太陽能的繁榮

摘要：隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，光電將成為一種可行的能源，同時在價格上相比傳統(tǒng)能源也極具競爭力。本文詳細(xì)探討了太陽能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：太陽能；PV；多晶硅；太陽能電池

隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，光電將成為一種可行的能源，同時在價格上相比傳統(tǒng)能源也極具競爭力。可再生能源的重要性日益凸顯，這源于人們希望減少二氧化碳排放以及對化石類能源強烈的依賴性的迫切需求。光電技術(shù)蘊含著巨大的環(huán)境效益和政治利益。光電是唯一一種能夠滿足全球長期能源需求又不會排放溫室效應(yīng)氣體的能源技術(shù)。到達(dá)地球表面的這一部分太陽光提供的能量相當(dāng)于目前全球能源需求的1萬倍。而且，我們幾乎隨處都可以使用太陽能。平均而言，地球上暴露在太陽光下的每一平方米面積每年都能夠接收到1700kWh的能量。據(jù)歐洲能源研究中心預(yù)測，到2050年，太陽能電池將為人類提供總電能需求的20％～30％。

但是，PV(Photovdtaics，光伏)技術(shù)的-成本仍然高于傳統(tǒng)電網(wǎng)能源的成本，而且需要占用很大的空間來發(fā)電。雖然來自于太陽的能量非常豐富，但是卻非常分散，利用太陽能發(fā)電需要很大面積的硅光板。太陽的能量是免費的，但是將其能量轉(zhuǎn)換成電能卻不是免費的。高成本依然是太陽能開發(fā)利用的最大問題。相比住宅用電的價格，太陽能電力的費用平均要高2～5倍。但是，隨著關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，太陽能發(fā)電的成本也不斷降低。太陽能電池模塊的價格已經(jīng)從1982年的峰值功率每瓦27美元降低到今天的每瓦4美元。此外，由于很多國家推出了強制上網(wǎng)電價(一種政府承諾以預(yù)定價格購買PV電能的補貼)，全球太陽能發(fā)電量在過去5年內(nèi)以每年50％以上的速度快速增長，并有望繼續(xù)高速增長。

根據(jù)地球政策研究會(Earth：PolicyInstitute)—一個旨在推動可持續(xù)發(fā)展技術(shù)的國際化組織的研究結(jié)果，在過去15年內(nèi)，光電模塊的價格降低了一半：從1990年的每瓦7.47美元，降低到2006年的每瓦3.84美元。根據(jù)這一趨勢，太陽能發(fā)電的成本應(yīng)該在2012年達(dá)到與傳統(tǒng)發(fā)電成本相同的水平，這要歸功于多種因素的綜合作用，包括硅光板成本的降低、太陽能電池模塊轉(zhuǎn)換效率的提高、大規(guī)模節(jié)能措施的推廣以及化石類燃料(如天然氣和汽油)成本的增加。由于需求量的增加，太陽能發(fā)電的成本將在2010年降低到每瓦2美元。

在高經(jīng)濟回報的吸引之下，越來越多的公司正在涉足光伏(PV)市場。全球的光電行業(yè)在新的發(fā)電設(shè)備與技術(shù)改造方面正加大投資。光電領(lǐng)域飛速發(fā)展的一個明顯跡象出現(xiàn)在2006年，這一年，全球生產(chǎn)的多晶硅第一次有一半以上被應(yīng)用于光電領(lǐng)域而不是半導(dǎo)體IC生產(chǎn)。其中還包括眾多半導(dǎo)體廠商。例如，半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商應(yīng)用材料組建了一個新的太陽能集團SunFab，專門開發(fā)生產(chǎn)太陽能電池和薄膜光電模塊所需的制造工具。此外，賽普拉斯半導(dǎo)體創(chuàng)辦了一個從事太陽能開發(fā)的子公司SunPower；美國國家半導(dǎo)體也開始涉足太陽能市場，最近發(fā)布了幾款能夠增強太陽能電池板效率的芯片。

遍及全球的太陽能市場

太陽能電力市場正逐步走向繁榮。到2006年底，全球太陽能光電(PV)系統(tǒng)累計裝機容量已經(jīng)達(dá)到了6500MW以上，2000年底這一數(shù)字僅為1200MW。根據(jù)美國分析家Solarbuzz觀點，盡管面臨著多晶硅短缺的問題，但是僅在2007年，全球太陽能光電市場的裝機容量就達(dá)到了2826MW，比2006年增長了62％。這一數(shù)字在2050年將可能增長到6～8GW。在經(jīng)營收入方面，2007年全球PV行業(yè)產(chǎn)值為172億美元，德國咨詢公司Photon Consulting預(yù)測，到2011年這個數(shù)字將超過310億美元。到2030年，每年太陽能電力系統(tǒng)裝機容量將達(dá)到179GW，電池和模塊的生產(chǎn)實現(xiàn)每年翻一番的發(fā)展速度。

