太陽能電池技術與相關產業(yè)

1、School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center太陽能電池技術與相關產業(yè)太陽能電池技術與相關產業(yè) 機遇、挑戰(zhàn)與風險機遇、挑戰(zhàn)與風險周浪周浪南昌大學南昌大學 材料學院材料學院/ NCU-LDK太陽能研究中心太陽能研究中心2007. 12.04新余 高專School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center世界能源狀況、太陽能利用背景及其獨特優(yōu)勢太陽能發(fā)電與光伏電池技術硅晶太

2、陽能電池技術的主導地位從材料到系統(tǒng)硅晶太陽能電池相關產業(yè)高純硅材料短缺問題與市場反應我國相關政策與產業(yè)狀況School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center世界能源狀況、太陽能利用背景及其獨特優(yōu)勢世界能源狀況、太陽能利用背景及其獨特優(yōu)勢太陽能發(fā)電與光伏電池技術硅晶太陽能電池技術從材料到系統(tǒng)硅晶太陽能電池相關產業(yè)高純硅材料短缺問題與市場反應我國相關政策與產業(yè)狀況School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar En

3、ergy Research Center2001年世界年人均能耗年世界年人均能耗Source: Physics Today 2002School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center世界能源消耗量世界能源消耗量Source: US DOE - International Energy Outlook 2004School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center當前世界能源

4、構成當前世界能源構成Source: US DOE 2001School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center傳統(tǒng)能源面臨的問題傳統(tǒng)能源面臨的問題 有限的一次性能源有限的一次性能源: 石油石油, 煤炭煤炭, 天然氣等；天然氣等；甚至核燃料在地球上也有限甚至核燃料在地球上也有限; 環(huán)境污染環(huán)境污染: * 火力：每火力：每1百萬度電產生百萬度電產生100750噸噸 CO2，7.510噸噸 SO2，35噸噸 NOx * 核電：廢料未解決處理核電：廢料未解決處理School of Mater

5、ials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center布什今年曾向美國公眾發(fā)出警告：廉價的石油使我們多年來過得很舒適，我們已太過依賴于石油了。然而好景不會太長！School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center其實中國的傳統(tǒng)能源儲量更少！其實中國的傳統(tǒng)能源儲量更少！School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Res

6、earch Center地球上的太陽光能源地球上的太陽光能源太陽輻照到地球上的能量功率為太陽輻照到地球上的能量功率為 120000 TW（1 T W 106 MW 1萬億瓦）萬億瓦）2005年世界總發(fā)電功率為年世界總發(fā)電功率為 15 TW 2005年美國年美國總發(fā)電功率總發(fā)電功率為為 3.5 TW2005年中國年中國總發(fā)電功率總發(fā)電功率為為 1.5 TWFrom US DOE 2005舊約 創(chuàng)世記 ： 神說，要有光School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center太陽能主要利用形式

7、太陽能主要利用形式 光-熱轉換（效率50）：熱水器、聚光加熱器 光-熱-電 轉換發(fā)電：太陽熱引擎， 聚光、光熱轉換、和電磁感應發(fā)電技術的結合，可以說是傳統(tǒng)發(fā)電技術的太陽能版。技術復雜，未成主流。 光電轉換發(fā)電：太陽能電池。主流方向！School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center太陽能發(fā)電的潛力太陽能發(fā)電的潛力保守的估算保守的估算面積面積(地球地球%)電池轉化效率電池轉化效率(%) 發(fā)電容量發(fā)電容量(TW)0.16%10% 20相當于相當于20000個個1M kW 的核電站的核電

8、站! 2005年世界能耗總容量為年世界能耗總容量為 15 TW School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center美國的太陽能發(fā)電潛力美國的太陽能發(fā)電潛力400 X 400 km2的面積的面積 + 10%電池效率電池效率 可供全美國用電可供全美國用電Source: US DOE 2005School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center中國的太陽能發(fā)電潛力中國的太陽能發(fā)

9、電潛力300 X 300 km2的面積的面積 + 10%電池效率電池效率 可供全中國用電?？晒┤袊秒?。我國沙漠總面積為我國沙漠總面積為130萬萬km2 沙漠沙漠 +無數(shù)無數(shù)的屋的屋頂頂School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center10的電池轉換效率估計 相當保守。按當前技術水平，1215的估計應是可靠的。太陽的壽命還有億年以上。因此太陽能等于是無窮、永遠的能源！各國在“可再生能源”概念中都將太陽能一并歸入，盡管它與“再生”無關！School of Materials Sci

