太阳能光伏技术的突破与应用

基于太阳电池的光伏技术是最具发展前景的发电方式之一。与核能、水电、风电、生物质等清洁能源相比，光伏发电具有安全、环境友好、易于安装、适宜与建筑结合、使用寿命长等多种优势。随着技术不断进步与成本进一步降低，光伏发电将会从补充能源到替代能源以至主导能源的逐步转变。光伏发电不仅改变人类的能源利用方式，更重要的是改变人类的生活与生产方式，实现人类与自然的和谐、健康发展，并且将提升传统产业和带动众多相关产业发展，像IT行业一样，光伏技术将会带动人类物质文明和精神文明的又一次腾飞。

光伏产业主要包括光伏材料、光伏电池与组件、光伏逆变器、光伏系统集成技术等。核心器件主要是太阳电池也称光伏电池，目前商业化的太阳电池主要是晶体硅太阳电池与薄膜太阳电池两大类。

晶体硅太阳电池是以硅片为基片通过半导体工艺加工而成，主要包括单晶硅电池与多晶硅电池［22］。从生产与市场来看，晶体硅电池一直占主导地位（从2000年以来，市场份额一直超过80%），预计晶体硅太阳电池作为光伏产业的发展主流产品仍将持续很长时间。

尽管美国第一太阳能公司的碲化镉（CdTe）太阳电池获得巨大成功，但总体来看，薄膜太阳电池仍在研发阶段。CdTe电池作为太阳电池的一个产品将会继续发展，但是由于涉及稀有元素并且还有严重的环境问题，这类电池不可能成为光伏发电的主流产品。铜铟镓硒（CIGS）太阳电池也有独特用途，性能稳定，可以做成柔性电池，在军事上、航空等有重要应用价值，同样由于涉及稀有元素，CIGS电池不可能是大规模发电的主流产品。非晶硅太阳电池的主要问题仍然是效率低、稳定性差。因此，至今为止，薄膜太阳电池还无法与晶体硅太阳电池抗衡。直到如今，所谓的“第三代太阳电池”，还是处于理论和实验室初级研究阶段，在世界范围内还没有成熟的产品出现。

毋庸置疑，晶体硅电池在未来10年甚至更长时间都将是规模发电的首选产品。近期具有发展前景的除了各种不同结构的高效晶体硅电池以外，还有作为晶体硅电池工艺与薄膜电池工艺结合的经典范例——单晶硅／非晶硅异质结太阳电池（即HIT）［26］。从材料的丰富性、环保性和工艺发展来看，未来比较看好的是硅薄膜太阳电池，预计纳米材料、量子点等先进技术将得到大量的应用［70］。

晶体硅太阳电池主要以效率高、性能稳定为主要特点，由于多晶硅材料的价格不断降低，晶体硅电池与组件的价格也不断下降，到今年来看，各类薄膜电池已经没有价格优势，因此，未来晶体硅电池的主导市场地位还会不断得到加强。

图1．12　2010—2011年世界前20太阳电池企业实际产量与排名

数据来源：Photon 4／2012

从2005年以来，我国晶体硅电池发展突飞猛进，近几年来世界60%以上晶体硅电池都产自我国，预计我国作为晶体硅电池第一大国地位在未来不会改变。从公布的2011年世界前21家太阳电池企业来看，一半以上的企业都是中国企业，如图1．12所示。21家企业中的大多数产品就是晶体硅电池，大多企业的主要生产基地是在中国大陆与台湾，这里简单说明如下：

