太陽能光伏LED照明的發展現狀與前景

【摘 要】介紹了硅太陽能光伏電池的不同分類及其優缺點，重點介紹了硅太陽能電池和LED照明發展的現狀和存在的問題。并對其發展前景進行了展望。

【關鍵詞】硅太陽能電池；多晶硅；LED照明

化石能源危機的日益臨近和環境問題的日益突出，發展可再生能源已近在眉睫。太陽能具有儲量的無限性、存在的普遍性、利用的清潔性、開發的經濟型等優點而使其可能成為理想的替代能源。在經濟發展的同時，節約能源也是社會面臨的重要問題。LED作為第四代光源，以其自身的優點，作為節能產品、“綠色光源”正快速進入應用。

1.硅太陽能電池的發展現狀

基于硅元素豐富的儲量，微電子工業所積累的先進技術和硅材料太陽電池技術的飛速進展，使硅材料太陽電池在光伏產業中占有90℅以上的市場份額。

1.1單晶硅太陽能電池

目前全世界光伏工業晶體硅太陽電池所用的硅錠的投爐料，都采用半導體工業的次品硅及其單晶硅的頭尾料，半導體硅碎片，經過單晶爐的復拉，生產出太陽能級的單晶硅，這種硅料的純度大部分仍在6N到7N，以及專門為生產太陽能電池而制備的單晶硅，如中子擅變攙雜直拉硅單晶。單晶硅生長技術主要有直拉法（CZ）和懸浮區熔法。CZ法因使用石英坩堝而不可避免地引人一定量的氧，氧沉淀物是復合中心，從而降低材料少子壽命。懸浮區熔法將區熔提純和制備單晶結合在一起，能生長出高純無缺陷單晶。當前世界上直拉單晶硅太陽電池的最高轉換效率為24.5℅、區熔單晶硅轉換效率24.7℅[1、2]，目前產業化的單晶硅太陽電池效率在18-19℅左右。

1.2多晶硅太陽能電池

多晶硅太陽能電池省去了生產單晶硅這道費用昂貴的工序，節約了硅材料，對原材料要求比較低，易于長成大尺寸方錠，生長時能耗低，硅片成本降低，從而大大降低了太陽電池的生產成本；其缺點是有晶界、位錯、空位和雜質等，對多晶硅太陽電池的光電轉換效率有一定影響。多晶硅的制備方法主要有澆鑄法和電磁鑄造法，德國弗賴堡太陽能系統研究院成功的用多晶硅材料制成世界上第一個轉換效率超過20%的多晶硅太陽電池[3]，目前產業化的多晶硅太陽電池效率在17-18%左右。雖然效率比單晶硅的效率稍低，但由于價格上的優勢，多晶硅太陽能電池的產量在1999年就已經超過單晶硅太陽能電池成為硅材料太陽電池主流。

1.3帶狀硅太陽電池

單晶和多晶體都是塊狀材料，要做成太陽電池都需切割，采用內圓切割法可將硅單晶錠切成硅片，幾乎有近50%的硅材料損耗，成本昂貴。通過采用多線切割工藝，可使損失降低至30%左右，但都會造成材料的浪費。為了避免切割損失，研究了從熔融硅液中直接生長帶硅的方法，一些已用于實際生產中。采用無需切片的帶狀硅作襯底，可使硅材料的利用率從20℅提高到80℅以上[4]。帶狀硅生長方法有定邊喂膜生長法、條帶生長法、在襯底上的帶狀生長法、粉末硅片生長法、蹼狀生長法等。其中定邊喂膜生長法已經實現了工業化，是目前最成熟的帶硅技術，大面積（10cm×10cm）太陽電池的效率已經達l4.3%[5]。德國的Fraunhofer太陽能系統研究所采用光學加熱技術，直接將硅粉熔制成薄硅帶，以此作為硅電池的廉價村底，所得電池的最高效率11.2%。處于世界領先地位。班群等在低純度SSP襯底上制備的多晶硅薄膜太陽電池未經過其它電池優化工藝，在初期實驗的基礎上轉換效率達到5%～7%（電池面積1cm2）[6]。

1.4硅薄膜太陽電池

1.4.1非晶硅薄膜太陽電池

非晶硅薄膜電池材料是硅和氫的一種合金，在可見光的一定領域內，非晶硅的吸收系數要比單晶硅的吸收系數大10倍左右。要獲得滿意的吸收要求，單晶硅厚度約為100μm。而使用非晶硅僅需0.5～1.0μm厚度，大大降低材料的需求量。同時可采用集成技術在電池制備過程中一次完成組件，省去材料、器件、組件各自單獨的制作過程；可采用多層技術，降低對材料品質要求等。非晶硅主要由氣相沉積法制備的，氣相沉積法可分為輝光放電分解法、濺射法、真空蒸發法、光化學氣相沉積法和熱絲法等[7]，其中等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD）已經普遍被應用。

非晶硅薄膜電池材料由于存在Staebler—Wronski效應使得非晶硅薄膜太陽能電池在太陽光下長時間照射會產生效率的衰減，從而導致整個電池效率的降低，沉積速率低，后續加工困難等使非晶硅薄膜太陽能電池的應用受到了很大的限制。

