光伏魅影——全球太阳能光伏技术沿革

1839年，人类历史上首次发现光电转换的物理现象——光伏效应。1959年，第一个光电转换效率为5%的多晶硅太阳能电池问世；1960年，硅太阳能电池发电首次并入常规电网；1975年，美国科学家制作出非晶硅太阳能电池；上世纪80年代初，太阳能电池开始规模化生产。

上世纪90年代以来，在能源危机和全球气候变暖的压力下，随着各国对太阳能电池研究的不断重视，科研和产业投入不断增加，取得了一系列的科研成果，太阳能电池效率的纪录不断被刷新，奠定了规模化工业生产的技术基础。全球的太阳能光伏产业就此以一个朝阳产业的面貌高速成长。

　　目前太阳能利用技术主要有太阳能热电技术、太阳能热水技术、太阳能光伏技术三大技术。它们是太阳能的不同利用方式。太阳能热水技术通常利用太阳热能为家庭及建筑提供热水，使用方便、成本低，但能量利用形式单一，也不能传输。目前我国太阳能热水器的应用规模已居世界首位。太阳能热电技术是将太阳能聚集起来，驱动汽轮发电机生产电能，如塔式发电、碟式发电等。太阳能热电目前尚处于商业化前夕，而且投入成本太大。

　　太阳能光伏技术利用半导体器件的光伏效应原理，是近年来发展最快、最有活力的可再生能源利用技术。目前全球主要国家都把发展光伏发电作为利用太阳能的主要形式。随着太阳能电池成本的降低和转换效率的提高，它作为太阳能利用的主要形式的趋势将越来越明显。


太阳能电池技术拥有丰富的应用空间

太阳能产业出现“淘金热”

　　回顾太阳能产业的发展历程，在2000年以前可认为是“早期开发”阶段，当时虽有多家厂商投入，但因为技术开发和商业环境还不成熟，仅有少数公司能够维持。而从2000年到2005年间，是“初期获利”阶段，一些公司能够幸存并开始获利。随着能源问题的升温，现在的太阳能产业已经到了“淘金热”阶段，许多企业开始积极投入。

　　目前，太阳能电池主流产品仍然是晶硅太阳能电池，其研究开发的重点围绕降低能耗、降低每瓦生产成本、提高转换效率等方面，以进一步推进太阳能发电大规模商用的进程。

　　1.新一代多晶硅工艺技术研究空前活跃

　　降低成本和能耗除通过传统工艺技术升级外， 还涌现出了几种专门生产太阳能级多晶硅的新工艺技术，主要有：改良西门子法进一步降低成本；冶金法从金属硅中提取高纯度硅；高纯度SiO2直接制取法；熔融析出法；还原或热分解工艺；无氯工艺技术，Al－Si溶体低温制备太阳能级硅；熔盐电解法等。

　　2.继续向高效化、薄型化和大面积方向前进

　　A．转换效率越来越高：14%→18%→20%；

　　B．硅片的面积越来越大： 从103mm×103mm→125mm×125mm→156mm×156mm（目前主流），未来两年将达到210mm×210mm；

　　C．硅片越来越薄：300μm→270μm→210μm→180μm。100μm厚度的工艺正在研发。

　　3.生产设备由半自动化向自动化、智能化过渡

　　A．提高单机自动化水平，增加批次装片量，提高单机生产效率；

　　B．生产线设备间自动传送、在线检测，提高整线生产率。

　　未来5年的主力

　　为了适应太阳能电池高效率、低成本、大规模生产发展的需要，最有效的办法是不采用晶硅体材料，而直接采用薄膜材料，即开发薄膜太阳能电池。20世纪70年代开始，国际上发展了许多类型的薄膜太阳电池，例如：CuInSe（CIS）、CdTe薄膜和有机薄膜等。

　　薄膜太阳能电池具有安全、可折叠、方便连接、轻巧、抗热性能好、不易破损等特点。目前规模生产的薄膜非晶硅太阳能电池的转换效率已达8% 左右，CIS 的转换效率已达10%～11%，实验室转换效率超过20%。

　　目前，世界上至少有40个国家正在开展低成本、大面积、高效率的薄膜太阳能电池的实用化技术研究。随着技术的不断成熟，薄膜太阳能电池必将超过晶硅太阳能电池。

　　围绕降低生产成本、降低能耗，提高光电转换效率、提高能源再生比例等问题，新型太阳能电池正不断涌现。例如：量子点太阳能电池、量子阱太阳能电池、染料敏化电池、热光伏电池及有机薄膜太阳能电池等。

晶硅太阳能电池比较
中国太阳能电池技术仍存发展空间

　　经过多年的发展，我国在太阳能电池硅材料生产、电池和组件生产、专用设备等方面取得很大进步。多晶硅提炼技术取得很大进步，单位能耗得到降低，晶硅太阳能电池制作技术已经达到国际先进水平。

