世界光伏发电产业的现状及原材料的发展趋势-solarbe文库

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３４新材料产业ＮＯ．１１２００８世界光伏发电产业的现状及原材料的发展趋势◇朱相丽中国科学院国家科学图书馆随着社会经济的迅速发展和人口的不断增加，以石油、天然气、煤等为主的化石能源日益枯竭。根据世界能源机构分析数据，世界石油、天然气、煤、铀的剩余可开采年限仅为４５年、６１年、２３０年和７１年，图１给出了世界与我国常规能源的预测［１］。与此同时，化石能源造成的环境污染和生态失衡制约了世界经济的可持续发展，世界对能源的需求有增无减，能源资源已经成为重要的战略物质。太阳能资源是最丰富的可再生资源之一，光伏发电是直接应用太阳能的一种形式。据计算，太阳在１ｓ内发出的能量就相当于１．３亿ｔ标准煤燃烧时所放出的热量，而到达地球表面的太阳能大约相当于目前全世界所有发电能力总和的２０万倍。与其他能源相比，太阳能有许多优点，如安全可靠、无噪声、无污染、无需消耗燃料、可以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是常规能源无法比拟的；因此，以太阳能为代表的可再生能源成为当代新能源开发的重要方向之一。世界２２５０年２２００年２１５０年２１００年２０５０年２０００年无穷大世界中国太阳能石油天然气煤铀约４５年约１５年约６１年约３０年２１６年１０５年约７１年约５０年图１世界和中国主要常规能源储量预测各国竞相出台发展太阳能的扶持政策、法令、法规和路线图，光伏发电系统正在全球范围内逐步得到应用。一、国外光伏产业及技术发展的现状１．世界太阳能电池的产量增加迅速随着光伏技术的进步，世界光伏产量有了很大的提高，２０世纪９０年代的年平均增长率达到２０％，从１９９１年的５５ＭＷ增长到２０００年的２８７ＭＷ；２００１年以来，光伏电池产量快速增长，光伏组件的年平均增长率更是高达３０％以上。２００５年世界太阳电池产量达到１６５６ＭＷ，比２００４年增加了３８％；日本光伏电池产量再次领先增ｎｓｉｇｈｔ透视Ｉ３５ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＩｎｄｕｓｔｒｙ长到７６２ＭＷ，增长率为２７％；欧洲产量增加４８％，达到４６４ＭＷ；美国增加１２％，达到１５６ＭＷ；世界其他地区增加９６％，达到２７４ＭＷ［２］。根据欧洲可再生能源委员会可再生能源状况２０４０（ＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＳｃｅｎａｒｉｏｔｏ２０４０）报告，太阳能占世界总发电量的比例在２０１０年将达到０．１％，２０２０年达到１．１％，２０３０年将达到８．３％［３］。日本新能源产业技术开发机构（ＮＥＤＯ）对太阳能组件的未来预测以及从费用角度绘制的路线图如图２所示，根据日本估计，到２０３０年，太阳能电池的发电量将达到１００ＧＷ。２．德、日、美依然是世界上三个最主要的光伏应用市场，中国异军突起产量跃居世界前列图３给出了全球太阳能电池的产量变化情况，图４给出了２００７年各国太阳能电池产量情况，从图４可以看出，随着全球太阳能电池产量的逐年快速增加，２００７年中国太阳能电池产量占了全球的２９％，跃居世界第一位，一举超过了日本在此领域的霸主地位；日本的产量占了总量的２２％，其次是德国占了总发电量的２０％。在太阳能电池的应用方面，自１９９８－２００７年，太阳能电池安装的平均增长率超过了３５％，２００７年全球安装太阳电池量达到了９２００ＭＷ，其中前５名的国家分别是德国安装了３８００ＭＷ，占世界总安装量的４１．３％；日本安装了１９３８ＭＷ，占世界总安装量的２１％；美国安装量为８１４ＭＷ，占世界总安装量的８．９％；西班牙安装了６３２ＭＷ，占世界总安装量的６．９％；意大利安装量为１００ＭＷ，占世界总安装量的１％，世界其它地区安装了１９１６ＭＷ，占总安装量的２０．