1.4.2多晶硅薄膜太陽電池

多晶硅薄膜是由在襯底上生長的具有不同晶粒取向的很多小晶粒組成，多晶硅薄膜電池是兼具單晶硅和多晶硅體電池的高轉換效率和長壽命以及非晶硅薄膜電池的材料制備工藝相對簡化等優點的新一代電池。目前多晶硅薄膜的制備方法主要有：低壓化學氣相淀積、熱絲化學氣相淀積、固相晶化、激光誘導晶化、金屬誘導晶化等。多晶硅薄膜太陽電池在提高太陽電池效率、節約能源和大幅度降低成本方面都具有極其誘人的前景。在國內，研究工作才起步，我國河北保定英利集團生產的太陽能電池多晶硅電池片效率已達15%。

2.LED照明的發展現狀

LED 光源也就是發光二極管（LED）為發光體的光源，屬于固態光源。LED的主要優點有：發光效率高；耗電量少，在同等的照明效果下，僅為白熾燈的八分之一；使用壽命長，理論使用壽命可達10萬個小時，產品的壽命一般也超過5萬個小時；發光亮度高，散發熱量少；響應快，呼應時間在微秒級。LED光源主要應用在：景觀燈，裝飾燈；背光照明；道路照明；室內照明；汽車用燈；便攜燈具；投影光源等。

當前，LED照明存在的主要問題有：光通量有待進一步的提高，當前LED芯片的轉換效率都在20-30%左右，有很大的提高空間；LED發出的光和自然光有一定的差距，LED光中有過多藍光，由于光環效應導致不均勻色空間的產生[8]，有一定的光生物安全問題；價格較高，近年來，LED正朝高效率，低成本方向發展，這將有利于其在照明領域的應用。

3.當前太陽能光伏LED照明發展中的問題

3.1核心技術與核心設備

改良西門子法是目前生產多晶硅的主要工藝，產量占當今世界總量的 70%～80%。我國企業的核心生產技術水平低，特別是多晶硅生產的核心技術掌握在全球幾個大的化工聯合企業手里，國內的大部分多晶硅企業的生產成本比國外高10 美元/kg；國外貿易主義的抬頭；中國光伏產品的市場主要在國外，國內光伏發電發展緩慢，是造成目前中國多晶硅和光伏產業困境的主要原因[9]。

我國的企業大多集中在電池片的制造和組裝等附加值較低的中間環節，造成太陽能電池產業發展的基礎非常不穩。我國在消耗大量的能源資源以及受到嚴重環境污染后，卻把綠色無污染的能源輸送給歐美等國家[10]。國產設備雖然占據國內一半以上市場，是因性價比而非性能指標，關鍵技術與國外廠商尚有一定差距。因此要不斷提高設備的性能、穩定性和工藝能力[11]。LED芯片生產設備和技術也與國外先進水平有較大的差距。

3.2全球產能過剩和市場“兩頭在外”

2011年我國光伏電池產量達到20吉瓦，約占全球產量的65%；2012年，光伏電池組件出貨量約23吉瓦。現在全球光伏產能是60吉瓦，而整體需求只有30吉瓦，產能嚴重過剩。產能過剩導致價格快速下降，行業整體毛利率不足10%。同時國內企業擴張太快，負債率過高，多數光伏企業陷入虧損。我國80%以上太陽能電池產品用于出口，國外市場依存度過高，“兩頭在外”的現狀致使我國大部分光伏企業陷入了更大的困窘[12]。

3.3并網瓶頸與政策支持

由于太陽能的特點限制，導致光伏發電的間歇性與不確定性。光伏發電接入電網的技術并未成熟，容易對現有電網造成不上的影響。

2013年國務院出臺《關于促進光伏產業健康發展的若干意見》，提出2013年至2015年，年均新增光伏發電裝機容量1000萬kW左右，到2015年總裝機容量達到3500萬kW以上，并且要著力推進產業結構調整和技術進步。2010年國務院出臺《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》，將半導體照明列為我國未來發展的戰略性新興產業之一。2012年7月頒布的《半導體照明科技發展“十二五”專項規劃》將我國 LED 照明產業的戰略定位提升到了一個全新的高度。我國已出臺了較多的扶持政策，但各政策之間缺少體系結構，落實起來也存在很多困難，要確保政策的落實，才能更好的促進行業的健康發展[13]。

4.前景

光伏產業和LED產業一定要堅持技術創新，特別是多晶硅的生產及拉晶，切片等關鍵設備的技術水平和LED芯片的關健生產技術。加大對新技術的攻關力度，如正在進行的準單晶技術研究，開發新的太陽能級多晶硅的生產方法，物理法提純金屬硅方法的產業化，大功率LED的封裝和散熱問題等。國家要制定相應的行業準入和行業標準，以減少行業初始發展過程中的混亂局面，規范行業發展。要加快對行業的整合，遲早淘汰過剩產能和落后產能[13]。可深入研究太陽能LED照明系統，以發揮其在照明與環保兩個方面所起的重要作用。充分發展國內市場，同時大力發展國外的新興市場，完全可以消化目前過剩的產能。

總之，太陽能光伏LED照明作為前景看好的產業，隨著各項技術的發展成熟，成本的不斷降低，國家政策的大力扶植，必然會得到健康快速發展。

【參考文獻】

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