（1）Suntech，无锡尚德，2001年成立，主要产品是晶体硅电池与组件，在美国上市。

（2）First Solar，美国公司，主要产品是CdTe薄膜电池，产能在2GWp以上，是第一大薄膜电池企业。

（3）JA Solar，河北晶澳，产品为晶体硅太阳电池与组件，在美国上市。

（4）Yingli Green Energy，河北英利集团，产品为晶体硅电池与组件，在美国上市。

（5）Trina Solar，常州天合，产品为晶体硅电池与组件，在美国上市。

（6）Motech，台湾茂迪，产品为晶体硅电池，是最早成为世界十强的中国企业。

（7）Canadian Solar，苏州阿特斯，产品为晶体硅电池与组件，在美国上市。

（8）Hareon Solar，江阴海润，产品为晶体硅电池与组件，在国内上市。

（9）Sunpower，美国公司，效率超过20%晶体硅电池，在菲律宾设生产工厂。

（10）Gintech，台湾大阳，产品为晶体硅电池。

（11）Hamwha Solar One，韩国韩华公司（原林洋新能源），产品晶体硅电池与组件，在美国上市。

（12）Neo Solar Power，台湾企业。

（13）Q－Cells，德国公司，产品为晶体硅电池与组件，已经宣布破产，后被韩华新能源收购。

（14）Jinko Solar，浙江晶科，产品为晶体硅电池与组件。

（15）REC，挪威公司，晶体硅电池，在新加坡设厂，在挪威的太阳电池工厂已经关闭。

（16）Sharp，日本公司，产品为晶体硅电池、硅薄膜电池，曾经是世界最大太阳电池企业。

（17）LDK Solar，江西赛维LDK，产品为硅片与多晶硅。

（18）Kyocera，日本企业，产品为晶体硅电池，曾经是世界第二大太阳电池企业。

（19）Eging，常州亿晶，产品为晶体硅电池。

（20）Solarworld，德国公司，产品为硅片晶体硅电池与组件。

（21）Solar Frontier，日本公司，产品为CIGS薄膜电池，是第二大薄膜电池企业。

排名最后两家企业是并列第二十名。历史上有多个著名的光伏企业如BP Solar，Shell Solar，Isofoton，Sanyo Solar等公司，要么早就退出光伏产业，要么产量太低，被许多新企业赶超。自从光伏产业出现以来，光伏产业发展不仅受到技术发展制约，而且同时也受到国家政策、经济形势及市场等严重影响。因此，多年来世界光伏产业时起时伏，企业变化频繁，不断发生破产、重组与调整，所以，企业排名还会不断地变化。

2012世界十大太阳电池企业中有五家是我国企业，其中排在第十位的韩国的韩华新能源公司，其前身是我国江苏一家民营光伏企业（林洋新能源），后被韩国公司收购，但该企业的生产基地仍在我国江苏启东（见表1．2）。当然，尽管我国已经是晶体硅电池生产大国，但还不是强国，主要是有些关键材料、关键装备与关键工艺还严重依赖国外。此外，日本、美国都有企业可以大规模化生产效率达20%以上的太阳电池，至今我国还没有一家企业能够做到。

表1．2　2012全球十大光伏供应商

商业化的薄膜太阳电池主要是非晶硅（a－Si）、碲化镉（CdTe）和铜铟镓硒（CIGS）三种类型。这三类太阳电池都是从20世纪70年代开始研发的，都有20～30年以上的发展历程，至今为止，这类太阳电池仍在继续发展。事实上，不管效率、价格如何，每种太阳电池各有各的特点，都有自己发展空间与市场。薄膜太阳电池在国际上和我国也一直受到极大的关注，前几年许多企业对此寄予厚望，甚至不惜投入巨资，但最终大多数企业没有取得成功。但这些尝试与努力是有意义的，这期间的发展过程非常值得回顾与分析。