歐洲，尤其是德國在太陽能市場中具有較強的實力，這得益于以強制入網(wǎng)電價為基礎(chǔ)的良好政策，這一政策已經(jīng)成為全球效仿的范例。德國已經(jīng)達(dá)到了1328MW的光電裝機總量，占全世界裝機總量的47％。德國國內(nèi)生產(chǎn)的太陽能電池只能滿足50％的國內(nèi)需求，因此德國不得不大量進(jìn)口太陽能電池，主要進(jìn)口來源是亞洲尤其是中國。西班牙是2007年最具活力的太陽能市場，其裝機容量增長了480％，達(dá)到了640MW。意大利也是一個極具吸引力的市場，當(dāng)?shù)卣Х碌聡哪Ｊ?，為太陽能的?yīng)用提供了補貼。由于意大利的光照水平比德國高1.5倍，而且傳統(tǒng)發(fā)電的成本更高，因此即使沒有政府補貼，太陽能在意大利相比在其他國家有可能更快地凸顯出競爭力。美國市場實現(xiàn)了57％的增長率，達(dá)到了220MW的裝機容量。這些系統(tǒng)中有大約75％安裝在加州。曾經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位的日本廠商發(fā)展緩慢，總共只有26％的市場份額。相反，2007年中國廠商的市場份額卻從20％增長到35％，今年的太陽能發(fā)電量將超過歐洲和日本。中國市場的增長速度是非常驚人的：2003年，中國的太陽能發(fā)電量只占全球的1％。

太陽能的商業(yè)化應(yīng)用是否取得成功取決于三個判斷標(biāo)準(zhǔn)：效率、使用壽命和成本。與半導(dǎo)體和顯示器行業(yè)一樣，光電電池的制造與它們有很多共同之處，工藝技術(shù)是提高太陽能電池效率確保長期穩(wěn)定的關(guān)鍵。當(dāng)前的光電市場主要由價格昂貴的晶體硅占主導(dǎo)地位，這一局面很快將被成本更低的新工藝技術(shù)所打破。

中國的巨大機遇

2006年和2007年，歐洲是全球最大的區(qū)域性太陽能光電市場，中國同樣面臨著巨大的機遇，因為中國存在著龐大的半導(dǎo)體基礎(chǔ)架構(gòu)。今年，中國光電電池的生產(chǎn)規(guī)模超過了德國，在產(chǎn)量方面處于世界領(lǐng)先地位，德國的Q-Ceils和中國無錫尚德分別是處于第二位和第四位的電池生產(chǎn)廠商。江西賽維(LDK)與德國奇夢達(dá)公司簽訂了一份為期5年的合同，將從2009年到2013年向其供應(yīng)裝機容量約540MW的多晶太陽能晶圓。德國公司Aleo太陽能與孚日集團簽訂了合作協(xié)議，打算在中國山東新建一個太陽能模塊生產(chǎn)工廠，以滿足亞洲市場對太陽能模塊不斷增長的應(yīng)用需求。該公司估計，到2012年韓國、日本和中國的市場產(chǎn)值至少將達(dá)到120億美元。意大利PV電池與模塊制造商Silfab公司將向常州的天合光能提供足以在6年內(nèi)生產(chǎn)約225MW太陽能模塊的純多晶硅。

太陽能市場對于中國而言也十分具有戰(zhàn)略意義，到2015年中國將超過美國成為全球主要的CO₂排放國。這是中國經(jīng)濟年均兩位數(shù)驚人增長率的必然結(jié)果。此外，將在2008年8月舉辦的北京奧運會和之后的殘奧會也是推動光電技術(shù)發(fā)展的一次難得機遇，包括在體育場館和奧運村內(nèi)安裝光電模塊在內(nèi)，中國政府在環(huán)保措施上的投入已經(jīng)超過了120億美元。例如，豐臺棒球館擁有裝機容量為27kW的光電系統(tǒng)。即將舉辦田徑項目和足球賽的國家體育場也采用了130kW的光電系統(tǒng)。此外，為奧運村中的路燈供電的電力也來自于太陽能。2008年歐洲足球錦標(biāo)賽也采取了類似的太陽能應(yīng)用措施。安裝在瑞士伯爾尼范可多夫體育場內(nèi)的1.35兆瓦光電系統(tǒng)是迄今為止安裝在大型體育場內(nèi)最強大的光電系統(tǒng)。

現(xiàn)有的與新興的光電技術(shù)

一直以來，晶體硅(c-Si)都被用作太陽能電池中吸收光的半導(dǎo)體材料，但是這種材料吸收光的能力相對較弱，是一種間接禁帶半導(dǎo)體材料。用晶體硅制作太陽能電池板需要相當(dāng)厚的材料：太陽能級晶圓的直徑高達(dá)150mm，厚度需要350微米。但實際情況表明，晶體硅是最便捷的PV技術(shù)，因為借鑒微電子領(lǐng)域的工藝技術(shù)，能夠利用晶體硅制造出穩(wěn)定而高效的太陽能電池。該技術(shù)擁有約90％的市場份額；光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)22％以上。多晶硅(簡稱mcSi或多晶硅)PV單元的轉(zhuǎn)換效率通常更低，這是由于大塊材料中存在的晶界增加了電子一空穴對的復(fù)合，降低了電荷移動性和能量轉(zhuǎn)換效率。