　　国产的晶硅太阳能电池及组件生产线关键设备取得很大进步，如8英寸扩散炉、等离子刻蚀机、低温烘干炉、高温烧结炉，清洗机、层压机等相继在国内生产线上替代进口设备得到广泛应用。在973、863等高科技计划的支持下，我国在碲化镉和铜铟硒薄膜电池、敏化太阳能薄膜电池、多晶硅薄膜电池以及应用系统方面取得了很大的科研进展。

　　我国薄膜电池产业化步伐也在加快。无锡尚德在上海成立薄膜太阳能研发中心，预计2009年产能可达50MW；河北新奥引进全球领先水平的Sunfab薄膜太阳能电池全套自动化生产线；保定天威与设备厂商Oerlikon签订购买薄膜太阳能模块生产线设备合约；南开大学正在福建泉州合作开发非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池产业化技术。

　　尽管我国太阳能电池技术取得了较大进展，然而与国际先进技术相比，仍有很大差距，主要体现在以下三点：

　　1.多晶硅提炼技术与先进水平有很大差距

　　多晶硅材料的生产技术长期以来掌握在美、日、德等国家中，形成了对我国的技术封锁、市场垄断的局面。目前国际上多晶硅生产主要的传统工艺有：改良西门子法、硅烷法和流化床法。其中改良西门子工艺生产的多晶硅的产能约占世界总产能的80%，短期内产业化技术垄断封锁的局面不会改变。与国际先进水平的差距主要体现为能耗高、纯度低、原材料利用率低等。

　　2.薄膜太阳能电池产业化和应用技术有很大差距

　　与国外先进技术相比，我们目前存在的主要问题是：对薄膜电池技术研发投入不足，对其发展前景认识不足，缺乏自主技术创新，特别是规模生产技术。与国外相比，产业发展迟缓。目前，国外多家公司已经开始规模生产薄膜太阳能电池，而国内只有尚德、保定天威等少数企业开始产业布局。

　　3.晶硅电池高端设备和薄膜电池制造设备有很大差距

　　美国、欧洲、日本等国先进设备的特征为产能高、自动化程度高。同这些设备相比，国内设备的自动化程度不高。高端设备如晶硅电池全自动丝网印刷机和自动测试分捡机等依赖进口。薄膜太阳能电池设备还没有起步。


　链接：太阳能电池的三大类别

　　按照技术开发成熟度，太阳能电池可以分为三类：晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池、下一代新型太阳能电池。

　　1.晶硅太阳能电池

　　晶硅太阳能电池的制作工艺从成熟的微电子工艺转化而来，具有硅材料、工艺与制造技术成熟，转换效率高、性能稳定等优点。规模生产的单晶硅太阳能电池的转换效率可达16%-17%，实验室的最高转换效率达24.4%。规模生产的多晶硅太阳能电池的转换效率可达14%～15%以上，实验室的最高转换效率达16.6%。但同常规能源相比，它们存在成本大、制造能耗较高等问题。

　2.薄膜太阳能电池
　　薄膜太阳能电池是在玻璃、不锈钢、塑料基板上沉积几微米厚的薄膜而构成。其种类主要有薄膜非晶硅（α-Si）电池、碲化镉（CdTe）电池、铜铟镓硒（CIGS）电池、铜铟硒（CIS）电池、非晶硅及微晶硅叠层电池等种类。它们具有成本低、能耗低、单片电池面积大等优点，便于工业化大规模生产。目前薄膜太阳能电池的转换效率还低于晶硅太阳能电池。薄膜非晶硅太阳能电池存在光致衰退的问题，仍有待解决。

　　2.下一代新型太阳能电池

　　采用新材料、新结构和新工艺制造下一代新型太阳能电池目前正在研发中，主要有染料敏化太阳能电池、有机聚合物电池等。这些电池的开发主要围绕两大目标：a.提高光电转换效率；b.降低生产成本。

　　目前，晶硅电池是太阳能电池的主流产品，市场占有率为85%，2010 年后市场增长速度将减慢；薄膜电池是当前技术开发的重点，市场占有率为10%，发展速度迅猛，到2013 年后将占市场主导地位；下一代新型太阳能电池技术正在加紧研发之中。

　　中国太阳能光伏产业蕴藏巨大潜力

　　近年来，国家财政对太阳能产业的补贴力度逐年增强。2008年，中国开始启动屋顶和大型地面并网光伏发电示范项目的建设；2009年初完成了甘肃敦煌10MWp 级大型荒漠并网光伏电站的招标工作；同时太阳能屋顶计划与金太阳示范工程的财政补贴项目也相续推出，这一系列的政策措施给中国未来的太阳能光伏产业提供了一个广阔的发展空间。