最早实现商业化生产就是a－Si薄膜电池，主要用于消费性商品，如计算器、手表及玩具等。早期主要是美国EPV公司推出的小型生产线，后来由匈牙利一家公司继续发展。近些年一些国际知名生产装备企业力推大面积（1m2以上）、规模化（单线25MWp以上）和叠层结构（非晶硅—微晶硅）生产技术，如美国应用材料公司（AM）、瑞士欧瑞康（Oerlikon）、日本（Ulvac），但由于设备成本昂贵和技术还不够成熟，至今为止，还没有获得像晶体硅电池那样的大规模生产。以上国外企业的这些技术在我国都有引进，如廊坊新奥太阳能进口1条AM生产线，由于市场认可度有问题，一直没有达到量产；尚德引进1条AM生产线，但几乎没有使用，就宣布该薄膜项目终止，主要是考虑成本与电池效率低等问题；赛维LDK在南昌引进2条AM线，也没有达到量产；瑞士Oerlikon先后提供给保定天威薄膜公司和杭州正泰公司各1条生产线，但天威集团后来又在成都成立天威新能源公司，开始生产晶体硅电池。正泰的产业发展重点也是晶体硅电池；日本Ulvac先后卖给深圳杜邦太阳能公司两条线（50MWp），卖给杭州天裕公司1条线（25MWp），这是目前为数不多的利用进口生产线还在坚持生产的薄膜电池企业，但是产品受到晶体硅电池的强大挤压。国内最早从事a－Si薄膜电池生产的有哈尔滨克罗拉、深圳拓日新能源（也较早地从事晶体硅电池生产）、深圳创益、深圳日月环、天津津能、威海蓝星等。后来发展的有南通强生、蚌埠普乐、泉州金太阳、东莞宏威数码、河源汉能等，其中东莞宏威数码、威海蓝星等除了生产薄膜电池以外，也还可以提供生产装备。但是由于受到晶体硅电池井喷式发展的冲击，以上这些薄膜电池生产公司，由于设备成本居高不下和电池效率不高等原因，还没有像众多晶体硅电池企业那样得到很大的发展。

其次是CdTe薄膜电池，目前真正实现大规模生产的只有美国第一太阳能（First Solar）公司。而最早实现CdTe电池产业化的德国Antech和BP Solar先后从产业退出，主要是由于技术不够成熟。First Solar是光伏产业的一匹黑马，后来居上，产能超过2GWp，在薄膜电池是一家独大，至今没有企业可以与之比肩。但是由于涉及稀有元素和有毒元素，这种电池不可能主导市场。正是由于First Solar这家公司的成功，我国在2008年后开始了薄膜电池发展高潮，但最终没有达到预期的效果。

最后是CIGS薄膜电池，从2010年开始，国内薄膜电池发展风向又开始转向CIGS，但至今没有企业实现量产。事实上，最早实现CIGS产业化的是英国Shell Solar和德国Würth Solar，后来Shell全部退出太阳电池产业。Würth Solar还在继续发展，但是规模不大且发展速度很慢。2011年美国主要生产CIGS薄膜电池组件的Solyndra公司（总部位于费里蒙特）由于资不抵债，在2011年8月宣布破产，之前奥巴马总统曾经参观过该公司，美国政府曾给予该公司大力的财政支持。尽管如此，还是有企业不断地将资金投入CIGS的研发，如美国MiaSole加快产业化进程，实现了14～15%的转换效率。此外还有Solar Frontier，Nanosolar（印刷技术），SoloPower，Avancis，德国Q－Cells Solibro（2010年在德国已经成功安装20MWp电站，当时世界最大CIGS电站），另外还有台湾TSMC Solar，Stion等公司也在发展。在日本主要是壳牌昭和，Honda等公司在发展CIGS。但以上多数公司还是处在研发阶段，少数实现数十到几百MWp生产规模。2010年CIGS实际产量在0．5GWp之内，2012年实现了2GWp的产量。

图1．13给出了1999—2011年世界各种太阳电池所在的份额比例。在1999年非晶硅电池占12%，以后逐年下降，到2004维持在4%。从1998年多晶硅电池超过单晶硅，至今为止保持第一位，从2001年开始，占着太阳电池的半壁江山。

晶体硅电池在未来10年内将仍然保持主流市场地位，不会低于70%市场份额。晶体硅太阳电池技术也在不断地发展，材料科学、薄膜技术、纳米技术及新型装备对现有晶体硅电池技术发展具有重要促进作用。目前大多数企业除了继续降低生产成本之外，主攻发展目标就是力争量产的晶体硅电池的转换效率超过20%。晶体硅太阳电池的最高转换效率有望达到25%以上，如果光谱转换材料与技术有突破，效率超过30%也是有可能的！

