世界光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及原料的發(fā)展趨勢(shì)

1、世界光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及原材料的發(fā)展趨勢(shì)朱相麗（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家科學(xué)圖書館 總館）隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人口的不斷增加，以石油、天然氣、煤等為主的化石能源日益枯竭。根據(jù)世界能源機(jī)構(gòu)分析數(shù)據(jù)，世界石油、天然氣、煤、鈾的剩余可開采年限僅為45年、61年、230年和71年，圖1給出了世界與我國(guó)常規(guī)能源的預(yù)測(cè)1。與此同時(shí)，化石能源造成的環(huán)境污染和生態(tài)失衡制約了世界經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，世界對(duì)能源的需求有增無(wú)減，能源資源已經(jīng)成為重要的戰(zhàn)略物質(zhì)。太陽(yáng)能資源是最豐富的可再生資源之一，光伏發(fā)電是直接應(yīng)用太陽(yáng)能的一種形式。據(jù)計(jì)算，太陽(yáng)在1 s內(nèi)發(fā)出的能量就相當(dāng)于1.3億 t標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒時(shí)所放出的熱量，而到達(dá)地球表面的

2、太陽(yáng)能大約相當(dāng)于目前全世界所有發(fā)電能力總和的20萬(wàn)倍。與其他能源相比，太陽(yáng)能有許多優(yōu)點(diǎn)，如安全可靠、無(wú)噪聲、無(wú)污染、無(wú)需消耗燃料、可以方便地與建筑物相結(jié)合等，這些優(yōu)點(diǎn)都是常規(guī)能源無(wú)法比擬的；因此，以太陽(yáng)能為代表的可再生能源成為當(dāng)代新能源開發(fā)的重要方向之一。世界各國(guó)競(jìng)相出臺(tái)發(fā)展太陽(yáng)能的扶持政策、法令、法規(guī)和路線圖，光伏發(fā)電系統(tǒng)正在全球范圍內(nèi)逐步得到應(yīng)用。圖1 世界和中國(guó)主要常規(guī)能源儲(chǔ)量預(yù)測(cè)一、國(guó)外光伏產(chǎn)業(yè)及技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀1.世界太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量增加迅速隨著光伏技術(shù)的進(jìn)步，世界光伏產(chǎn)量有了很大的提高，20世紀(jì)90年代的年平均增長(zhǎng)率達(dá)到20%，從1991年的55 mw增長(zhǎng)到2000年的287 mw；

3、2001年以來(lái)，光伏電池產(chǎn)量快速增長(zhǎng)，光伏組件的年平均增長(zhǎng)率更是高達(dá)30%以上。2005年世界太陽(yáng)電池產(chǎn)量達(dá)到1656 mw，比2004年增加了38%；日本光伏電池產(chǎn)量再次領(lǐng)先增長(zhǎng)到762 mw，增長(zhǎng)率為27%；歐洲產(chǎn)量增加48%，達(dá)到464 mw；美國(guó)增加12%，達(dá)到156 mw；世界其他地區(qū)增加96%，達(dá)到274 mw2。根據(jù)歐洲可再生能源委員會(huì)可再生能源狀況2040（renewable energy scenario to 2040）報(bào)告，太陽(yáng)能占世界總發(fā)電量的比例在2010年將達(dá)到0.1%，2020年達(dá)到1.1%，2030年將達(dá)到8.3%3。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)（nedo）對(duì)太陽(yáng)

4、能組件的未來(lái)預(yù)測(cè)以及從費(fèi)用角度繪制的路線圖如圖2所示，根據(jù)日本估計(jì)，到2030年，太陽(yáng)能電池的發(fā)電量將達(dá)到100 gw。圖2 世界太陽(yáng)能組件的未來(lái)預(yù)測(cè)以及從費(fèi)用角度繪制的太陽(yáng)能發(fā)電路線圖(注：圖中yen為日元)2.德、日、美依然是世界上三個(gè)最主要的光伏應(yīng)用市場(chǎng)，中國(guó)異軍突起產(chǎn)量躍居世界前列圖3給出了全球太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量變化情況，圖4給出了2007年各國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量情況，從圖4可以看出，隨著全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量的逐年快速增加，2007年中國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)量占了29%，躍居世界第一位，一舉超過(guò)了日本在此領(lǐng)域的霸主地位；日本的產(chǎn)量占了總量的22%，其次是德國(guó)占了總發(fā)電量的20%。 圖3 世界太陽(yáng)能電池的產(chǎn)