８％。由此可见，德、日、美依然是世界上的光伏主要应用市场。目标模块费用／ｙｅｎ／Ｗ目标能源费用／ｙｅｎ／ｋＷｈ产量／ＧＷ太阳能产量份额（对数刻度／％）图２世界太阳能组件的未来预测以及从费用角度绘制的太阳能发电路线图注图中ｙｅｎ为日元图４２００７年各国太阳能电池产量所占全球产量的份额时间／年低费用原料技术大面积薄膜技术高转化技术完成目标产量基本技术超薄薄膜／多结技术新材料（染料等）技术新结构技术３６新材料产业ＮＯ．１１２００８３．晶体硅电池占市场的绝对主流２００６年市场上的太阳能电池模块有９０％以硅为原材料，其中有５０％为多晶硅、３８％为单晶硅、其它形式的硅仅占２％，预计这一现状还将持续一段时间，表１给出了２００１－２００６年各类太阳能电池产量的市场份额［５］。就目前来看，晶体硅光伏电池拥有最低的成本，并已拥有最高的可靠性，其研发重点是降低成本。主要通过以下几种途径来降低成本（１）降低原材料成本，特别是硅衬底；（２）提高转化效率；（３）改进制造工艺，提高生产能力；（４）提高可靠性（减少晶圆破损）。４．并网光伏发电及光伏建筑一体化（ＢＩＰＶ）前景广阔目前，以光伏建筑一体化（ＢＩＰＶ）为核心的光伏屋顶并网发电应用占据了绝对的光伏市场份额，尤其日本和德国近几年的光伏年度安装几乎全部是光伏屋顶并网应用。光伏建筑一体化具有诸多优点，如建筑物能为光伏系统提供足够的面积，不需另占土地；能省去光伏系统的支撑结构和输电费用；光伏阵列可代替常规建筑材料，节省材料费用；安装与建筑施工结合，节省安装成本等，因而具有广阔的应用前景。５．各国纷纷制定光伏发电的路线图，对光伏产业进行规划和指导日本ＮＥＤＯ在２００４年６月发表的“ 面向２０３０光伏路线图的概述 ”单晶硅多晶硅带硅／片硅非晶硅锑化镉铜铟化锡２００１３４．６５０．２５．６８．９０．５０．２２００２３６．４５１．６４．６６．４０．７０．２２００３３２．２５７．２４．４４．５１．１０．６２００４３６．２５４．７３．３４．４１．１０．４２００５３８．３５２．３２．９４．７１．６０．２２００６３８．０５２．０３．０４．０２．７０．３表１２００１－２００６年各类太阳能电池产量的市场份额％（ＯｖｅｒｖｉｅｗｏｆＰＶＲｏａｄｍａｐＴｏ－ｗａｒｄ２０３０）中提出到２０１０年日本国内累计安装太阳电池组件容量将为４８２ＧＷ；到２０３０年累计安装太阳电池组件容量要达到１０００ＧＷ，届时日本所有住宅所消费的电力中将有５０％是太阳能光伏发电提供的。通过大规模应用和技术进步，使太阳电池组件的价格从２００３年的２５０日元／Ｗ逐年下降，到２０１０年降为１００日元／Ｗ，２０２０年降到７５日元／Ｗ，到２０３０年要小于５０日元／Ｗ。目前硅材料的消耗是１０～１３ｇ／Ｗ，到２０３０年要达到１ｇ／Ｗ；逆变器目前的价格是３万日元／ｋＷ，到２０２０年要降到１．５万日元／ｋＷ；蓄电池价格要从目前的４０日元／Ｗｈ降到２０２０年的１０日元／Ｗｈ。这样，太阳能光伏发电的成本也可以逐渐下降，预计２０１０年太阳能发电的电价约为２３日元／ｋＷｈ，到２０２０年降为１４日元／ｋＷｈ，２０３０年可进一步降到７日元／ｋＷｈ。２００４年３月，欧盟联合研究中心发表了名为 “欧洲光伏研发路线图”（ＰＶＮＥＴＥｕｒｏｐｅａｎＲｏａｄｍａｐｆｏｒＰＶＲ＆ＤＥＵＲ２１０８７ＥＮ）的研究报告，指出大约在２０３０年太阳能发电将发挥显著的作用，２０５０年将约占能源供应总量的２４％，到２１世纪末将占全球总能源供应的统治地位。在１９９９年以前，美国的太阳能光伏发电研究和开发一直处于世界领先地位，后来由于种种原因，太阳电池组件的产量落到了日本和欧洲的后面。美国在２００４年９月发表了 “我们太阳电力的未来２０３０及更久远的美国光伏工业路线图” （ＯｕｒＳｏｌａｒＰｏｗｅｒＦｕｔｕｒｅＴｈｅＵ．Ｓ．ＰＶＩｎｄｕｓｔｒｙＲｏａｄｍａｐＴｈｒｏｕｇｈ２０３０ａｎｄＢｅｙｏｎｄ），对此进行了分析，提出要恢复美国在光伏市场的领导地位，为此要采取税收优惠、提高上网电价、增加政府及当地投入、在２０１０年以前每年投入２．