砷化镓太阳能电池行业的现状与发展前景.pdf-solarbe文库

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砷化镓太阳能电池行业的现状与发展前景目录一、太阳能电池行业的基本情况与发展趋势 . 2（一）太阳能电池简介 2（二）太阳能电池产业链 2（三）不同材料太阳能电池适用性的比较 3（四）太阳能电池市场规模与发展趋势 41．全球太阳能电池市场容量 42．国内太阳能电池行业发展现状 43．太阳能电池行业发展趋势 5二、砷化镓太阳能电池市场分析与发展趋势 . 6（一）砷化镓太阳能电池整体情况 61．空间用砷化镓太阳能电池 62．地面聚光砷化镓太阳能电池 73．国际砷化镓太阳能电池的市场状况 84．国内砷化镓太阳能电池的市场状况 8（二）国内砷化镓太阳能电池市场的发展趋势 91．空间用砷化镓太阳能电池市场稳定且潜力巨大 92．地面聚光砷化镓太阳能电池目前处于市场导入期，未来可能快速增长 9三、进入砷化镓太阳能电池领域的主要壁垒 . 10 （一）技术壁垒 10 （二）资本壁垒 10 （三）客户资源壁垒 10 四、砷化镓电池产业发展遇到的问题 . 11 五、砷化镓太阳能电池利润水平的影响因素与变化趋势 . 12 六、砷化镓太阳能电池技术发展趋势 . 13 （一）空间用砷化镓太阳能电池技术发展趋势 13 （二）地面聚光砷化镓太阳能电池技术发展趋势 13 七、影响行业的季节性与周期性 . 14 一、太阳能电池行业的基本情况与发展趋势（一）太阳能电池简介太阳能电池是利用光伏效应将太阳能通过半导体物质转变为直流电能的一种器件。目前，已商业化的太阳能电池主要有晶体硅太阳能电池（单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池）、薄膜太阳能电池和半导体化合物太阳能电池（以砷化镓太阳能电池为主）三大类。晶体硅太阳能电池目前占据绝大部分太阳能电池市场份额，广泛应用于发电；薄膜太阳能电池近年来因技术的迅速发展，具备了相对于晶体硅太阳能电池的成本优势；相比于晶体硅和薄膜太阳能电池产品，砷化镓太阳能电池是新能源、新材料的典型代表之一，在太阳能电池产品中光电转换效率最高、科技含量最高、技术难度最高，产品问世初期主要应用于空间飞行器电源和其他高端用途，近年来随着聚光技术和跟踪技术的发展，产品应用范围逐步扩展，砷化镓聚光电池应用于地面发电系统的比较经济优势已开始显现。光电转换效率是衡量太阳能电池技术水平最重要的指标，不同种类太阳能电池最高光电转换效率情况如下表不同种类太阳能电池光电转换效率比较表太阳能电池种类最高光电转换效率是否支持聚光技术国际产品我国产品实验室规模化实验室规模化空间用三结砷化镓电池 32.00 27.5029.00 29.70 27.0029.00 是砷化镓聚光电池 40.70 39.00 35.0039.00 是晶体硅电池 1619 否薄膜电池 ≤ 10 否（二）太阳能电池产业链完整的太阳能电池产业链一般包括电池原材料、太阳能电池外延片、太阳能电池芯片、太阳能电池组件和太阳能电站 5 个主要环节，如图所示太阳能电池产业链示意图（三）不同材料太阳能电池适用性的比较目前，全球范围内投入规模化应用的空间和地面用半导体化合物太阳能电池均以多结砷化镓太阳能电池为主。地面用多结聚光太阳能电池（目前主要为多结砷化镓聚光太阳能电池）与晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能相比，具有吸收光谱范围广、转换效率高、衰减慢、耐温性好、有效发电时间长等显著优势，对比情况如下表不同种类太阳能电池比较表项目多结聚光薄膜晶体硅多结聚光太阳能电池的特点最佳应用范围大规模发电站建筑外墙和一体化建筑中小规模发电和屋顶航天转民用，发电效率高电池转换效率 40左右 610 17 吸收光谱范围广，转换效率高，还有提升空间系统性衰减小高中高温合成的化合物半导体，因此衰减慢，耐温性好安装面积小大中逐日和聚焦系统提高了转换功率，安装面积自然减少有效发电时间高高中跟踪光，有效发电时间延长生产设备投资昂贵昂贵中聚光系统的采用，对关键半导体原料需求成百上千倍的减少， 95原料是塑料和铝（四）太阳能电池市场规模与发展趋势1．