10、ence & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center世界未來能源結構預測世界未來能源結構預測Source: German Advisory Council on Global ChangeSchool of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center太陽能電池發(fā)電的獨特優(yōu)勢 ！School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research C

11、enter但是為什么我們現(xiàn)在還不能大規(guī)模地但是為什么我們現(xiàn)在還不能大規(guī)模地 享受太陽能？享受太陽能？成本高成本高 為什么太陽能成本高？為什么太陽能成本高？ 有無降低的希望？有無降低的希望？希望在那里？希望在那里？School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center世界能源狀況、太陽能利用背景及其獨特優(yōu)勢太陽能發(fā)電與光伏電池技術太陽能發(fā)電與光伏電池技術硅晶太陽能電池技術的主導地位從材料到系統(tǒng)硅晶太陽能電池相關產業(yè)高純硅材料短缺問題與市場反應我國相關政策與產業(yè)狀況School of Ma

12、terials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center太陽能電池發(fā)電太陽能電池發(fā)電Photovoltaic cell, PV cell,光伏電池,太陽能電池，光伏技術，太陽能發(fā)電技術都是一個意思School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center硅晶片半導體光伏電池基本結構與工作原理硅晶片半導體光伏電池基本結構與工作原理p-型型n-型型內電場內電場School of Materials Scienc

13、e & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center太陽能電池、模塊、組件和陣列太陽能電池、模塊、組件和陣列School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center太陽能發(fā)電系統(tǒng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)家庭用獨立發(fā)電系統(tǒng)示意圖 適合于太陽能的低壓直流家電產品將應運而生蓄電池的使用是太陽能發(fā)電技術綠色形象上的陰影。但現(xiàn)在逆變并網(wǎng)送電技術已經成熟，對大多數(shù)用戶蓄電池可以不要了。School of Materials Science &

14、 Engineering NCU-LDK Solar Energy Research CenterCoca Cola Bottling Plant (LA)PV應用例子1School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center光伏水泵光伏水泵PV應用例子2School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research CenterPV應用例子3屋頂發(fā)電 太陽能屋頂、墻面等建材規(guī)模化生產將會出現(xiàn)Scho

15、ol of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center世界太陽能電池發(fā)電容量與成本的發(fā)展世界太陽能電池發(fā)電容量與成本的發(fā)展近年產量的劇增沒有使成本大幅度降低 ！Source: BP Solar 2006發(fā)電量，峰兆瓦2005年美元價School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center世界能源狀況、太陽能利用背景及其獨特優(yōu)勢太陽能發(fā)電與光伏電池技術硅晶太陽能電池技術的主導地位硅晶太陽能

16、電池技術的主導地位從材料到系統(tǒng)硅晶太陽能電池相關產業(yè)高純硅材料短缺問題與市場反應我國相關政策與產業(yè)狀況School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center光電轉換效率世界最高實驗室記錄進展光電轉換效率世界最高實驗室記錄進展 二十多年來多晶硅電池效率始終比單晶硅低 45（2030相對）!發(fā)展停滯已近十年 ?。▎尉Ч柰?，多晶硅也停） 多晶硅 單晶硅School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Rese

17、arch Center不同光伏電池的轉換效率不同光伏電池的轉換效率 多晶硅 單晶硅School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center不同光伏電池的成本與穩(wěn)定性不同光伏電池的成本與穩(wěn)定性 晶體硅片電池的主角地位晶體硅片電池的主角地位轉換效率高于晶體硅片電池的，極其昂貴，基本只用于不計成本的場合，如太空站。聚光電池策略并不成功。成本低于硅晶電池的，光電轉換效率則低，并且多數(shù)不穩(wěn)定不穩(wěn)定，不能長期使用。 晶體硅片（包括單晶硅與多晶硅）電池總量穩(wěn)占光伏總量的 90以上。我們今天看到的幾乎都

18、是硅片電池。 多方專家共認其主角地位十年無替。School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center不同光伏電池材料和技術所占份不同光伏電池材料和技術所占份額額Source: Strategies Unlimited, 2005多晶硅單晶硅School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center單晶硅 vs 多晶硅成本低、產率高、方片（組件面積利用率高）、外觀美感、對原料要求低設

