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)-中國科學(xué)院國家科學(xué)

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（中國科學(xué)院國家科學(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，以石汕、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給出了世界與我國常規(guī) 能源的預(yù)測。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)能源的需求有增無減，能源資源已經(jīng)成為重要的戰(zhàn)略物質(zhì)。太陽能資源是最豐富的可再生資源之一，光伏發(fā)電是宜接應(yīng)用太陽能的-種 形式。據(jù)計(jì)算，太陽在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

2、表面的太陽能大約相當(dāng)于口前全世界所有發(fā)電能力總和的 20萬倍。與其他能源相比，太陽能有許多優(yōu)點(diǎn)，如安全可靠、無噪聲、無污染、 無需消耗燃料、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)能源無法比擬 的；因此，以太陽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。 世界各國競相岀臺(tái)發(fā)展太陽能的扶持政策、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。2250 年22002150 年2100 年20b0 年2000 年圖1世界和中國主要常規(guī)能源儲(chǔ)量預(yù)測一、國外光伏產(chǎn)業(yè)及技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀1 世界太陽能電池的產(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

3、的年平均增長率達(dá)到20%,從1991年的55 mw增長到2000年的287 mw； 2001年以來，光伏電池產(chǎn)量快速增長,光伏組件的年平均增長率更是高達(dá)30%以上。2005年世界太陽電池嚴(yán)量達(dá)到1656 mw,比2004年增加了 38%； h本光伏電池產(chǎn)量 再次領(lǐng)先增長到762 mw,增長率為27%；歐洲產(chǎn)量增加48%,達(dá)到464 mw； 美國增加12%,達(dá)到156 mw；世界其他地區(qū)增加96%,達(dá)到274 mw2o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，太陽能占世界總發(fā)電量的比例在2010年將達(dá)到0.1%,

4、2020年達(dá)到 1.1%, 2030年將達(dá)到8.3%叫 日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)（nedo）對(duì)太陽 能組件的未來預(yù)測以及從費(fèi)用角度繪制的路線圖如圖2所示，根據(jù)h本估計(jì)，到 2030年，太陽能電池的發(fā)電量將達(dá)到100 gwo2000202020302010年目標(biāo)模塊費(fèi)用、(yon'mo太陽能產(chǎn)量份額 (對(duì)數(shù)刻度/%)目標(biāo)能源費(fèi)用、(yen>*h)產(chǎn)量戲電的份靜 （対數(shù)刻度/"圖2世界太陽能組件的未來預(yù)測以及從費(fèi)用角度繪制的太陽能發(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，中國異軍突起產(chǎn)量躍居世界前列圖3給出了全球太陽能電池的產(chǎn)量變

5、化情況，圖4給出了 2007年各國太陽 能電池產(chǎn)量情況，從圖4可以看出，隨著全球太陽能電池產(chǎn)量的逐年快速增加， 2007年中國太陽能產(chǎn)量占了 29%,躍居世界第一位，一舉超過了日木在此領(lǐng)域的霸主地位；日木的產(chǎn)量占了總量的22%,其次是德國占了總發(fā)電量的20%。25002302圖3世界太陽能電池的產(chǎn)量在太陽能電池的應(yīng)用方面，& 1998-2007 太陽能電池安裝的平均增長率 超過了 35%, 2007年全球安裝太陽電池量達(dá)到了 9200mw,其中前5名的國家 分別是徳國安裝了 3800 mw,占世界總安裝量的41.3%； h本安裝了 1938 mw, 占世界總安裝量的21%；美國安裝量為

6、814 mw,占世界總安裝量的8.9%；西 班牙安裝了 632mw,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 1916mw,占總安裝量的20.8%0由此 可見，徳、fi、美依然是世界上的光伏主要應(yīng)用市場。3 晶體硅電池占市場的絕對(duì)主流2006年市場上的太陽能電池模塊有90%以硅為原材料，其屮有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 20012006年各類太陽能電池產(chǎn)量的市場份額。就目前來看，品體 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。 主要通過以下

7、兒種途徑來降低成本：(1)降低原材料成本，特別是硅襯底；(2) 提咼轉(zhuǎn)化效率；（3）改進(jìn)制造t藝，提咼生產(chǎn)能力；（4）提咼口j靠性（減少晶圓 破損）。表1 2001-2006年各類太陽能電池產(chǎn)量的市場份額%200120022003200420052006單晶硅34.636.432.236.23&33&0多晶硅50.251.657.254.752.352.0帶硅/片硅5.64.64.43.32.93.0非品硅8.96.44.54.44.74.0釧化錨0.50.711.11.62.7銅錮化錫0.20.20.60.40.20.34并網(wǎng)光伏發(fā)電及光伏建筑一體化（bipv）前景廣闊口前，