全球太阳能电池市场容量全球太阳能电池产业 1994-2004 年 10 年间增长了 17 倍， 2008 年全球太阳能电池总产量更达到 6.85GW，较 2007 年的 3.44GW 增长了 99.13。据 iSuppli 分析师预测，受全行业产能过剩、需求减弱、价格下降及金融危机的影响，全球太阳能电池市场 2009 年至 2010 年将处于调整阶段，自 2011 年起又将进入新一轮高速增长阶段， 2011 年至 2013 年的市场规模年均增长率将超过 50，至 2013 年全球太阳能电池市场规模将达到 906.34 亿美元。 2009 年至 2013 年全球太阳能电池市场规模预测情况如下图2009-2013 年全球太阳能市场容量预测金额百万美元在总量上，目前晶体硅太阳能电池占有全球 90以上的市场份额，并且在2020 年前仍将占据太阳能电池市场 50以上的市场份额；薄膜太阳能电池的市场占有率未来将有大幅提升，据欧洲能源协会预测， 2010 年薄膜太阳能电池将占到约 20的市场份额；砷化镓太阳能电池因其重量轻、转换效率高，在空间飞行器等高端市场将进一步加快取代晶体硅太阳能电池的速度并主导空间飞行器电源市场，同时，随着聚光技术水平的提高，砷化镓太阳能电池将具有更高的效率，在地面用太阳能电池市场中占有更多的市场份额。2．国内太阳能电池行业发展现状2007-2008 年，我国连续两年成为全球太阳能电池产量最大的国家；截至2008 年底，我国光伏发电累计装机总量已超过 20 万千瓦、太阳能光伏产业规模已突破 1,000 亿元，但我国的太阳能电站发电装机容量占全球比例不足 1。在产品结构上，目前国内用于发电的太阳能电池中仍以晶体硅太阳能电池为主，市场份额达 90；非晶硅薄膜太阳能电池发展迅速，市场份额占到 6-7；砷化镓等化合物太阳能电池和纳米太阳能电池等处于产业化初期阶段，目前市场份额较小，但未来发展空间较大。3．太阳能电池行业发展趋势（ 1）产品结构趋向多元化在目前的产品结构上，光伏发电中的太阳能电池仍然是以晶体硅太阳能电池为主，非晶硅薄膜太阳能电池与砷化镓太阳能电池发展迅速，打破了晶硅电池的垄断。作为新型太阳能电池材料，砷化镓等 III-V 族化合物制成的太阳能电池转换效率相对较高，未来在市场中的比重将日趋提高。（ 2）技术创新成为未来竞争的核心太阳能电池行业作为典型的技术密集型行业对研发能力和技术水平的要求相当高。材料的高转换率和低成本已成为世界各国太阳能研究机构和电池生产厂商研究的重点。目前，硅材料电池的产业化效率和水平已相对稳定，生产技术已经成熟，将面临成本和价格竞争。一些领先机构已逐步将研究重点向砷化镓等更具有技术潜力的新兴电池技术转移。这一趋势决定了谁先掌握关键技术谁将主导未来产业发展方向。二、砷化镓太阳能电池市场分析与发展趋势（一）砷化镓太阳能电池整体情况砷化镓太阳能电池包括单结砷化镓太阳能电池和多结砷化镓太阳能电池，单结砷化镓太阳能电池的平均光电转换效率约为 20，目前多结砷化镓太阳能电池以三结为主，国际上光电转化效率最高的空间用三结砷化镓太阳能电池产品的实验室光电转化效率约为 32，地面用三结砷化镓聚光电池的实验室光电转化效率为 40.7，三结砷化镓太阳能电池已凭借高光电转换效率、高抗辐射能力等优势取代了单结砷化镓太阳能电池，代表了砷化镓太阳能电池的发展方向。