商业化的薄膜太阳电池主要还是以非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒三种类型为主，薄膜电池的柔性化、轻型化、便携性将是发展趋势。薄膜电池不仅主要在军事、航空等领域有独特应用，而且在民用市场（建筑、旅游、生活用品等）也有很广阔的需求。如果技术能够突破，晶体硅薄膜电池、染料敏化、有机材料太阳电池也会有一个很小的市场份额，具有很高转换效率的新型太阳电池（量子点、光谱转换等）有望在光伏市场得到初步亮相。

总体来看，太阳电池的生产链较长，从原材料、器件制造及系统技术涉及重化工、材料制备、机械加工、半导体工艺、电力电子等多种技术与工业门类。生产成本的降低将有助于促进光伏技术的规模化应用。多晶硅材料目前的售价已经从2007年的300美元／公斤降到目前20美元／公斤，预计此后2—3年成本还会进一步降低。非晶硅、碲化镉薄膜太阳电池组件的成本目前已经在0．6美元以下。目前晶体硅电池加工的生产成本已经降到20美分以下，组件加工成本也在20美分以下。晶体硅太阳电池组件售价也已经在0．6美元左右。随着效率进一步提高以及技术不断改进，生产成本仍然有一定的下降空间。

图1．13　1999—2011各类太阳电池所占比例（%）

数据来源：Photon 4／2012

光伏发电的另一核心器件——光伏逆变器的技术也在不断进步。2008年之前主要是国外企业的技术占绝对优势，如德国SMA等。经过4—5年的努力，我国以合肥阳光、南京冠亚等为代表的企业也迅速发展起了。此外，国外企业也在我国设厂，如美国艾默生、德国AEG、丹麦Danfoss等分别在深圳、北京及浙江海盐等地设厂生产光伏逆变器，引起了逆变器产业在我国的大发展，同时也带来的激烈的价格竞争，光伏逆变器的售价从2006年的每瓦3～4元降到如今的0．6元／瓦左右甚至更低。

由于世界经济整体不佳，特别是美国金融危机和欧盟债务危机的影响，世界光伏产业受到极大影响。我国光伏市场一直没有放开，长期以来主要依赖国际市场，特别是欧洲、美国市场。目前光伏产业在重新整合，目前我国大多企业还没有走出亏本的状况，预计这种状况还要持续一段时间。总体来看，没有创新能力的公司将面临生存危机。预计近期将出现两种情况，一是一些企业破产被关闭，一是另一些企业通过兼并、重组，将会得到更大发展。总的结果是光伏产品成本降低与技术提高，这标志大规模光伏应用时代的到来。

随着技术发展，光伏系统的价格也在不断下降。Photon给出了2004—2012年光伏发电系统价格降低走势（见图1．14）。随着光伏产品的价格迅速下降，光伏系统价格从2004年每千瓦5万元骤降降到2012年1万甚至更低。光伏发电运营电价已经从每度电2～3元降到1元以下（不包括税收、管理、维护以及电网分摊费等）。我国目前煤电上网电价0．32元，水电不足0．10元，核电0．20元，光伏发电与此相比还有一定的距离，预计2020年之前，光伏发电在我国可以实现跟煤电具有相竞争性的平价上网。

图1．14　2004—2012年光伏发电系统价格降低走势

数据来源：Photon 4／2012

我国有关部门对太阳能资源的年总量与分布有一个较粗分级，大体上分为五类地区。事实上评价太阳能利用价值，要看两个方面，一是太阳能资源；二是空气洁净度。从太阳辐射总量来说，南方地区不如北方大部分地区，原因是雨水多。但这恰恰又是优势所在，因为雨水多，太阳电池组件可以经常被冲刷，阳光就可以被更好地吸收利用。我国北方地区尽管阳光充沛，但雨水少，尘土多，太阳电池组件的玻璃表面不能保持清洁，严重影响阳光吸收。因此，对于光伏技术推广而言，空气洁净度也是一个重要的条件。