但是，硅電池制造的主流趨勢仍然是采用多晶技術(shù)，因為結(jié)晶硅晶圓的成本非常高，占成品模塊成本的40％～50％。去年，多晶硅的總產(chǎn)量增加了30％，但是它畢竟是一種產(chǎn)量有限的技術(shù)。2007年，有20多家新公司開始生產(chǎn)多晶硅。在中國，多晶硅工廠像雨后春筍一樣涌現(xiàn)，成為一個新的經(jīng)濟熱點。有20多家公司開始建立多晶硅制造廠。他們生產(chǎn)的多晶硅總產(chǎn)量將達(dá)到商之一英利太陽能公司正力爭在中國保定實現(xiàn)每年3000噸的多晶硅產(chǎn)量。

由Ⅲ-V族元素構(gòu)成的半導(dǎo)體材料是直接禁帶化合物，因此具有最高的轉(zhuǎn)換效率。但是，它們的價格非常昂貴，主要用于衛(wèi)星和軍事應(yīng)用，通常采用光學(xué)聚光和復(fù)雜的跟蹤系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)40％的轉(zhuǎn)換效率。長期來看，薄膜技術(shù)對于降低太陽能光電系統(tǒng)的成本具有最大的潛力。薄膜太陽能電池中使用的材料，例如碲化鎘(CdTe)和銦化銅(鎵)的二硒化物(CIs或CIGS)都是較強的吸光材料，只需要1μm的厚度。這樣一來，材料成本就可以大大降低了。薄膜太陽能電池也能夠采用非晶硅(a—Si)來制造，非晶硅是第一種實現(xiàn)商用太陽能產(chǎn)品的薄膜材料。這種太陽能電池如果采用非晶體硅基材料或者CdTe和CIGS時，能量轉(zhuǎn)換效率在10％到18％之間。薄膜太陽能電池的產(chǎn)量從2006年的181MW增長到2007年的400MW，增長了一倍多，占據(jù)了約10％的市場份額。這些產(chǎn)品在低功耗(低于50W)和消費電子產(chǎn)品領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

為了進(jìn)一步提高太陽能電池的效率，自從上世紀(jì)70年代開始人們就在考慮采用聚集技術(shù)。通過特殊的光學(xué)系統(tǒng)將光線聚集到太陽能電池上，可以將太陽能的入射功率提高2000倍，從而可以使用更小尺寸的電池。但是，由于可靠性和空間問題，這一技術(shù)只取得了有限的成功，在太陽能發(fā)電市場中所占的份額不到1％。實際上，采用傳統(tǒng)菲涅爾透鏡(與燈塔上使用的透鏡類似)的聚光模塊厚度非常厚，體積笨重，性價比較低。而且，我們必須排出聚積在電池中的熱能，以避免降低能量轉(zhuǎn)換效率。太陽能聚集系統(tǒng)更適合于太陽能制熱應(yīng)用，用產(chǎn)生的熱能驅(qū)動渦輪。意大利科學(xué)家Carlo Rubbia研究出了一種能夠聚集太陽能形成高溫產(chǎn)生能量的新方法，稱為Archimedes項目，目前正在意大利陽光充足的西西里島進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用開發(fā)。日本的電子業(yè)巨人夏普公司展示了一種新系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過菲涅爾透鏡將太陽光聚焦在高效率的太陽能電池上，獲得的效率是傳統(tǒng)硅電池的兩倍?？偛吭O(shè)在西班牙馬拉加的Isofoton公司開發(fā)出了一種專用光學(xué)系統(tǒng)，能夠制造出厚度與傳統(tǒng)太陽能模塊相同的聚光式光電模塊。IBM宣布在一平方厘米大小的太陽能電池上實現(xiàn)了捕捉230W太陽能的記錄。這種聚光式光電轉(zhuǎn)換技術(shù)(CPV)轉(zhuǎn)換的電能密度是使用CPV技術(shù)的傳統(tǒng)電池的5倍。全球越來越多的企業(yè)和院校正在研究有機光電轉(zhuǎn)換技術(shù)。根據(jù)市場分析公司NanoMarket：的預(yù)測，到2015年基于有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)市場將達(dá)到38億美元的規(guī)模。

但是，有機太陽能電池本身無法與傳統(tǒng)的硅材料電池相媲美，因為它們的效率比較低，只有5％。有機材料的排列不是十分規(guī)整，因此，電子就無法自由流動，能量轉(zhuǎn)換效率十分有限。此外，一旦有機材料暴露在太陽光下，其性能就會下降。但是，由于它們十分柔軟，可以用于很多新型應(yīng)用；例如，它們可以為小型移動設(shè)備(例如MP3播放器)供電。有機電池還是一種成本非常低廉的技術(shù)，易于制造，生產(chǎn)能耗也大大降低，因為它們所需的處理溫度低得多(20～200℃)。它們的質(zhì)量很輕，相比傳統(tǒng)的太陽能材料更加通用。我們還可以在有機材料上采用噴墨類型的工藝，或者采用對滾(roll-to-roll)工藝將其涂在柔軟的襯底材料上。這一方式是與在大滾的紙張上面印刷報紙類似的。