单结砷化镓太阳能电池与三结砷化镓太阳能电池虽然原材料基本相同，但单结砷化镓太阳能电池只有一个 P-N 结，一般只需要生长 6-7 层外延；三结砷化镓太阳能电池有三个 P-N 结，一般需要生长近 30 层外延，外延结构复杂程度成倍增加。外延结构的设计、每一层外延生长质量都直接影响整个砷化镓太阳能电池的性能。单结砷化镓太阳能电池与三结砷化镓太阳能电池的差异还主要体现在产品性能指标上一般情况下，单结砷化镓太阳能电池的电压为 1 伏特，而三结砷化镓太阳能电池的电压可达到 2.6 伏特；单结砷化镓太阳能电池的光电转化效率约为 20，而三结砷化镓太阳能电池的光电转化效率可达到 28-29。三结砷化镓太阳能电池对技术、制作工艺、生产过程控制等要求更高，制作难度显著增加，产品性能显著提高，是单节砷化镓太阳能电池的升级换代产品。砷化镓太阳能电池自诞生以来主要作为空间飞行器用电池，目前已有部分应用于地面聚光发电。1．空间用砷化镓太阳能电池空间用砷化镓太阳能电池在光电转换效率、耐高温性能、空间抗辐射能力方面具有比晶体硅太阳能电池更优异的性能实用性转换效率为晶体硅太阳能电池的近 2 倍，抗辐射性能比晶体硅太阳能电池高 1-2 个数量级，寿命可比晶体硅太阳能电池增加约 1-2 倍，其在高温下的性能衰减是晶体硅太阳能电池的 60-70。上述特性，使得砷化镓太阳能电池在空间飞行器领域取代晶体硅太阳能电池，成为最主要的新一代空间电源。目前，国际上空间用三结砷化镓太阳能电池的实际转换效率已经达到 29.5，实验室转换效率已经达到 32；三结砷化镓太阳能电池组件在国外小卫星空间电源系统中的比例已经达到 80，其中以美国最高。欧洲的伽利略系列卫星、金星探测卫星和火星探测卫星等也普遍使用三结砷化镓太阳能电池；目前，在轨空间用三结砷化镓太阳能电池应用规模超过 750KW。最近 5 年三结砷化镓太阳能电池每年实际生产和销售规模平均保持在 100KW 以上。相比而言，我国因起步较晚，目前空间用太阳能电池尚处于由晶体硅材料电池向三结砷化镓材料电池过渡的阶段。国内砷化镓太阳能电池光电转换效率的进一步提高，必将进一步加快其取代晶体硅太阳能电池的速度。从全球来看，军事、民用卫星和航天器的大量发射是砷化镓太阳能电池巨大的市场所在。砷化镓太阳能电池发展水平，一定程度上是一个国家空间飞行器电源技术实力的体现，因此各国都投入巨资大力扶持砷化镓太阳能电池的研发。2．地面聚光砷化镓太阳能电池聚光技术是目前广泛应用于提高三结砷化镓太阳能电池光电转化效率、降低发电成本的主流技术，其原理是以三结砷化镓太阳能电池芯片高温条件下光电转化效率相对恒定的特性为基础，利用透镜将太阳光聚焦几百至上千倍后投射到砷化镓太阳能电池芯片表面，使单位面积的砷化镓太阳能电池芯片产生的光电流等同于自然光照条件下电池芯片产生的光电流的数百倍。比如 500 倍聚光下 1 平方厘米砷化镓太阳能电池芯片产生的光电流，基本等于相同时间自然光照条件下500 平方厘米砷化镓太阳能电池芯片产生的光电流。地面聚光技术的迅猛发展，大大降低了地面用砷化镓太阳能发电系统的单位成本，使其经济性大大提高 2007 年 Spectrolab 公司生产的 600 倍聚光太阳能电池芯片成本为 0.8 美元 /瓦； Emcore 公司 2008 年 5 月其向韩国供应的 500 倍聚光太阳能电池芯片成本为 0.40 美元 /瓦， 2008 年 11 月该公司生产的聚光太阳能电池发电系统成本为 3.6 美元 /瓦。地面聚光砷化镓太阳能电池的投资和发电成本的降低，使砷化镓电池在地面进行商业应用成为可能。 2003 年，澳大利亚建成首个千瓦级的聚光砷化镓电池商用试验电站； 2008 年，西班牙建成全球上首个 3 兆瓦规模的商用聚光砷化镓电池发电系统，预示着聚光砷化镓太阳能发电系统 MW 级时代已经到来，未来几年经过产品的市场导入期后将进入快速增长阶段。