5、量4圖4 2007年各國(guó)太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量在太陽(yáng)能電池的應(yīng)用方面，自1998-2007年，太陽(yáng)能電池安裝的平均增長(zhǎng)率超過(guò)了35%，2007年全球安裝太陽(yáng)電池量達(dá)到了9200mw，其中前5名的國(guó)家分別是德國(guó)安裝了3800 mw，占世界總安裝量的41.3%；日本安裝了1938 mw，占世界總安裝量的21%；美國(guó)安裝量為814 mw，占世界總安裝量的8.9%；西班牙安裝了632 mw，占世界總安裝量的6.9%；意大利安裝量為100 mw，占世界總安裝量的1%，世界其它地區(qū)安裝了1916 mw，占總安裝量的20.8%。由此可見，德、日、美依然是世界上的光伏主要應(yīng)用市場(chǎng)。3.晶體硅電池占市場(chǎng)的絕對(duì)主流20

6、06年市場(chǎng)上的太陽(yáng)能電池模塊有90%以硅為原材料，其中有50%為多晶硅、38%為單晶硅、其它形式的硅僅占2%，預(yù)計(jì)這一現(xiàn)狀還將持續(xù)一段時(shí)間，表1給出了2001-2006年各類太陽(yáng)能電池產(chǎn)量的市場(chǎng)份額5。就目前來(lái)看，晶體硅光伏電池?fù)碛凶畹偷某杀?，并已擁有最高的可靠性，其研發(fā)重點(diǎn)是降低成本。主要通過(guò)以下幾種途徑來(lái)降低成本：（1）降低原材料成本，特別是硅襯底；（2）提高轉(zhuǎn)化效率；（3）改進(jìn)制造工藝，提高生產(chǎn)能力；（4）提高可靠性（減少晶圓破損）。表1 2001-2006年各類太陽(yáng)能電池產(chǎn)量的市場(chǎng)份額 % 200120022003200420052006單晶硅34.636.432.236.2

7、38.338.0多晶硅50.251.657.254.752.352.0帶硅/片硅5.64.64.43.32.93.0非晶硅8.96.44.54.44.74.0銻化鎘0.50.71.11.11.62.7銅銦化錫0.20.20.60.40.20.34.并網(wǎng)光伏發(fā)電及光伏建筑一體化（bipv）前景廣闊目前，以光伏建筑一體化（bipv）為核心的光伏屋頂并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用占據(jù)了絕對(duì)的光伏市場(chǎng)份額，尤其日本和德國(guó)近幾年的光伏年度安裝幾乎全部是光伏屋頂并網(wǎng)應(yīng)用。光伏建筑一體化具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如建筑物能為光伏系統(tǒng)提供足夠的面積，不需另占土地；能省去光伏系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)和輸電費(fèi)用；光伏陣列可代替常規(guī)建筑材料，節(jié)省材料費(fèi)用

8、；安裝與建筑施工結(jié)合，節(jié)省安裝成本等，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。5.各國(guó)紛紛制定光伏發(fā)電的路線圖，對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)行規(guī)劃和指導(dǎo)日本nedo在2004年6月發(fā)表的“面向2030光伏路線圖的概述”（overview of pv roadmap toward 2030）中提出：到2010年日本國(guó)內(nèi)累計(jì)安裝太陽(yáng)電池組件容量將為482 gw；到2030年累計(jì)安裝太陽(yáng)電池組件容量要達(dá)到1000 gw，屆時(shí)日本所有住宅所消費(fèi)的電力中將有50%是太陽(yáng)能光伏發(fā)電提供的。通過(guò)大規(guī)模應(yīng)用和技術(shù)進(jìn)步，使太陽(yáng)電池組件的價(jià)格從2003年的250 日元/w逐年下降，到2010年降為100 日元/w，2020年降到75 日元/w，

9、到2030年要小于50 日元/w。目前硅材料的消耗是1013 g/w，到2030年要達(dá)到1 g/w；逆變器目前的價(jià)格是3萬(wàn) 日元/kw，到2020年要降到1.5萬(wàn) 日元/kw；蓄電池價(jià)格要從目前的40 日元/wh降到2020年的10 日元/wh。這樣，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的成本也可以逐漸下降，預(yù)計(jì)2010年太陽(yáng)能發(fā)電的電價(jià)約為23 日元/kwh，到2020年降為14 日元/kwh，2030年可進(jìn)一步降到7 日元/kwh。2004年3月，歐盟聯(lián)合研究中心發(fā)表了名為“歐洲光伏研發(fā)路線圖”（pvnet european roadmap for pv r&d eur21087en）的研究報(bào)告，指出大

