光伏制造業(yè)：現(xiàn)狀、前景及研究需求(一)

中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所 ■ 宋偉杰 楊曄 王維燕 李佳 沈文鋒 曾俞衡 許煒 編譯

一 前言

當(dāng)前全球能源消耗已達(dá)15TW，其中絕大多數(shù)來(lái)源于化石燃料的燃燒。人類能源活動(dòng)所排放的CO2已明顯改變了大氣的成分，并嚴(yán)重影響全球的氣溫、海平面及氣候模式。到21世紀(jì)中葉，全球?qū)⑿略?0TW能源需求，將對(duì)供應(yīng)無(wú)碳排放的TW級(jí)發(fā)電技術(shù)提出巨大挑戰(zhàn)[1]。假設(shè)所有新增能源是由具有30年壽命的光伏電池板來(lái)供應(yīng)，換算成光伏產(chǎn)能將約為1TW/年。雖然所有可再生能源都非常重要，但僅有光伏發(fā)電能適應(yīng)這種水平的需求。實(shí)際上，全球其他可再生能源，包括風(fēng)能、水力、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿饶茉吹臐摿烙?jì)不高于10TW[2]。據(jù)估算，在太陽(yáng)光輻射地球＞105TW的能量中，獲取600TW的能量在技術(shù)上是可行的。獲取太陽(yáng)能的方式主要通過(guò)轉(zhuǎn)換成熱能(光熱)、電能(光伏)及化學(xué)能(燃料)。前者是最直接的方式，人們已經(jīng)安裝了從1kW的家庭熱水器到強(qiáng)太陽(yáng)輻射地區(qū)的50MW的光伏發(fā)電站[3]。獲得太陽(yáng)能燃料的方法通常是光化學(xué)分解水產(chǎn)生氫氣及還原CO2成液態(tài)燃料如甲醇。太陽(yáng)能燃料現(xiàn)階段仍處于起步的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，當(dāng)前主要的精力還集中在基礎(chǔ)研究上。

在過(guò)去的10年里，光伏發(fā)電已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)40%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率，2009年的裝機(jī)容量達(dá)到8GW。而且在下一個(gè)10年，當(dāng)光伏發(fā)電從政府補(bǔ)貼的產(chǎn)品發(fā)展到一個(gè)可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)利益的商品時(shí)，市場(chǎng)進(jìn)一步擴(kuò)張的勢(shì)頭將更為強(qiáng)勁。圖1給出了傳統(tǒng)能源與光伏發(fā)電的成本對(duì)比。2009年美國(guó)電網(wǎng)供電的價(jià)格是9.5美分/kWh，由于需求增加及可能引入碳稅帶來(lái)的高稅率，這個(gè)價(jià)格將持續(xù)上漲。當(dāng)前光伏發(fā)電的成本雖仍高于電網(wǎng)供電價(jià)格的2～3倍，但其成本一直在下跌。兩種價(jià)格交叉，也就是通常所說(shuō)的“平價(jià)上網(wǎng)”(grid parity)將有望下一個(gè)10年中實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，電網(wǎng)同價(jià)已在太陽(yáng)能資源豐富以及發(fā)電成本較高的地區(qū)得以實(shí)現(xiàn)，如南加州地區(qū)。我們也注意到，一方面是未來(lái)幾十年光伏產(chǎn)業(yè)學(xué)習(xí)曲線的簡(jiǎn)單外延，另一方面也同時(shí)伴隨著化石燃料發(fā)電不可避免的成本增加，計(jì)劃中的電網(wǎng)同價(jià)不需要任何技術(shù)上的突破[4]。