19、備和控制水平要求較低、國內工藝相對成熟、電池片效率較高School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center單晶硅電池單晶硅電池 vs 多晶硅電池多晶硅電池 來源來源: Strategies Unlimited, 2005多晶硅單晶硅設備技術的進步和成本等方面的顯著優(yōu)勢使多晶硅光伏崛起為主流。盡管眾所周知其光電轉換效率相對低！如從02年以來新增的部分看，多晶硅的比例則高達80 ！School of Materials Science & Engineering NCU-LDK

20、Solar Energy Research Center微晶硅或非晶硅薄膜薄膜電池現(xiàn)在開始有規(guī)模化生產技術（尚德近在上海投資60MW微晶薄膜電池生產線）；銅銦鎵錫薄膜電池僅在美有12家；其它新概念電池（多PN結半導體、染料敏化、有機高分子、納米復合)基本未進入產業(yè)界。School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center硅晶電池為何能穩(wěn)居絕對主流地位？轉換效率較高性能穩(wěn)定（壽命20年）技術成熟成本居中，降低有望。原料豐富（砂子而已）、無毒國內外光伏界一般共識：硅晶（片）電池的主流地位至

21、少還會維持10年。硅晶薄膜電池的份額會上升。School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center世界能源狀況、太陽能利用背景及其獨特優(yōu)勢太陽能發(fā)電與光伏電池技術硅晶太陽能電池技術從材料到系統(tǒng)從材料到系統(tǒng) 硅晶太陽能電池相關產業(yè)硅晶太陽能電池相關產業(yè)高純硅材料短缺問題與市場反應我國相關政策與產業(yè)狀況School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center硅晶太陽能電池的構成硅晶太

22、陽能電池的構成School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center硅晶電池及發(fā)電系統(tǒng)產業(yè)鏈硅晶電池及發(fā)電系統(tǒng)產業(yè)鏈School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center從硅料到硅片：熔融（1500，真空或氬氣環(huán)境） 晶體凝固生長（單晶或多晶） 線切割School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Ener

23、gy Research Center單晶硅（棒）生長技術單晶硅（棒）生長技術A pure silicon seed crystalpulled out slowly as it is rotatedSi ingotCzochralski process School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center單晶硅棒生長設備單晶硅棒生長設備School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research

24、 Center多晶硅生長設備多晶硅生長設備School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center2006年江西LDK開始生產多晶硅錠School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center硅片切割硅片厚度：0.180.24 mmSchool of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research C

25、enter從硅片到電池從硅片到電池School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center關鍵工序關鍵工序1：晶體硅的擴散摻雜晶體硅的擴散摻雜 - pn結制作結制作School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center關鍵工序關鍵工序2：表面腐蝕糙化減反射：表面腐蝕糙化減反射School of Materials Science & Engineering NCU-LDK

26、 Solar Energy Research Center從電池片到模塊組件封裝從電池片到模塊組件封裝主要設備：層壓機School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center回到上游源頭：高純硅原料石英砂、石 高溫碳熱還原冶金級硅 西門子法或其它方法提純純度高于99.99999%的硅太陽能硅片原料過去長期以微電子產業(yè)中的硅廢料為主。School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Cen

27、ter各鏈結技術難度總體評價技術壁壘最高的環(huán)節(jié)為高純硅原料的生產，由于其技術與工藝上的難度，目前基本上被國際上7 大廠商（德、日、美）壟斷。晶體生長與硅片切割環(huán)節(jié)技術難度也較大，依賴進口設備，投資較大。以上為產業(yè)鏈上游相對來說，產業(yè)鏈下游環(huán)節(jié)電池片制造、組件以及系統(tǒng)的封裝部分的技術難度和投資較低。School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center利潤率大概分布因此，與大多數(shù)行業(yè)相反，太陽能電池產業(yè)的利潤是上游大下游?。涸系谝?晶體生長和切片第二 電池半導體工藝第三電池模塊與組件封

28、裝第四難得的一個合乎材料工作者心意的分布！School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center多晶硅與單晶硅單晶硅設備相對簡單，在我國技術成熟，我國有大量多晶硅生產企業(yè)。但產能低，成本高。硅片限為圓形也不理想。多晶硅設備投入大。但生產效率高，材料利用率高，成本低。盡管目前單晶硅電池的轉換效率比多晶硅還高些，多晶硅逐漸占據(jù)主流。School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Cent

29、er上游：2003年5月發(fā)表的單晶硅片生產流程及各級產品累計成本School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center晶體硅電池發(fā)電的成本組成晶體硅電池發(fā)電的成本組成 硅片硅片 (40%) 電池片制作電池片制作 (30%)電路和組件封裝電路和組件封裝 (30%)School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center世界能源狀況、太陽能利用背景及其獨特優(yōu)勢太陽能發(fā)電與光伏電池技術