10、約在2030年太陽(yáng)能發(fā)電將發(fā)揮顯著的作用，2050年將約占能源供應(yīng)總量的24%，到21世紀(jì)末將占全球總能源供應(yīng)的統(tǒng)治地位。在1999年以前，美國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電研究和開發(fā)一直處于世界領(lǐng)先地位，后來(lái)由于種種原因，太陽(yáng)電池組件的產(chǎn)量落到了日本和歐洲的后面。美國(guó)在2004年9月發(fā)表了“我們太陽(yáng)電力的未來(lái)：2030及更久遠(yuǎn)的美國(guó)光伏工業(yè)路線圖”（our solar power future：the us pv industry roadmap through 2030 and beyond），對(duì)此進(jìn)行了分析，提出要恢復(fù)美國(guó)在光伏市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)地位，為此要采取稅收優(yōu)惠、提高上網(wǎng)電價(jià)、增加政府及當(dāng)?shù)赝度?、?

11、010年以前每年投入2.5億美元用于研發(fā)等措施，并提出以下目標(biāo)：在2025年新增加發(fā)電容量的一半由太陽(yáng)能發(fā)電提供6。二、世界光伏發(fā)電技術(shù)研究熱點(diǎn)光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池板、控制器和電能儲(chǔ)存及變換環(huán)節(jié)構(gòu)成的發(fā)電與電能變換系統(tǒng)。太陽(yáng)光輻射能量經(jīng)由光伏電池板直接轉(zhuǎn)換為電能，并通過(guò)電纜、控制器、儲(chǔ)能等環(huán)節(jié)予以儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換，提供負(fù)載使用。光伏電池板是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的基本核心部件，它的大規(guī)模應(yīng)用需要解決2大難題：一是提高光電轉(zhuǎn)換效率；二是降低生產(chǎn)成本。目前太陽(yáng)能電池的發(fā)展已經(jīng)歷了3代。第1代光伏電池以硅片為基礎(chǔ)，雖然其技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，但高昂的材料成本在全部生產(chǎn)成本中占據(jù)主導(dǎo)地位，不僅消耗了過(guò)多的硅材

12、料，而且制作全過(guò)程中要消耗很多能源。第2代光伏電池基于薄膜技術(shù)，將很薄的光電材料鋪在非硅材料的襯底上，大大減少了半導(dǎo)體材料的消耗，并且易于形成批量自動(dòng)化生產(chǎn)，從而大大降低了光伏電池的成本，國(guó)際上已經(jīng)開發(fā)出了電池效率在15%以上、組件效率在10%以上和系統(tǒng)效率在8%以上、使用壽命超過(guò)15年的薄膜電池工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)。第3代高轉(zhuǎn)換效率的薄膜光伏電池通過(guò)減少非光能耗，增加光子有效利用以及減少光伏電池內(nèi)阻，使光伏轉(zhuǎn)換效率的上限有望獲得新的提升7。另外，多晶硅光伏電池比單晶硅光伏電池的材料成本低，是世界各國(guó)競(jìng)相開發(fā)的重點(diǎn)，目前它的研究熱點(diǎn)包括：開發(fā)多晶硅生產(chǎn)技術(shù)，開發(fā)快速摻雜和表面處理技術(shù)，提高硅片質(zhì)量，

13、研究連續(xù)和快速的布線工藝，多晶硅電池表面織構(gòu)化技術(shù)和薄片化，開發(fā)高效率電池工藝技術(shù)等。非晶硅電池仍處在發(fā)展之中，每年的新增產(chǎn)量在10 mw以上。化合物太陽(yáng)電池（如銅銦鎵硒等）正以其轉(zhuǎn)換效率高、成本低、弱光性好及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)成為新一代光伏電池的發(fā)展方向。三、各種太陽(yáng)能電池板原材料的問(wèn)題及其轉(zhuǎn)化效率以制作光伏電池板的原材料來(lái)分，太陽(yáng)能電池可大致劃分為硅材料太陽(yáng)能電池、化合物半導(dǎo)體材料太陽(yáng)能電池以及有機(jī)材料太陽(yáng)能電池。表2給出了目前實(shí)驗(yàn)室中各種太陽(yáng)能電池最好的轉(zhuǎn)化率情況，表3給出各種太陽(yáng)能電池模塊的轉(zhuǎn)化效率以及每種材料的特點(diǎn)及問(wèn)題。表2 各類太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)室最好的轉(zhuǎn)化率8類型轉(zhuǎn)化效率/%實(shí)驗(yàn)室注釋