在国内，新奥集团与美国Emcore 公司合作，已于 2008 年 11 月在河北廊坊架设一套 50KW 的聚光砷化镓太阳能发电系统，为新奥集团的煤气化项目提供电力，并计划最终将该发电系统建成 60MW 发电量的规模。目前，国内已有数套 25 千瓦的聚光砷化镓太阳能发电系统工作。截至 2008 年底， Emcore 公司和 SolFocus 公司在西班牙、希腊、美国已安装完成多个聚光砷化镓太阳能光伏发电系统，具体情况如下电站功率电站地点安装完成时间供应商300KW Almoguera 西班牙 2008 年 9 月 SolFocus 200KW Puertollano 西班牙 2008 年 7 月 SolFocus 7.6KW Fremont 美国 2008 年 6 月 SolFocus 2.5KW Kailua Kona 美国 2007 年 9 月 SolFocus 17KW Palo Alto 美国 2007 年 4 月 SolFocus 300KW Extremadura 西班牙 2008 年 12 月 Emcore 50KW 廊坊中国 2008 年 11 月 Emcore 850KW Castilla-La Mancha 西班牙 2008 年 7 月 Emcore 同时， Emcore 公司和 SolFocus 公司还有多份实施中的聚光砷化镓太阳能光伏发电系统订单，具体情况如下电站地点电站功率签约时间项目进度供应商葡萄牙 8.5 MW 2009 年 9 月 2010 年完成 2 MW ， 2014 年全部完成 SolFocus 美国 21-350 MW 2009 年 7 月实施中 SolFocus 希腊 10MW 2009 年 3 月 2010 年底前完成；初始订单为 2008 年 12 月的 1.6MW SolFocus 希腊 10MW 2008 年 12 月 2009 年 7 月开始实施 SolFocus 西班牙大于 10MW 2008 年 11 月实施中 SolFocus 韩国不超过 70MW 2008 年 5 月预计 2010 年 5 月完成 Emcore 3．国际砷化镓太阳能电池的市场状况目前，美国是实现砷化镓太阳能电池光电转换效率最高的国家，也是砷化镓太阳能电池最大生产地，在砷化镓太阳能电池技术上处于全球领先地位，空间和地面聚光用砷化镓太阳能电池实际产量均约占全球 50。美国还是 MOCVD 设备、砷烷、磷烷等特殊气体的主要生产国，具有对砷化镓太阳能电池上游较强的控制力。 Emcore 公司和 Spectrolab 公司（波音公司下属的光伏实验室）是全球最主要的砷化镓太阳能电池制造商。4．国内砷化镓太阳能电池的市场状况在国内航天产业发展需求的带动下，我国在空间用砷化镓太阳能电池的研发和生产取得快速发展，空间用三结砷化镓太阳能电池的光电转换效率已达到或接近国际先进水平。目前，中国航天科技集团上海空间电源研究所、中国电子科技集团 18 所是国内具有空间用三结砷化镓太阳能电池芯片生产资质的两家机构。中国电子科技集团 18 所主要以自产三结砷化镓太阳能电池外延片生产太阳能电池芯片为主。（二）国内砷化镓太阳能电池市场的发展趋势1．空间用砷化镓太阳能电池市场稳定且潜力巨大从整体上看，国内空间用太阳能电池目前正处于由晶体硅太阳能电池向三结砷化镓电池过渡的时期，砷化镓太阳能电池取代晶体硅太阳能电池已成为不可逆转的趋势；现阶段，我国的砷化镓太阳能电池的应用领域也仍以空间应用为主，我国发射的卫星上使用的太阳能电池完全由我国企业和科研机构生产，未来的空间用砷化镓太阳能电池市场将全部由国内企业分享。未来十年将是中国航天快速发展的新阶段，探月工程计划、神舟计划、北斗全球卫星定位系统等重大空间计划进入关键实施时期。