盡管這一成功令人驚訝，光伏制造業(yè)必須擴(kuò)充兩個(gè)數(shù)量級(jí)的產(chǎn)能，達(dá)到每年TW級(jí)的水平，才能把我們的社會(huì)從依賴燃燒化石能源方式改變?yōu)槭褂每沙掷m(xù)的能源。這將使我們面臨巨大的挑戰(zhàn)，但同時(shí)也帶來(lái)了更多的機(jī)遇。太陽(yáng)光持續(xù)照射到地球上的平均光流量為1000 W/m2。如果假設(shè)有10%的凈轉(zhuǎn)換效率(發(fā)電、傳輸與儲(chǔ)存)，那么只需約1萬(wàn)億m2面積就可提供30TW的清潔能源。假設(shè)太陽(yáng)電池按30年的壽命計(jì)算，轉(zhuǎn)換成組件產(chǎn)量約500億m2/年。作為對(duì)比，全球所有平板玻璃(主要用作建筑以及汽車領(lǐng)域)的產(chǎn)量約為60億m2/年。玻璃是當(dāng)前光伏產(chǎn)品的共有部分，顯著影響其重量和成本。

2010年5月，美國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)組織了一場(chǎng)研討會(huì)，主題是推進(jìn)在光伏制造領(lǐng)域幫助解決上述挑戰(zhàn)的創(chuàng)新研討。本次研討會(huì)由基金會(huì)的化學(xué)和生物工程、環(huán)境和運(yùn)輸系統(tǒng)、工業(yè)創(chuàng)新和伙伴、化學(xué)和材料研究四個(gè)分部共同發(fā)起。本次研討會(huì)的目標(biāo)是：辨別低成本、高轉(zhuǎn)換效率、可持續(xù)光伏材料的可能技術(shù)和發(fā)明；確定上述光伏材料的當(dāng)前和未來(lái)的制備、制造技術(shù)挑戰(zhàn)；促進(jìn)小型企業(yè)和大學(xué)或大公司之間的有效、高效的合作來(lái)努力克服這些挑戰(zhàn)。此次會(huì)議邀請(qǐng)了60多位業(yè)內(nèi)專家，來(lái)自美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室以及美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的科學(xué)家也出席了本次研討會(huì)。了解研討會(huì)詳情可瀏覽網(wǎng)頁(yè)：http://inside.mines.edu/fs_home/cwolden/PVworkshop/Report2.html。

二 光伏制造業(yè)的當(dāng)前現(xiàn)狀

本文旨在闡述主要集中于本世紀(jì)所發(fā)生的光伏技術(shù)的實(shí)質(zhì)性變化。選擇這一時(shí)期基于：直到2003年才有一系列好的關(guān)于光伏工業(yè)成長(zhǎng)和進(jìn)展的綜述型報(bào)道出現(xiàn)[4～6]；伴隨著過(guò)去七年的經(jīng)驗(yàn)積累，光伏領(lǐng)域呈現(xiàn)兩種顯著變化。

(1)在2003年，不同形式的Si占據(jù)高達(dá)99%的光伏市場(chǎng)，并且光伏制造業(yè)由日本和歐洲主導(dǎo)[6]。今天，晶體硅(c-Si)仍占有85%的市場(chǎng)，但是中國(guó)的光伏制造業(yè)處于世界的領(lǐng)先地位[7]。在非常短的時(shí)間內(nèi)，中國(guó)一躍變成了世界50%光伏組件的供應(yīng)商。這種增長(zhǎng)離不開(kāi)政府的政策支持和資金投入，且也受益于較低的勞動(dòng)力成本，其組件成本低于日本、歐洲以及美國(guó)。

(2)2003年CdTe薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)還只是一個(gè)較小的產(chǎn)業(yè)，但在過(guò)去的十年里開(kāi)始嶄露頭角。圖2顯示了2008、2009年不同光伏技術(shù)所占的市場(chǎng)份額[8]。First Solar公司將CdTe帶入了規(guī)模化的生產(chǎn)。2009年，該公司成為世界上第一個(gè)年產(chǎn)能超過(guò)1GW的光伏制造商，占有13%的全球市場(chǎng)份額(圖2)。這一方面占據(jù)了晶體硅太陽(yáng)電池的一部分市場(chǎng)，同時(shí)也侵蝕了其他薄膜技術(shù)如非晶硅的份額。市場(chǎng)份額的分布因中國(guó)光伏制造業(yè)產(chǎn)能的擴(kuò)張一直在變化。2010年晶體硅太陽(yáng)電池技術(shù)有望回歸至原始市場(chǎng)份額。重要的是，CdTe技術(shù)的出現(xiàn)證明：光伏產(chǎn)業(yè)在一個(gè)相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)可快速轉(zhuǎn)變。這個(gè)轉(zhuǎn)變離不開(kāi)制造業(yè)與基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新，以及相關(guān)領(lǐng)域企業(yè)的不斷進(jìn)取。