14、單晶硅電池24.7±0.5 south wales university, australia 電池面積4cm2 表面接觸支撐單晶硅電池26.8±0.8 sunpower, us 96次聚光gaas異質(zhì)結(jié)電池40.7±1.7 spectrolab 聚光太陽(yáng)能電池多晶硅電池20.3±0.5 fraunhofer institute, germany 電池面積1.002cm2 ingap/gaas（磷化銦鎵/砷化鉀）30.28±1.2 japan energy company 電池面積4cm2 非晶硅電池14.5(初始值)±0.712.8

15、(穩(wěn)定值)±0.7ussc, us 電池面積0.27cm2 銅銦化錫電池19.5±0.6 national renewable energy laboratory, us 電池面積0.410cm2 銻化鎘電池16.5±0.5 national renewable energy laboratory, us 電池面積1.032cm2 多晶硅薄膜電池16.6±0.4 stuttgart university, germany 電池面積4.017cm2 na-si太陽(yáng)能電池10.1±0.2 kaneka, japan 薄膜厚度為0.002mm 染敏基

16、光電化學(xué)電池11.0±0.5 epfl 電池面積0.25cm2 非晶硅鍺混合型異質(zhì)結(jié)（hit）電池21.5 sanyo, japan 表3 各種材料的轉(zhuǎn)化效率和主要特點(diǎn)2代表類型太陽(yáng)能電池模塊的轉(zhuǎn)換效率/%主要特點(diǎn)和問(wèn)題現(xiàn)在 nedo 2030目標(biāo) 硅系統(tǒng) 塊體硅多晶硅 131722 已經(jīng)大批量生產(chǎn)單晶硅1618 轉(zhuǎn)化率高硅棒16 不需要切片薄膜類型 (非晶硅,晶體硅)712 適用于低溫、大面積和多層制造，費(fèi)用低?；衔锇雽?dǎo)體材料單晶型 (gaas 系統(tǒng)) 3040 轉(zhuǎn)化率高，但是費(fèi)用高，含環(huán)境污染物質(zhì)。多晶型 (cigs, cdte) 13 18 需要銦資源，要減少銦的消費(fèi)、擴(kuò)展銦

17、的代替物，需要提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。有機(jī)材料 染敏型6 15 有機(jī)薄膜型4 1.塊體硅材料按結(jié)晶形態(tài)和器件結(jié)構(gòu)分，硅太陽(yáng)能電池可分為4種類型：塊體、薄膜、單晶硅和多晶硅，在這些類型當(dāng)中，塊體硅太陽(yáng)能電池是市場(chǎng)產(chǎn)品的主流，這種情形還將持續(xù)一段時(shí)間。單晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率為16%18%，多晶硅為13%17%。太陽(yáng)能電池硅的純度雖高，但相比用于半導(dǎo)體的硅材料，其純度則要低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。不過(guò)，太陽(yáng)能電池對(duì)硅材料的需求相當(dāng)龐大，因此低成本原料的制造開發(fā)已經(jīng)引起了人們的關(guān)注；特別地，針對(duì)晶體硅太陽(yáng)能電池，現(xiàn)行技術(shù)的關(guān)注點(diǎn)在于削減厚度（從100 m減為50 m）以及減少加工過(guò)程中的邊角料損耗。2.薄膜硅材料薄膜硅太

18、陽(yáng)能電池對(duì)原料需求較小，因此被視為適于未來(lái)大規(guī)模生產(chǎn)的低成本太陽(yáng)能電池，然而這種電池的光電轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)低于晶體硅太陽(yáng)能電池，如果是非晶薄膜，則電池的光電轉(zhuǎn)化效率更低，為7%10%。因此，如果這種太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到提升，它很可能是未來(lái)的主流技術(shù)。薄膜硅技術(shù)中至少有2種正處于開發(fā)中的技術(shù)路徑，第1種技術(shù)路徑是非晶硅太陽(yáng)能電池，其面積成本（area-costs）顯著降低，同時(shí)效率也有適度提升；如果非晶硅的產(chǎn)量繼續(xù)按目前的速度增長(zhǎng)，到2020年將達(dá)到2 kmw/年，在這樣的產(chǎn)量水平下，工藝簡(jiǎn)化與高產(chǎn)量將帶來(lái)巨大的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。第2種高風(fēng)險(xiǎn)、高收益技術(shù)路徑是在玻璃、玻璃-陶瓷、冶金硅或不銹鋼等可候選