５亿美元用于研发等措施，并提出以下目标在２０２５年新增加发电容量的一半由太阳能发电提供［６］。二、世界光伏发电技术研究热点光伏发电系统是由光伏电池板、控制器和电能储存及变换环节构成的发电与电能变换系统。太阳光辐射能量经由光伏电池板直接转换为电能，并通过电缆、控制器、储能等环节予以储存和转换，提供负载使用。光伏电池板是太阳能光伏发电系统中的基本核心部件，它的大规模应用需要解决２大难题一是提高光电转换效率；二是降低生产成本。目前太阳能电池的发展已经历了３代。第１代光伏电池以硅片为基础，虽然其技术已经发展成熟，但高昂的材料成本在全部生产成本中占据主导地位，不仅消耗了过多的硅材料，而且制作全过程中要消耗很多能源。第２代光伏电池基于薄膜技术，将很薄的光电材料铺在非硅材料的衬底上，大大减少了半导体材料的消耗，并且易于形成批量自动化生产，从而大大降低了光伏电池的成本，国际上已经开发出了电池效率在１５％以上、组件效率在１０％以上和系统效率在８％以上、使用寿命超过１５年的薄膜电池工业化生产ｎｓｉｇｈｔ透视Ｉ３７ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＩｎｄｕｓｔｒｙ技术。第３代高转换效率的薄膜光伏电池通过减少非光能耗，增加光子有效利用以及减少光伏电池内阻，使光伏转换效率的上限有望获得新的提升［７］。另外，多晶硅光伏电池比单晶硅光伏电池的材料成本低，是世界各国竞相开发的重点，目前它的研究热点包括开发多晶硅生产技术，开发快速掺杂和表面处理技术，提高硅片质量，研究连续和快速的布线工艺，多晶硅电池表面织构化技术和薄片化，开发高效率电池工艺技术等。非晶硅电池仍处在发展之中，每年的新增产量在１０ＭＷ以上。化合物太阳电池（如铜铟镓硒等）正以其转换效率高、成本低、弱光性好及寿命长等优点成为新一代光伏电池的发展方向。三、各种太阳能电池板原材料的问题及其转化效率以制作光伏电池板的原材料来分，太阳能电池可大致划分为硅材料类型单晶硅电池表面接触支撑单晶硅电池ＧａＡｓ异质结电池多晶硅电池ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ（磷化铟镓／砷化钾）电池非晶硅电池铜铟化锡电池锑化镉电池多晶硅薄膜电池Ｎａ－Ｓｉ太阳能电池染敏基光电化学电池非晶硅锗混合型异质结（ＨＩＴ）电池转化效率／％２４．７±０．５２６．８±０．８４０．７±１．７２０．３±０．５３０．２８±１．２１４．５（初始值）±０．７１２．８（稳定值）±０．７１９．５±０．６１６．５±０．５１６．６±０．４１０．１±０．２１１．０±０．５２１．５实验室ＳｏｕｔｈＷａｌｅｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＡｕｓｔｒａｌｉａＳｕｎＰｏｗｅｒ，ＵＳＳｐｅｃｔｒｏｌａｂＦｒａｕｎｈｏｆｅｒＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＧｅｒｍａｎｙＪａｐａｎＥｎｅｒｇｙＣｏｍｐａｎｙＵＳＳＣ，ＵＳＮａｔｉｏｎａｌＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＵＳＮａｔｉｏｎａｌＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＵＳＳｔｕｔｔｇａｒｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＧｅｒｍａｎｙＫａｎｅｋａ，ＪａｐａｎＥＰＦＬＳａｎｙｏ，Ｊａｐａｎ注释电池面积４ｃｍ２９６次聚光聚光太阳能电池电池面积１．００２ｃｍ２电池面积４ｃｍ２电池面积０．２７ｃｍ２电池面积０．４１０ｃｍ２电池面积１．０３２ｃｍ２电池面积４．０１７ｃｍ２薄膜厚度为０．