圖3顯示了已報(bào)道的產(chǎn)業(yè)化光伏電池和商用組件的最高效率。除帶狀硅[9,10]外，數(shù)值均來(lái)源于Green的最新總括[11]。除效率外，材料和制造成本是控制太陽(yáng)能成本的最大因素。通過(guò)降低成本、提升組件性能，規(guī)模效應(yīng)及在制造科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的改進(jìn)可加速光伏產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)張。

上述光伏技術(shù)處于各自學(xué)習(xí)曲線的不同點(diǎn)，相比單結(jié)器件約31%的Shockley-Queisser(SQ)極限轉(zhuǎn)換效率的之間距離也不同。由于依賴于S-Q極限的帶隙在最大值附近是平坦的，因而這些技術(shù)的理論效率極限的差異很小，因此也不是各種光伏技術(shù)間競(jìng)爭(zhēng)的決定因素。但創(chuàng)紀(jì)錄的單晶硅電池達(dá)到SQ極限的90%，而商業(yè)薄膜組件只達(dá)到其潛能的35%。下面將綜述這些相互競(jìng)爭(zhēng)的光伏技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和局限。

三 現(xiàn)今光伏技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

1 晶體硅

受益于集成電路(IC)工業(yè)對(duì)硅材料的廣泛研究，硅是世界上發(fā)展最快且被人類了解最多的半導(dǎo)體材料，調(diào)控硅材料性能的技術(shù)較為成熟。硅是儲(chǔ)量最豐富且較穩(wěn)定的半導(dǎo)體材料。多晶硅的市場(chǎng)份額雖已從65%開(kāi)始衰減，但當(dāng)前它仍是光伏產(chǎn)品中的主流材料(圖2)。由于單晶硅材料的轉(zhuǎn)換效率高，多晶硅原材料價(jià)格降低，以及線切割技術(shù)提高等原因，晶體硅厚度不斷減小，使單晶硅材料更具競(jìng)爭(zhēng)力。制約當(dāng)前單晶硅技術(shù)發(fā)展的因素可參見(jiàn)Goetzberger等人在2003年發(fā)表的綜述報(bào)告[5]。硅料成本仍是決定晶體硅電池生產(chǎn)成本的最大因素。目前，研究者通過(guò)調(diào)整硅材料質(zhì)量、制備非切割的硅片、研發(fā)超薄硅、采用雙面電池結(jié)構(gòu)等方法來(lái)降低硅材料成本。

(1)硅原材料

硅純化技術(shù)是在IC工業(yè)中提出的，采用雜質(zhì)濃度低于1 ppb的電子級(jí)高純硅。這個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展一直較穩(wěn)定，直到幾年前光伏工業(yè)用硅量超過(guò)IC工業(yè)用硅量，才導(dǎo)致明顯變化。這個(gè)轉(zhuǎn)變使得硅料供應(yīng)商措手不及，引發(fā)了2008年的供應(yīng)短缺以及價(jià)格猛漲。隨后，硅料生產(chǎn)廠商采取措施擴(kuò)大產(chǎn)能，同時(shí)研發(fā)太陽(yáng)能級(jí)硅的提純新技術(shù)。電子級(jí)硅的提純采用高能耗的西門子法(＞120kWh/kg)[12]。新工藝采用流化床技術(shù)，對(duì)冶金級(jí)硅進(jìn)行提純，從而使能耗降低到原來(lái)的1/5[13]，但是這種新技術(shù)使得太陽(yáng)能級(jí)硅中殘留高濃度的Fe和Al。這些金屬對(duì)IC工業(yè)是致命的，但低濃度的金屬摻入在太陽(yáng)電池工業(yè)中是可以容忍的。為此，人們致力于研究太陽(yáng)電池中可以容忍的金屬殘余量，以及鈍化缺陷的工藝。這些工藝技術(shù)的改進(jìn)能降低電池能源回收期，同時(shí)提高硅生產(chǎn)的環(huán)境友好性。 (待續(xù))