为此将生产制造一大批空间飞行器发射升空，据麦肯桥资讯预测，仅北斗全球卫星定位系统到 2015 年就将完成 30 余颗卫星的发射升空。仅按平均每颗卫星约需 4 寸三结砷化镓电池外延片 5000 片粗略估算，未来 5 年国内空间用太阳能电池外延片市场规模在 30万片以上，其中仅北斗全球卫星定位系统未来 5 年就将需要 4 寸三结砷化镓电池外延片 10 万片以上。目前，国内能够生产高效三结砷化镓电池外延片的单位仅中国电子科技集团18 所等少数几家， 2008 年的产能约为 3 万余片，远远不能满足市场需求。2．地面聚光砷化镓太阳能电池目前处于市场导入期，未来可能快速增长在地面应用市场，国内聚光砷化镓太阳能电池尚未形成量产供应市场。目前整个产业链主要环节中试技术和产品已经完成，正在进入小规模电站试验阶段。例如，在 2009 年国家发改委已经立项批准，在云南昆明建设大型并网光伏电站试验示范项目，项目总规模 166MW ，分为产业区和试验区。产业区建设晶硅发电站，试验区建设 MW 级（ 6MW ）聚光砷化镓电池和其它薄膜电池发电站。随着聚光技术、跟踪技术的快速发展，聚光型三结砷化镓太阳能电池的经济性将进一步提高。目前，已有多个项目地面太阳能光伏发电系统将以聚光型砷化镓太阳能电池作为核心部件进行建设，聚光型砷化镓太阳能电池的地面应用正逐步成为新的趋势。未来几年我国地面用砷化镓太阳能电池可能会有一个快速增长过程。三、进入砷化镓太阳能电池领域的主要壁垒进入砷化镓太阳能电池领域的主要壁垒有技术壁垒、资本壁垒和客户资源壁垒。（一）技术壁垒砷化镓太阳能电池制造技术是集物理设计、工艺实施、设备、测试于一体的综合技术，特别是三结砷化镓太阳能电池外延片需要生长数十层外延材料，每一层的生长都涉及诸多参数，每一个参数的设定都对电池性能产生影响；电池生产过程的工艺实施需要解决多个关键技术难题，每一项技术的应用都对电池性能具有决定意义；对 MOCVD 外延炉及其他产品测试设备的掌握，同样影响着产品的生产效率与质量。每一个参数、每一项技术都是技术实力的积累与体现，没有足够的技术积累、没有足够的研发能力，是无法进入砷化镓太阳能电池领域的。（二）资本壁垒太阳能电池行业产业链包括电池原材料制造、电池外延片生长、太阳能电池芯片、太阳能电池组件和太阳能光伏系统等多个阶段，每个阶段又有诸多工序，各道工序都需要专业甚至特制的设备、工具，建设完整的生产线投资巨大，外延生长所需的 AIXTRON2800 型号的 MOCVD 外延炉单台售价即超过人民币 1500万元，进入行业的资本壁垒明显。（三）客户资源壁垒随着太阳能电池技术进步，电池寿命不断延长，先进入市场意味着将拥有更多的客户资源，替代成本较高也使得企业客户具有相当强的稳定性。空间用砷化镓太阳能电池因其用途特殊，客户高度集中，客户对太阳能电池制造企业都执行严格的资格认证与审核，同时由于保密的原因以及各国普遍对砷化镓太阳能电池实施禁运，取代特定客户现有的供应商难度极大，客户资源壁垒明显。四、砷化镓电池产业发展遇到的问题砷化镓光伏电池有着较优的转化效率，有明显的发展优势，应该成为一种有效的光伏发电途径，但是，目前在中国产业化方面并不理想，出现了一些问题和阻碍。主要有以下几个方面，一是制备费用高居不下，据文献报道，砷化镓晶片的制备费用约为10000/m2，比常规的硅晶电池相比高出不少，当然，这是几方面的因素造成的，一方面，由于镓元素在全球的储量不多，大概在两百万吨左右（中国约占一半），而且开采难度大（一般为铝土矿的伴生矿），在当今号召降低高耗能投资的要求下（电解铝项目得到严格控制），短期内要扩大粗镓的生产比较难。另一方面，由于半导体材料对纯度的要求很高，对半导体用镓的要求达到 6 7 个，目前世界上掌握这样提纯技术的国家仅有美国、德国和日本少数几个，由于技术的垄断，对扩大再生产构成限制，总体上增加了制备费用。