光伏發電技術清潔度分析

北京科技大學冶金與生態工程學院 ■ 侯明山 李士琦 劉超 董洪波

一 引言

太陽能是地球上最豐富的能源，一年內到達地球表面的太陽能總量是目前探明能源總儲量的一萬倍[1]，同時太陽能是取之不盡，用之不竭的，是可以持續利用的能源。而化石能源如煤、石油、天然氣等，儲量日益減少，且帶來了嚴重的環境污染問題，于是近幾年光伏發電行業得到快速發展。圖1為中國、日本、美國及世界其他國家太陽電池產量[2]。

光伏發電行業得到快速發展的同時，有人對光伏發電技術的清潔程度表示憂慮[3]，主要表現在CO2減排能力、重金屬排放和SiCl4等問題。本文將應用時空多尺度分析和全生命周期評價分析方法對這幾個問題進行計算與分析，以探討光伏發電技術清潔與否。

二 分析方法

1 多尺度分析

太陽電池是將太陽輻射能直接轉化為電能的半導體器件，光伏發電是光電轉換過程，轉換過程以電子為介質，不涉及碳元素的化學反應，沒有任何污染物的產生和排放，是完全清潔的過程。但此過程是在極小、極短時間內的微觀尺度下進行的。

研究某個系統，要把這一系統定位在合適的時空尺度范圍內。太陽能取之不盡、用之不竭是相對人類而言，若把時空尺度放大到宇宙、億年的層次上，太陽也有終結時，這一過程為100億年左右。顯然用億年的時間尺度來探討人類活動過大，這一尺度就人類而言就是無窮盡的。將光伏發電放在人類的時空尺度(年、米)下探討，從礦石熔煉多晶硅到光伏系統發電直至報廢這一過程約為20年左右。

2 全生命周期評價分析

根據多尺度分析把研究范圍定義在太陽電池從產生到報廢的20年內，光伏發電系統對環境產生的負荷包括系統從產生到報廢的各個環節所產生的影響，即用生命周期評價方法分析。生命周期評價是通過對能量和物質的利用及由此造成的環境廢物排放進行識別和量化的一種評價方法。評價貫穿于產品、工藝和活動的整個生命周期，包括原材料提取與加工、產品制造、運輸及銷售；產品的使用、再利用和維護；廢物循環和最終廢棄處理。

商品化太陽電池的生命周期應包括[4]：(1)晶體硅冶煉，獲得冶金級晶體硅；(2)太陽能級硅精煉，晶體硅硅片制取；(3)光伏組件制作；(4)光伏發電通過電網輸送給用戶的過程；(5)報廢后處理。太陽電池全生命周期過程如圖3所示。

按照生命周期分析方法，電池組件壽命20年，每天日照按4.7h計算，在其壽命內發電時間為20×365×4.7=34310h，1kW的電池組件在其壽命內發電量為34310kWh。

從制造光伏發電系統的能耗來看，將光伏系統生產過程中所有能量消耗折合為電能，高純多晶硅材料制備，硅錠、硅片的生產三步工藝消耗能量最高為2205 kWh/kWp，占到總能量的72.5%，框架及配套部件耗能320 kWh/kWp，則多晶硅光伏系統的生產總能耗為2525kWh/kWp[5]。

用光伏系統的能量輸出和能量消耗的比值可以計算出光伏發電的能量轉換效率為13.6%。

三 光伏發電減排CO2能力分析

近年來隨著中國經濟的高速增長，溫室氣體的排放量也迅速增加，從1990年到2008年，中國人均CO2的排放量增加近兩倍。盡管每年人均CO2排放量為4.92t，略高于每人每年4.39t的全球平均值，但由于人口眾多，2008年CO2排放總量達到了60.18 億t[6]，成為全球碳排放第一大國，2009年則達到64億t[7]。

光伏發電過程中不排放溫室氣體和任何廢棄物，不會污染環境，是理想的清潔能源，推廣應用光伏發電是減少CO2排放量的有效措施。在光伏系統輸出電能時，可避免當地電廠發出同等電能所產生溫室氣體的排放。但正如前面所述，在光伏發電的生命周期中是有CO2排放的，多晶硅光伏系統組件的生產總能耗為2525kWh/kWp。1kW的光伏組件可發電34310kWh，按中國單位發電量的CO2排放因子764g / kWh[8]計算，光伏發電系統生命周期內CO2排放量為56g/ kWh。光伏發電和常規能源發電的碳排放量對比如圖4[9]所示，可計算出在中國目前發電CO2排放因子水平下，光伏組件每發電1kWh可減排CO2708g，每安裝1kW光伏組件在全生命期20年內可減少CO2排放總量24.3t。

四 重金屬

中國常規能源發電主要為煤發電，煤中元素種類眾多，除了一些主量元素，還含有很多重金屬元素，如As、Cd、Ni、Hg、Cr等[10]。重金屬主要指密度在5g/cm3以上的金屬, 它會造成生物體中毒，對土壤、水體、大氣造成污染。這些重金屬元素及其形成的化合物以煙霧或塵埃狀態散布在大氣中，數量非常大，且治理困難。我國運行的發電機組發電煤耗在0.374kg/ kWh左右，可計算出每發電1kWh因燃燒煤炭而排放的重金屬量，數據如表1所示。

表1 我國煤中一些元素的含量及發電排放量

光伏發電重金屬排放主要來源于光伏組件的生產過程仍需使用化石能源的部分，以及光伏組件的材料，如薄膜電池中的鎘等。各種光伏發電技術的重金屬排放值都在0.03mg/kWh以下[11]。將光伏發電的重金屬排放與煤發電做比較得到圖5、圖6，結果表明光伏發電的重金屬排放量遠低于煤發電的排放量。