００２ｍｍ电池面积０．２５ｃｍ２表２各类太阳能电池实验室最好的转化率［８］太阳能电池、化合物半导体材料太阳能电池以及有机材料太阳能电池。表２给出了目前实验室中各种太阳能电池最好的转化率情况，表３给出各种太阳能电池模块的转化效率以及每种材料的特点及问题。１．块体硅材料按结晶形态和器件结构分，硅太阳能电池可分为４种类型块体、薄膜、单晶硅和多晶硅，在这些类型当中，块体硅太阳能电池是市场产品的代表类型硅系统化合物半导体材料有机材料多晶硅单晶硅硅棒薄膜类型（非晶硅，晶体硅）单晶型（ＧａＡｓ系统）多晶型（ＣＩＧＳ，ＣｄＴｅ）染敏型有机薄膜型现在１３～１７１６～１８１６７～１２３０～４０１３６４ＮＥＤＯ２０３０年目标２２１８１５主要特点和问题已经大批量生产转化率高不需要切片适用于低温、大面积和多层制造，费用低。转化率高，但是费用高，含环境污染物质。需要铟资源，要减少铟的消费、扩展铟的代替物，需要提高系统的稳定性。块体硅表３各种材料的转化效率和主要特点［２］太阳能电池模块的转换效率／％３８新材料产业ＮＯ．１１２００８主流，这种情形还将持续一段时间。单晶硅的光电转换效率为１６％～１８％，多晶硅为１３％～１７％。太阳能电池硅的纯度虽高，但相比用于半导体的硅材料，其纯度则要低几个数量级。不过，太阳能电池对硅材料的需求相当庞大，因此低成本原料的制造开发已经引起了人们的关注；特别地，针对晶体硅太阳能电池，现行技术的关注点在于削减厚度（从１００ μｍ减为５０ μｍ）以及减少加工过程中的边角料损耗。２．薄膜硅材料薄膜硅太阳能电池对原料需求较小，因此被视为适于未来大规模生产的低成本太阳能电池，然而这种电池的光电转换效率远低于晶体硅太阳能电池，如果是非晶薄膜，则电池的光电转化效率更低，为７％～１０％。因此，如果这种太阳能电池的光电转换效率得到提升，它很可能是未来的主流技术。薄膜硅技术中至少有２种正处于开发中的技术路径，第１种技术路径是非晶硅太阳能电池，其面积成本（ａｒｅａ－ｃｏｓｔｓ）显著降低，同时效率也有适度提升；如果非晶硅的产量继续按目前的速度增长，到２０２０年将达到２ｋＭＷ／ａ，在这样的产量水平下，工艺简化与高产量将带来巨大的规模经济。第２种高风险、高收益技术路径是在玻璃、玻璃－陶瓷、冶金硅或不锈钢等可候选的、低成本的衬底上制作晶体硅薄膜。晶体硅的这种替代技术有望在维持非晶硅薄膜低成本结构的同时，将效率提升到可与多晶硅技术相竞争的水平，需要进一步研究活性材料的高沉积速率工艺和制备单晶硅、大颗粒、双轴织构颗粒及良好钝化颗粒晶界的机制［９］。３．化合物半导体与有机材料化合物半导体和有机体有望成为下一代太阳能电池材料，已有相关研发活动围绕它们展开且得到了实际应用，但在近期，它们尚难以取代硅材料。理论上，化合物半导体的光电转换效率要比硅材料高，但仍存在缺陷，例如，化合物多晶薄膜ＣＩＧＳ（Ｃｕ－Ｉｎ－Ｇａ－Ｓｅ）的转换效率为１３％，但铟（Ｉｎ）却十分稀缺；ＧａＡｓ化合物薄膜中砷（Ａｓ）的大量使用则会带来不少环境问题，因此，目前化合物半导体材料的太阳能电池仅适合于特殊情况下的应用。虽然有机材料太阳能电池具有原料成本低廉的压倒性优势，但仍受到户外模块效能、稳定性、寿命和可靠性等问题的制约。量子点太阳能电池的光电转换效率高达６０％，但该领域的研究才刚起步［１０］。四、未来的发展方向现今市场上的太阳能电池模块有９５％以硅为原材料，其中有６０％为多晶硅，３０％为单晶硅，预计这一现状还将持续一段时间。对未来太阳能发电系统的发展而言，如何降低电池模块的成本是关键，是因为它占据了发电系统成本的６０％，而模块成本中的２０％取决于硅原材料成本，所以，如果保持如今的趋势发展下去，则原材料硅的短缺终将成为制约太阳能发展的瓶颈。预计未来发展的方向可能集中在以下几个方面。１．改善原有的制备工艺并开发新工艺，提高硅原料的产量目前有研究报道了一些新的工艺方法熔融析出法（ＶａｐｏｒｔｏＬｉｑ－ｕｉｄＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＶＬＤ）和熔硅提纯法（ＭｏｌｔｅｎＳｉｌｉｃｏｎＲｅｆｉｎｅｍｅｎｔ）。