经过多年实验，我们得出1kWp晶体硅电池每年在广州稳定产出1100kWh电力，而阳光资源比广州好得多的北方有些地区却很难达到这样的效果。所以，评估一个地区的太阳能利用价值，必须要看当地的两个技术指标：一是太阳辐射全年总量（辐射总量、日照时间）；二是要看空气的洁净度（雨水、降雪、沙尘、阴霾频度以及周围空气质量）。1GWp光伏系统在广东至少可发10亿kWh电能。按照煤电1kWh需要280g煤炭，排放700g CO2，光伏发电可以在广东节能减排方面产生巨大的经济效益与社会效益。

根据我国具体实际，光伏可以在两种方式同步发展：一是大型光伏屋顶电站。主要是我国东部沿海与内陆地区发展，主要是经济发达，厂房等屋顶是很好的利用场所，不占用土地，而且发电可以就地消耗；二是大型地面光伏电站。主要市场在我国西部，沙漠等不适合耕种的土地可以得到利用。从发电灵活性来看，光伏发电可大可小，形式多样，完全可以应用到每个屋顶、每个家庭，甚至每个人，主要应用范围是：

（1）首先是光伏技术与建筑结合，如利用厂房、公共建筑、高端住宅的屋顶与幕墙面积铺设光伏电池，就可实现实现建筑用电的部分自给。

（2）光伏电池可安装于汽车、船舶之上，因而可利用太阳电池实现充电作为动力电源或为有关电器提供电力。

（3）光伏电池更适合与利用直流电的家用电器结合、为照明（LED）、冰箱、电视、洗衣机甚至空调等提供电力，太阳电池很有可能在不久的将来作为主要的直流供电方式为千家万户直接提供家庭用电（直流家电模式）。

（4）光伏电池可直接为人们出行的随身生活用品、如手机、健康仪器、电动玩具以及旅游用品提供电力。

据有关报道，德国2012年光电占6%，晴天中午时分可以达到20%以上。这是一个令人兴奋的信号，说明光伏发电完全可以作为规模化的能源，就像核电、甚至煤电一样起到重要能源供应作用。我国主要还是以煤电为主，占70%以上。而德国煤电、油电、气电各占三分之一，特别是气电反应速度快，应对新能源如风电、光电的间歇性与不稳定，可迅速通过电网调节，而我国煤电应变能力较弱。但是，目前我国光伏发电所占比例极小，不会对现有电网有影响。当然，除了政策上大力支持可再生能源发展以外，还应大力推进我国电网技术升级改造，特别是智能电网、微电网建设，这对我国可再生能源技术的发展无疑是非常重要的。

我国已经是光伏产业大国，从现在起要重点转向大力推广应用，我国可以在光伏应用上后来居上，发展我国特色的可再生能源推进模式，为世界经济可持续发展做出表率。在我国可提出比较实际的光伏发电发展路线图：如在2015年，光伏电力达到全国电能消耗的1%～2%发电份额，仍然仅仅起到补充能源的作用；在2020年：达到3%～5%，作为替代能源；在2030年：达到10%～20%，作为主要能源之一；在2050年：达到30%～50%，从而可望成为最主要发电方式。

目前，我国政府推出了一系列激励可再生能源发展的政策和措施，将在“十二五”时期大幅度提高风力发电和太阳能发电的发展比例，计划到2015年，光伏发电装机容量仅分布式就超过10GWp，计划在这个五年计划内光伏装机总量达35 GWp。我国光伏发电大规模应用的时代已经到来，我国会继续在国际光伏技术与产业的发展过程中发挥越来越重要的作用。

本章的编写得到研究生周吉祥、刘斌辉、李力等大力协助，在此表示感谢。

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