30、硅晶太陽能電池技術從材料到系統(tǒng)硅晶太陽能電池相關產業(yè)高純硅材料短缺問題與市場反應高純硅材料短缺問題與市場反應我國相關政策與產業(yè)狀況School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center全球光伏產業(yè)的迅速增長2001以前School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center全球光伏產業(yè)的迅速增長20042010高于30的年增長率已持續(xù)10年以上！School of Materia

31、ls Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center原料問題高純硅原料（9N)的生產原為面向微電子產業(yè)，稱電子級多晶硅料太陽能電池用高純硅料純度要求（ 68N)不需電子級。約三年前太陽能電池用硅材料主要是微電子產業(yè)中的廢棄品、頭尾料。三年前開始不夠了！“太陽級硅料”概念及產業(yè)努力隨即而來。但技術難度大，因成本必須大幅度降低。School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center全球光伏硅料的需求全球光伏硅料的

32、需求與硅片減薄的效益與硅片減薄的效益Source: Prog. Photovolt: Res. Appl. 2005School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center市場反應市場反應高純硅原料價格從三年前的高純硅原料價格從三年前的US$20/kg 漲到漲到US$200/kg。據(jù)聞US$300也拿不到?！暗霉枵叩锰煜碌霉枵叩锰煜隆?經濟參考報經濟參考報2006School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Ene

33、rgy Research Center產業(yè)界反應產業(yè)界反應電池模塊與組件市場價格并不隨原材料升高，反有所下降，電池廠商舉步維艱。規(guī)模大的、有長期穩(wěn)定原料供應的廠商可能沒有問題。7大高純硅料廠商繼續(xù)封鎖技術，公布自身擴產計劃 但他們可能并不真正急于擴產！近年的緊缺本來可能就有人為因素！24家國際巨頭宣布進軍高純硅我國只去年才達到年產200噸高純硅，電子業(yè)和太陽能業(yè)90以上硅原料依賴進口。國家對高純硅業(yè)本已十分重視和鼓勵。近3年市場刺激推波助瀾各省市有近40個“多晶硅”項目，其中有近10個基本落實的School of Materials Science & Engineering NCU-

34、LDK Solar Energy Research Center澄清一個概念多晶硅原料多晶硅原料 它有以下不同說法多晶硅片多晶硅片 它有以下不同說法Polycrystalline siliconMulticrystalline silicon多晶硅多晶硅多晶硅材料多晶硅材料高純硅School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center世界能源狀況、太陽能利用背景及其獨特優(yōu)勢太陽能發(fā)電與光伏電池技術硅晶太陽能電池技術從材料到系統(tǒng)硅晶太陽能電池相關產業(yè)高純硅材料短缺問題與市場反應我國相關政策

35、與產業(yè)狀況我國相關政策與產業(yè)狀況School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center太陽能發(fā)電產業(yè)與國家意志和政策世界太陽能光伏產業(yè)和市場今天的蓬勃形勢，完全是德、日、西班亞等幾國政府政策強力拉動所致。它們推行國家意志的力度超過“計劃經濟”。當前和未來更強勢的發(fā)展，很大程度上由于國內和國外企業(yè)和投資商均看好我國！2006年1月1日“可再生能源法”出臺，隨后陸續(xù)出臺了配套實施細則“可再生能源發(fā)展專項資金管理辦法”近期出臺（預計每年中央財政出資數(shù)十億，其中包括支持無電地區(qū)光伏電力建設）S

36、chool of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center我國與光伏產業(yè)和市場相關的政策根據(jù)“可再生能源法”和實施細則規(guī)定，并網(wǎng)光伏發(fā)電的上網(wǎng)電價由政府審核確定，電網(wǎng)必須按照核定價格全部收購光伏發(fā)電所生產的全部電量。價格高出燃煤火電的部分，由全國電力用戶分攤。 核心：光伏電價政策至今沒有啟動，國內市場發(fā)展緩慢。各方呼喚推動，會有推進。一些地區(qū)如上海、保定有積極的地方政策，大部分地區(qū)尚沒有。School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center“兩頭在外兩頭在外”的產業(yè)格局的產業(yè)格局迄今為止，由于政策法規(guī)尚未到位，國內市場很微小，我國光伏產業(yè)的市場主要是在國外。而高純硅原料規(guī)模化生產能力和技術的缺乏，使國內光伏