8、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)的光伏市場份額，尤其日木和德國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；安裝與建筑施工結(jié)合，節(jié)省安裝成木等，因而具 有廣闊的應(yīng)用前景。5各國紛紛制定光伏發(fā)電的路線圖，對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)行規(guī)劃和指導(dǎo)日木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）屮提出：到2010年日木國

9、內(nèi)累計(jì)安裝太陽電池組 件容量將為482 gw；到2030年累計(jì)安裝太陽電池組件容量要達(dá)到1000 gw, 屆吋日木所有住宅所消費(fèi)的電力屮將有50%是太陽能光伏發(fā)電提供的。通過大規(guī) 模應(yīng)用和技術(shù)進(jìn)步，使太陽電池組件的價(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,到2030年要小于50 h 元/w?？谇肮璨牧系南氖?013g/w,到2030年要達(dá)到1 g/w；逆變器口前 的價(jià)格是3萬日元/kw,到2020年要降到1.5萬日元/kw；蓄電池價(jià)格要從口 前的40日元/wh降到2020年的10日元/wh。這樣，太陽能光伏發(fā)電的成本也 可以逐漸

10、下降，預(yù)計(jì)2010年太陽能發(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/kwho2004年3月，歐盟聯(lián)合研究屮心發(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，指出大約在 2030 年 太陽能發(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，美國的太陽能光伏發(fā)電研究和開發(fā)一直處于世界領(lǐng)先地位, 后來由于種種原因，太陽電池組件的產(chǎn)量落到了 h本和歐洲的后而。美國在2004 年9

11、月發(fā)表了“我們太陽電力的未來：2030及更久遠(yuǎn)的美國光伏工業(yè)路線圖"(our solar power future： the u. s. pv industry roadmap through 2030 and beyond), 對(duì)此進(jìn)行了分析，捉岀要恢復(fù)美國在光伏市場的領(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?、?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能發(fā)電 提供。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)。太陽光輻射能量經(jīng)由光

12、伏電池板直接轉(zhuǎn)換為電能，并通過電纜、 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。光伏電池板是太陽能光伏 發(fā)電系統(tǒng)屮的基本核心部件，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)成本屮占據(jù)主導(dǎo)地位，不僅 消耗了過多的硅材料，而且制作全過程屮要消耗很多能源。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，并且易于形成批量口動(dòng)化生產(chǎn)，從而大大降低了光伏電池的成本，國際上 已經(jīng)開發(fā)出了電池效率在15%以上

13、、組件效率在10%以上和系統(tǒng)效率在8%以上、 使用壽命超過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。另外，多晶硅光伏電池比單晶硅光伏電池的材料成本低，是世界各國競相開 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)，捉高硅片質(zhì)量，研究連續(xù)和快速的布線工藝，多品硅電池表而織構(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?；衔锾栯姵?如銅鋼傢硒等)正以其轉(zhuǎn)換效率 高、成本低、弱光性好及壽

14、命長等優(yōu)點(diǎn)成為新一代光伏電池的發(fā)展方向。三、各種太陽能電池板原材料的問題及其轉(zhuǎn)化效率以制作光伏電池板的原材料來分，太陽能電池可大致劃分為硅材料太陽能電 池、化合物半導(dǎo)休材料太陽能電池以及有機(jī)材料太陽能電池。表2給出了目前實(shí) 驗(yàn)室中各種太陽能電池最好的轉(zhuǎn)化率情況，表3給出各種太陽能電池模塊的轉(zhuǎn)化效率以及每種材料的特點(diǎn)及問題。表2各類太陽能電池實(shí)驗(yàn)室最好的轉(zhuǎn)化率類型轉(zhuǎn)化效率/%實(shí)驗(yàn)室注釋單晶硅電池24.7±0.5south wales university,australia電池面積4cn?表而接觸支撐單晶硅電池26.8±0.8sunpower, us96次聚光gaas界質(zhì)結(jié)電

15、池40.7±1.7spectrolab聚光太陽能電池多晶硅電池20.3±0.5fraunhofer institute, germany電池面積1,002cm2ingap/gaas （磷化錮傢/神 化鉀）30.28±1.2japan energy company電池面積4cm?非晶硅電池14.5（初始值）±0.712.8（穩(wěn)定值）±0.7ussc, us電池面積0.27cm2銅錮化錫電池19.5±0.6national renewable energy laboratory, us電池而積0.410cm2僦化鎘電池16.5±