在ＶＬＤ法中，将三氯氢硅（ＳｉＨＣｌ３）和氢气（Ｈ２）一起注入１５００℃的石墨管中，形成硅熔融沉积，沉积速度比传统↑目前以光伏建筑一体化（ＢＩＰＶ）为核心的光伏屋顶并网发电应用占据了绝对的光伏市场份额。ｎｓｉｇｈｔ透视Ｉ３９ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＩｎｄｕｓｔｒｙ西门子方法快［１０］。未来的研究将开发更多新工艺，提高硅的产量。２．开发新材料和新技术，降低硅的使用量通过重新评估材料技术并使用新的电池技术以提高能源效率，从而尽可能降低单位能量所消耗的硅，同时通过扩展设备和引入新的制备工艺来努力提高生产能力。３．第３代高效光伏电池具有潜在前景第１代晶体硅太阳电池对材料的需求限制了成本降低的潜力，长期以来人们一直试图用薄膜太阳电池取代第１代电池，然而，薄膜太阳电池的转换效率是要解决的主要问题，此外，薄膜电池的性能稳定性和生产成本也必须要达到大规模应用的要求。目前从材料、工艺与理论研究等方面来看，太阳电池的光电转换效率还可以有很大提高，薄膜电池的发展也还有充足的发展空间。第３代光伏电池主要是要解决电池能量的损失问题，第３代电池的理论概念及其工艺方法成为了太阳能电池研究领域的最前沿问题，若第３代光伏电池能够获得成功，将会对整个太阳电池领域的发展起到里程碑式的贡献。参考文献［１］昌金铭．国内外光伏发电的新进展，２００７．ｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．ｎｄｒｃｒｅｄｐ．ｃｏｍ／ｄｏｗｎｌｏａｄ／％Ｅ５％９Ｂ％ＢＤ％Ｅ５％８６％８５％Ｅ５％Ａ４％９６％Ｅ５％８５％８９％Ｅ４％ＢＣ％８Ｆ％Ｅ５％８Ｆ％９１％Ｅ５％Ｂ１％９５．ｐｐｔ［２］ＨＩＲＯＳＨＩＫＡＷＡＭＯＴＯ，Ｋ．Ｏ．．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＴｒｅｎｄｆｏｒＨｉｇｈＰｕｒｉｔｙＳｉｌｉｃｏｎＲａｗＭａｔｅｒｉａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．ＱｕａｒｔｅｒｌｙＲｅｖｉｅｗ，２００７（２４）３８－４９．［３］ＥＲＥＣＲｅｐｏｒｔｓｏｎＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＳｃｅｎａｒｉｏｔｏ２０４０．２００４．［４］ｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．ｅｐｉａ．ｏｒｇ／ｆｉｌｅａｄｍｉｎ／ＥＰＩＡ＿ｄｏｃｓ／ｄｏｃｕｍｅｎｔｓ／ＥＰＩＡ＿ＳＧ＿Ｖ＿ＥＮＧＬＩＳＨ＿ＦＵＬＬ＿Ｓｅｐｔ２００８．ｐｄｆ［５］ＲｏｂｅｒｔＷ．Ｍｉｌｅｓ，Ｇ．Ｚ．．Ｉｎｏｒｇａｎｉｃｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｃｅｌｌｓ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓｔｏｄａｙ，２００７，１０（１１）２０－２６．［６］杨金焕等．各国光伏路线图与光伏发电的进展．中国建设动态（阳光能源），２００６（４）５１－５４．［７］Ｃｏｎｉｂｅｅｒ，Ｇ．．Ｔｈｉｒｄ－ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ．２００７，１０（１１）４２－４８．［８］ＣｈｉｎａｓｏｌａｒＰＶｒｅｐｏｒｔ．２００７．［９］美国太阳能光伏技术及材料发展规划．科学动态监测快报先进制造与材料科学专辑，２００７（２３）１－８．［１０］高纯硅原材料技术发展趋势．科学研究动态监测快报先进制造与材料科技专辑，２００７（２２）１－８．