二是砷化镓的另一个组分砷有毒，对于环境安全和生产工人自身身体安全都是一个不小的威胁，在没有得到有力技术保证的前提下，一般的企业也不愿往这方面投产。第三，目前的砷化镓电池由于自身物理因素的限制（脆性），一般制成带衬底的薄膜电池，需要构造隧道结和防止形成寄生的 p/n 结，这增加了技术的难度。第四，由于砷化镓电池的高转化率，常把其制成高聚光电池，当然，这一方面可以缩小耗材，对于降低成本有利，但是也存在需要追日跟踪系统的问题，而且由于各地区的日照条件不一样据了解，目前对追日跟踪系统的要求也不一样，也增加系统的复杂度和实施的难度。第五，国内市场这几年的注意力都集中在多晶硅市场，而且是进行的是一种90以上原料依赖进口， 90以上产品依赖出口的一种模式，没有把注意力集中到本土化光伏发电推广，长此以往，整个光伏产业会缺乏动力需求，这对砷化镓电池产业的发展来说也是不利的。第六，对于产业化来说，民众认可是很重要的，这些年来，对于砷化镓光伏电池，民众认知度不够，媒介和研究机构的宣传推广工作有些不力。第七是国家政策，政府政策支持在光伏产业方面比较宏观，目前还没有做到对光伏电池行业进行分类别对待，支持产业发展，在成本竞争不具备优势的情况下，政策支持的不力使砷化镓产业化推进缓慢。以上这些原因的综合出现，对砷化镓电池产业的发展造成了障碍。五、砷化镓太阳能电池利润水平的影响因素与变化趋势目前，砷化镓太阳能电池由于技术难度大、进入壁垒高，再加上用途特殊，需要严格确保产品性能，因此竞争较少，保持了较高的利润水平；影响利润水平的变化主要因素有市场需求与竞争状况、原材料价格变动情况、技术创新与进步的速度等，预计未来利润水平在一定时间内将保持稳定。随着技术进步的加快、原材料价格的下降，砷化镓太阳能电池的价格也将不断下降，从而将带动其应用范围的不断扩大，民用产品大规模采用砷化镓太阳能电池的时间也将大大缩短，因此未来砷化镓太阳能电池行业的整体利润规模有可能快速上升。六、砷化镓太阳能电池技术发展趋势（一）空间用砷化镓太阳能电池技术发展趋势未来空间用砷化镓太阳能电池的技术发展，将以提高电池产品光电转换效率和提高抗辐射能力为主要方向。空间飞行器发射成本很大程度上是由发射载荷决定的，飞行器电池光电转换效率的提高，有助于降低空间飞行器电池系统重量从而减少发射载荷，能显著节约发射成本，砷化镓太阳能电池取代晶体硅太阳能电池成为空间用太阳能电池的主流正是基于此。空间飞行器的使用寿命在很大程度上是由电池的有效工作时间长短决定的。空间飞行器电池在外太空所承受的辐射强度远高于地面，提高空间用砷化镓太阳能电池抗辐射能力，将有助于延长电池有效工作时间，从而延长空间飞行器使用寿命。如何在提高空间用砷化镓太阳能电池光电转换效率的同时，增强其抗辐射能力，是未来空间用砷化镓太阳能电池技术发展的另一主要方面。（二）地面聚光砷化镓太阳能电池技术发展趋势未来地面聚光砷化镓太阳能电池的技术发展，主要以提高电池芯片光电转换效率、更高聚光倍数电池的研制、提高聚光组件聚光效率和研发更高效的追踪技术为主要方向。地面聚光砷化镓太阳能电池的广泛应用，主要取决于与晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池的比较经济优势。地面聚光砷化镓太阳能电池芯片光电转换效率的提高、更高聚光倍数电池的应用，将直接降低发电系统的每瓦发电成本，提高产品性价比；聚光组件聚光效率的提高，对降低发电系统每瓦发电成本具有直接作用；研发更高效的追踪技术，将延长地面聚光砷化镓太阳能电池有效吸收太阳光能的时间，同样可以降低发电系统每瓦发电成本。这些技术的发展，决定了地面聚光砷化镓太阳能电池比较经济优势扩大的速度，将直接影响地面聚光砷化镓太阳能电池产品市场成熟的发生时间。七、影响行业的季节性与周期性不具有季节性，其周期性与国民经济周期基本一致同时受产业技术进步影响。