　　针对目前光伏发电成本高、国内产业对出口依存度过高的特点，中国将加大政策指导和扶持力度，以此来发展和壮大太阳能光伏产业的国内市场。经验表明，中国政府的政策导向将在未来一段时间内决定着中国光伏产业的发展水准和市场需求。相信在节能减排、低碳经济的大背景下，在中国政府的大力扶持和倡导下，中国的太阳能光伏产业定然会有着绚丽的明天。

　　2009年全球新增光伏装机容量接近5.8GW，增速为46.6%。其中，德国新增光伏装机容量达3000MW，居于全球第一位，占全球的市场份额进一步上升，从2008年41.1%的占比上升为51.7%。这主要是由于2008年增速最大的西班牙市场出现了明显的下滑，西班牙2009年降低了光伏装机的补贴，导致其2009年的新增光伏装机量从2008年的2500MW迅速下降为仅60MW。

　　中国太阳能电池产量全球领先

　　2004~2007年，中国太阳能电池产量始终保持100%~300%的高速增长率，远远超过全球太阳能电池生产46.6%的年均复合增长率。2007年，中国太阳能电池产量更是达到1200MW，超过欧美和日本成为太阳能电池生产第一大国，占到全球太阳能电池产量约35%。2009年，中国太阳能电池产量达到3200MW，继续保持了超过世界太阳能电池生产平均增长率的速度，增长率达60%。太阳能电池产业链包括多晶硅原材料生产，硅棒、硅锭生产，太阳能电池制造，组件封装，光伏产品应用和光伏发电系统等环节。

　　另外，与产业链相关联的产业还包括太阳能电池设备制造等。在中国光伏产业的发展过程中，呈现出“中间大两头小，两头在外”的产业链结构，即原料、需求在外，如果再加上关键技术设备的进口，就是“三头在外”。

　　中国太阳能电池产业主要集中在产业链的中下游，竞争形势日趋激烈。截至2008年底，共有37家多晶硅原料生产厂、143家硅锭/硅棒生产厂、138家硅片生产厂和357家太阳能电池组件生产厂和上千家太阳能应用产品生产厂。越往下游（组件生产、太阳能应用产品）竞争越激烈，这主要是由于下游产品生产投资少，建设周期短，技术和资金门槛低，最接近市场，因此吸引了大批企业的进入。

　　目前，中国太阳能电池片市场主要掌握在无锡尚德、南京中电、天威英利、常州天合等几家生产企业中，其中无锡尚德在全球太阳能电池生产企业中排名第三，已跻身世界一流太阳能电池生产企业的行列。这些企业掌握着比较先进的生产技术，生产规模较大，产品质量稳定，能够保证上游原材料的供应，具有较强的竞争力。另外，它们大部分都已经在国内外上市，通过不断完善融资渠道，可以扩大企业的生产规模，提高产品的竞争力。

　　其中，无锡尚德、天威英利等少数企业还涉足上游产业链，垂直整合上下游资源，有效地提高了企业的竞争力。

　　与此同时，在国内市场上还有一些中小型的太阳能电池厂商，由于技术水平较低，生产规模较小，产品质量不稳定，上游原材料供货不稳定，这些中小型太阳能电池厂商在日趋激烈的市场竞争中面临被淘汰的危险。


2008年中国光伏产业链不同环节企业数量 数据来源：赛迪顾问 2010年4月


2005～2009年中国光伏装机量 数据来源：赛迪顾问 2010年4月
多晶硅投资过热但产能不足

　　近两年，全国共有1 6个省、市、自治区布局投资了33个多晶硅建设项目。而2008年国内投产的多晶硅企业仅有徐州中能、洛阳中硅、峨眉半导体、新光硅业和通威永祥等几个，产量为3000吨，仅占建设产能的33%。这主要是由于多晶硅生产技术难度大，系统化配套要求高，企业需要较长时间摸索、运行、修改、完善，再加上副产物料须综合回收利用，有技术难关，限定了产量的释放。

　　按照目前的多晶硅投资规模，到2010年中国的多晶硅产能将达到96500吨，这个数字将远大于2010年国内太阳能电池预计产能。对多晶硅产品，峨眉半导体、新光硅业和通威永祥等几个主要生产企业的产量为3000吨，仅占建设产能的33%。这主要是由于多晶硅生产技术难度大，系统化配套要求高，限定了产量的释放。

　　如此大的产能在国内难以消化进而不得不依靠国外市场，将存在很大的市场风险性。另外，由于中国多晶硅生产线规模普遍较小，尚不能完全掌握核心的规模化生产技术，生产出的高纯硅材料技术经济指标普遍不高，产品缺乏国际竞争力。

　　而且，国内大部分已建和再建生产线对循环经济和副产物综合利用等问题考虑不足，造成了资源浪费，环境污染，这些都为未来发展埋下隐患。因此，在多晶硅项目的投资建设中，应进行统一规划，杜绝无序盲目上马，避免低技术、低水平重复建设，保证资源环境的合理利用和保护，促进产业的可持续发展。

来源：中国计算机报