19、的、低成本的襯底上制作晶體硅薄膜。晶體硅的這種替代技術(shù)有望在維持非晶硅薄膜低成本結(jié)構(gòu)的同時(shí)，將效率提升到可與多晶硅技術(shù)相競(jìng)爭(zhēng)的水平，需要進(jìn)一步研究活性材料的高沉積速率工藝和制備單晶硅、大顆粒、雙軸織構(gòu)顆粒及良好鈍化顆粒晶界的機(jī)制9。3.化合物半導(dǎo)體與有機(jī)材料化合物半導(dǎo)體和有機(jī)體有望成為下一代太陽(yáng)能電池材料，已有相關(guān)研發(fā)活動(dòng)圍繞它們展開且得到了實(shí)際應(yīng)用，但在近期，它們尚難以取代硅材料。理論上，化合物半導(dǎo)體的光電轉(zhuǎn)換效率要比硅材料高，但仍存在缺陷，例如，化合物多晶薄膜cigs（cu-in-ga-se）的轉(zhuǎn)換效率為13%，但銦（in）卻十分稀缺；gaas化合物薄膜中砷（as）的大量使用則會(huì)帶來(lái)不少環(huán)

20、境問(wèn)題，因此，目前化合物半導(dǎo)體材料的太陽(yáng)能電池僅適合于特殊情況下的應(yīng)用。雖然有機(jī)材料太陽(yáng)能電池具有原料成本低廉的壓倒性優(yōu)勢(shì)，但仍受到戶外模塊效能、穩(wěn)定性、壽命和可靠性等問(wèn)題的制約。量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%，但該領(lǐng)域的研究才剛起步10。四、未來(lái)的發(fā)展方向現(xiàn)今市場(chǎng)上的太陽(yáng)能電池模塊有95%以硅為原材料，其中有60%為多晶硅，30%為單晶硅，預(yù)計(jì)這一現(xiàn)狀還將持續(xù)一段時(shí)間。對(duì)未來(lái)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展而言，如何降低電池模塊的成本是關(guān)鍵，是因?yàn)樗紦?jù)了發(fā)電系統(tǒng)成本的60%，而模塊成本中的20%取決于硅原材料成本，所以，如果保持如今的趨勢(shì)發(fā)展下去，則原材料硅的短缺終將成為制約太陽(yáng)能發(fā)展的瓶頸

21、。預(yù)計(jì)未來(lái)發(fā)展的方向可能集中在以下幾個(gè)方面：1.改善原有的制備工藝并開發(fā)新工藝，提高硅原料的產(chǎn)量；目前有研究報(bào)道了一些新的工藝方法：熔融析出法（vapor to liquid deposition，vld）和熔硅提純法（molten silicon refinement）。在vld法中，將三氯氫硅（sihcl3）和氫氣（h2）一起注入1500 的石墨管中，形成硅熔融沉積，沉積速度比傳統(tǒng)西門子方法快10。未來(lái)的研究將開發(fā)更多新工藝，提高硅的產(chǎn)量。2.開發(fā)新材料和新技術(shù)，降低硅的使用量；通過(guò)重新評(píng)估材料技術(shù)并使用新的電池技術(shù)以提高能源效率，從而盡可能降低單位能量所消耗的硅，同時(shí)通過(guò)擴(kuò)展設(shè)備和引入新的制備工藝來(lái)努力提高生產(chǎn)能力。3.第3代高效光伏電池具有潛在前景。第1代晶體硅太陽(yáng)電池對(duì)材料的需求限制了成本降低的潛力，長(zhǎng)期以來(lái)人們一直試圖用薄膜太陽(yáng)電池取代第1代電池，然而，薄膜太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率是要解決的主要問(wèn)題，此外，薄膜電池的性能穩(wěn)定性和生產(chǎn)成本也必須要達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用的要求。目前從材料、工藝與理論研究等方面來(lái)看，太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率還可以有很大提高，薄膜電池的發(fā)展也