五 四氯化硅

高純度硅是生產太陽電池所需的核心原料。目前80%以上的多晶硅都采用“改良西門子法”生產[12]，SiCl4為副產品，該物質有毒，會對環境造成污染。國際上，一般每生產1kg多晶硅可產生8～10kg SiCl4。完整的“改良西門子法”是將生成的SiCl4加氫還原成SiHCl3，再經過氫氣還原成多晶硅，從而形成閉路循環過程。但生產經驗表明，無論是SiCl4加氫還原，還是SiHCl3的還原效率都較低，因此尋找更有效的方法將SiCl4還原成多晶硅是多晶硅生產過程減少SiCl4排放的關鍵。目前國內外主要處理方法如下[13]：

1 SiCl4直接還原生產

此法與加氫生成SiHCl3相比，工藝流程更簡單，但還原速度慢、還原溫度更高。但因原料成本幾乎不計，綜合能耗和SiHCl3法基本相當。

2 VLD法[14]

VLD(Vapor to Liquid Deposition)工藝是在更高的溫度(1500℃)下將SiCl4用氫氣還原。由于溫度的提高，還原速度較1200℃時快10倍左右，且為連續化生產。即使考慮除碳工藝，其生產成本也低于西門子工藝，是生產太陽電池用多晶硅的低成本方法。

3 金屬鋅還原SiCl4[15]

金屬鋅還原法是20世紀50年代研究成功的方法，其基本原理是利用鋅和硅的化學活性差異。金屬鋅還原法轉化效率高、反應速度快(瞬時完成)、產品純度可滿足太陽電池用多晶硅的要求。該方法已在日本建立了工業化規模生產線。

4 金屬鎂還原SiCl4[16]

金屬鎂的化學活性更強，易采用升華法進行提純，因此得到的多晶硅純度更高。陽極得到的氯氣可與工業硅反應生產SiCl4，也可作為西門子工藝中的氯氣原料生產SiHCl3。此工藝易實現鎂和氯的閉路循環，既增加了多晶硅的產量，又有效地解決了副產品——SiCl4的綜合利用問題，實現了高效、綠色循環的工藝。

六 第三代太陽電池

第一代太陽電池為晶體硅電池，包括單晶硅和多晶硅電池；第二代為薄膜電池，包括多晶硅、非晶硅、碲化鎘(CdTe)以及銅銦硒(CIS)電池等；隨著技術的不斷進步，有關專家已提出第三代太陽電池的說法[17]，其中包括染料敏化太陽電池、疊層電池、多能帶電池等。盡管目前第三代太陽電池還處于實驗室研究階段，但由于其在成本或材料消耗等方面的優勢，已引起國內外的廣泛關注。

1 染料敏化太陽電池

染料敏化電池中的染料主要用于“捕獲”太陽能，再由納米氧化物(包括ZnO、SnO2或TiO2等)將光能轉換為電能，染料敏化電池采用與晶體硅電池完全不同的光電轉換原理。由于使用廉價的原材料和簡單的制作工藝[18]，原料成本大大降低，染料敏化電池的成本僅相當于硅電池的1/10。同時，它對光照條件要求不高，即便在陽光不太充足的室內，其光電轉換效率也不會受太大影響。目前，染料敏化電池的光電轉換效率已超過10%，該技術還處于研究探索階段，尚未大規模工業應用。

2 疊層電池

由于太陽光光譜中的能量分布較寬，現有的任何一種半導體材料都只能吸收其中能量比能隙值高的光子，而太陽光中能量較小的光子將透過電池，被背電極金屬吸收，轉變成熱能而散失掉。太陽光光譜可被分成連續的若干部分，選擇用與能帶寬度匹配度高的材料做成電池，并按能隙從大到小的順序由外向里疊合，波長最短的光被最外邊的寬隙材料電池利用，波長較長的光能夠透射進去，被較窄能隙材料電池利用，這可最大限度地將光能轉換成電能，這樣的電池結構就是疊層電池，大大提高了電池的性能和穩定性[19]。

根據這個原理制成的第三代太陽電池的光電轉換效率比第一代太陽電池高。據資料介紹[20]，目前德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所(ISE)的科研人員已研發出了轉換效率高達 41.1%的疊層電池。同時，疊層電池保持了第二代薄膜太陽電池低成本的優勢。圖7為三代太陽電池的光電轉換效率與生產成本的比較[21]。

第三代太陽電池大都不以硅為原料，在能耗、碳排放、成本等方面都優于第一、二代電池，一旦技術成熟，將可大規模生產使用，光伏發電技術將成為更清潔、更有競爭力的發電技術。

七 總結

根據太陽電池組件生產的總能耗，計算出光伏系統每發電1kWh的CO2排放量為56g，這一數據遠低于常規能源發電。盡管在制造太陽電池的過程中需要使用含鎘的材料，但光伏發電所排放的鎘要比常規能源發電少很多。對于太陽電池制造過程中排放的SiCl4應加以利用，使之成為下游工業的原料，實現“循環經濟”模式。隨著第三代太陽電池的出現，光伏發電技術將不再依賴高純硅，對環境造成的污染將更小。

通過對光伏發電系統的能量消耗、碳排放和重金屬排放與常規能源發電進行計算對比分析，光伏發電的清潔程度遠高于常規能源發電。同時由于新技術的發展，光伏發電將越來越清潔化，是理想的清潔能源發電技術。

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