16、0.5national renewable energy laboratory, us電池面積1.032cm2多晶硅薄膜電池16.6±0.4stuttgart university, germany電池面積4.017cm2nasi太陽能電池10.1 ±0.2kancka, japan薄膜厚度為0.002mm染敏基光電化學(xué)電池11.0±0.5epfl電池面積0.25cm2非晶硅緒混介型異質(zhì)結(jié)（hit）電池21.5sanyo,japan表3各種材料的轉(zhuǎn)化效率和主要特點(diǎn)代農(nóng)類型太陽能電池模塊的轉(zhuǎn) 換效率/%主要特點(diǎn)和問題現(xiàn)在nedo2030目標(biāo)硅系統(tǒng)塊 體 硅多晶硅13

17、 1722已經(jīng)人批最生產(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、人而積和多層制 造，費(fèi)用低?；衔锇?導(dǎo)體材料單品型（gaas系統(tǒng)）3070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）1318需要鋼資源，要減少鋼的消 費(fèi)、擴(kuò)展錮的代替物，需要提 高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。有機(jī)材料染敏型615有機(jī)薄膜型41 塊體硅材料按結(jié)晶形態(tài)和器件結(jié)構(gòu)分，硅太陽能電池可分為4種類型：塊休、薄膜、單 晶硅和多晶硅，在這些類型當(dāng)中，塊體硅太陽能電池是市場產(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%o太

18、陽能電池硅的純度雖高，但相比用于半導(dǎo)體的硅材料，其純度則要低兒個(gè) 數(shù)量級(jí)。不過，太陽能電池對(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)晶體硅太陽能電池，現(xiàn)行技術(shù)的關(guān)注點(diǎn) 在于削減厚度(從100 減為50 pm)以及減少加工過程中的邊角料損耗。2 薄膜硅材料薄膜硅太陽能電池對(duì)原料需求較小，因此被視為適于未來大規(guī)模生產(chǎn)的低成 本太陽能電池，然而這種電池的光電轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)低于晶休硅太陽能電池，如果是 非晶薄膜，則電池的光電轉(zhuǎn)化效率更低，為7%10%0因此，如果這種太陽能 電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到提升，它很可能是未來的主流技術(shù)。薄膜硅技術(shù)中至少有2種正處于開發(fā)中的技

19、術(shù)路徑，第1種技術(shù)路徑是非晶 硅太陽能電池，其面積成本(areacosts)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，到2020年將達(dá)到2 kmw/年，在這樣 的產(chǎn)量水平下，工藝簡化與高產(chǎn)量將帶來巨大的規(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)有槊在維持菲晶硅薄膜低成本結(jié)構(gòu)的 同時(shí)，將效率提升到可與多晶硅技術(shù)和競爭的水平，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)

20、體有望成為下一代太陽能電池材料，己有相關(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%,但錮(in) h 1十分稀缺;gaas 化合物薄膜中神(as)的大量使用則會(huì)帶來不少環(huán)境問題，因此，目前化合物 半導(dǎo)體材料的太陽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 性等問題的制約。量子點(diǎn)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%,但該領(lǐng)域的研究才剛起步?，F(xiàn)今由場

21、上的太陽能電池模塊有95%以硅為原材料，其屮有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)未來太陽能發(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%, 而模塊成本屮的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能發(fā)展的瓶頸。預(yù)計(jì)未來發(fā)展的方向可能集 屮在以下幾個(gè)方而：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t藝方法：熔融析出法(vapor to liquid deposition, vld)和熔硅捉純法(molten silicon refine

22、ment)。在 vld 法屮， 將三氯氫硅(sihcla)和氫氣(h2) 一起注入1500 °c的石墨管屮，形成硅熔融 沉積，沉積速度比傳統(tǒng)西門子方法快。未來的研究將開發(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)通過擴(kuò)展設(shè)備和引入新的制備工藝來努力捉高生產(chǎn) 能力。3第3代高效光伏電池具有潛在前景。第1代品體硅太陽電池對(duì)材料的需求限制了成本降低的潛力，長期以來人們 一直試圖用薄膜太陽電池取代第1代電池，然而，薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)換效率是要 解決的主要問題，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)用的耍求。目前從材料、工藝與理論研究等方而來看，太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效 率還可以有很大提高，薄膜電池的發(fā)展也還有充足的發(fā)展空間。第3代光伏電池 主要是要解決電池能量的