升级,另一方面也是避免劣币驱逐良币(有些号称为铜铟镓硒产品的组件效率甚至比硅基薄膜组件来得低)的现象产生,对于健全产业链有一定的效用。

以Manz的技术而言,我们提供量产平均高达14.6%组件效率(尺寸为1.2*0.6平方米)的技术,比领跑者计划规定的13%高出甚多,因此对于Manz的铜铟镓硒技术来说,并不是问题。

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