光伏制造業(yè)：現(xiàn)狀、前景及研究需求(一)

中國科學院寧波材料技術(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

當前全球能源消耗已達15TW，其中絕大多數(shù)來源于化石燃料的燃燒。人類能源活動所排放的CO2已明顯改變了大氣的成分，并嚴重影響全球的氣溫、海平面及氣候模式。到21世紀中葉，全球?qū)⑿略?0TW能源需求，將對供應無碳排放的TW級發(fā)電技術(shù)提出巨大挑戰(zhàn)[1]。假設所有新增能源是由具有30年壽命的光伏電池板來供應，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)電能適應這種水平的需求。實際上，全球其他可再生能源，包括風能、水力、生物質(zhì)能、地熱能等能源的潛力估計不高于10TW[2]。據(jù)估算，在太陽光輻射地球＞105TW的能量中，獲取600TW的能量在技術(shù)上是可行的。獲取太陽能的方式主要通過轉(zhuǎn)換成熱能(光熱)、電能(光伏)及化學能(燃料)。前者是最直接的方式，人們已經(jīng)安裝了從1kW的家庭熱水器到強太陽輻射地區(qū)的50MW的光伏發(fā)電站[3]。獲得太陽能燃料的方法通常是光化學分解水產(chǎn)生氫氣及還原CO2成液態(tài)燃料如甲醇。太陽能燃料現(xiàn)階段仍處于起步的發(fā)展狀態(tài)，當前主要的精力還集中在基礎(chǔ)研究上。

在過去的10年里，光伏發(fā)電已經(jīng)實現(xiàn)了超過40%的年均復合增長率，2009年的裝機容量達到8GW。而且在下一個10年，當光伏發(fā)電從政府補貼的產(chǎn)品發(fā)展到一個可產(chǎn)生經(jīng)濟利益的商品時，市場進一步擴張的勢頭將更為強勁。圖1給出了傳統(tǒng)能源與光伏發(fā)電的成本對比。2009年美國電網(wǎng)供電的價格是9.5美分/kWh，由于需求增加及可能引入碳稅帶來的高稅率，這個價格將持續(xù)上漲。當前光伏發(fā)電的成本雖仍高于電網(wǎng)供電價格的2～3倍，但其成本一直在下跌。兩種價格交叉，也就是通常所說的“平價上網(wǎng)”(grid parity)將有望下一個10年中實現(xiàn)。事實上，電網(wǎng)同價已在太陽能資源豐富以及發(fā)電成本較高的地區(qū)得以實現(xiàn)，如南加州地區(qū)。我們也注意到，一方面是未來幾十年光伏產(chǎn)業(yè)學習曲線的簡單外延，另一方面也同時伴隨著化石燃料發(fā)電不可避免的成本增加，計劃中的電網(wǎng)同價不需要任何技術(shù)上的突破[4]。

盡管這一成功令人驚訝，光伏制造業(yè)必須擴充兩個數(shù)量級的產(chǎn)能，達到每年TW級的水平，才能把我們的社會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)，但同時也帶來了更多的機遇。太陽光持續(xù)照射到地球上的平均光流量為1000 W/m2。如果假設有10%的凈轉(zhuǎn)換效率(發(fā)電、傳輸與儲存)，那么只需約1萬億m2面積就可提供30TW的清潔能源。假設太陽電池按30年的壽命計算，轉(zhuǎn)換成組件產(chǎn)量約500億m2/年。作為對比，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，美國自然科學基金會組織了一場研討會，主題是推進在光伏制造領(lǐng)域幫助解決上述挑戰(zhàn)的創(chuàng)新研討。本次研討會由基金會的化學和生物工程、環(huán)境和運輸系統(tǒng)、工業(yè)創(chuàng)新和伙伴、化學和材料研究四個分部共同發(fā)起。本次研討會的目標是：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前和未來的制備、制造技術(shù)挑戰(zhàn)；促進小型企業(yè)和大學或大公司之間的有效、高效的合作來努力克服這些挑戰(zhàn)。此次會議邀請了60多位業(yè)內(nèi)專家，來自美國國家可再生能源實驗室以及美國國家標準局的科學家也出席了本次研討會。了解研討會詳情可瀏覽網(wǎng)頁：http://inside.mines.edu/fs_home/cwolden/PVworkshop/Report2.html。

二 光伏制造業(yè)的當前現(xiàn)狀

本文旨在闡述主要集中于本世紀所發(fā)生的光伏技術(shù)的實質(zhì)性變化。選擇這一時期基于：直到2003年才有一系列好的關(guān)于光伏工業(yè)成長和進展的綜述型報道出現(xiàn)[4～6]；伴隨著過去七年的經(jīng)驗積累，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99%的光伏市場，并且光伏制造業(yè)由日本和歐洲主導[6]。今天，晶體硅(c-Si)仍占有85%的市場，但是中國的光伏制造業(yè)處于世界的領(lǐng)先地位[7]。在非常短的時間內(nèi)，中國一躍變成了世界50%光伏組件的供應商。這種增長離不開政府的政策支持和資金投入，且也受益于較低的勞動力成本，其組件成本低于日本、歐洲以及美國。

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

圖3顯示了已報道的產(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能成本的最大因素。通過降低成本、提升組件性能，規(guī)模效應及在制造科學和技術(shù)領(lǐng)域的改進可加速光伏產(chǎn)業(yè)的擴張。

上述光伏技術(shù)處于各自學習曲線的不同點，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)間競爭的決定因素。但創(chuàng)紀錄的單晶硅電池達到SQ極限的90%，而商業(yè)薄膜組件只達到其潛能的35%。下面將綜述這些相互競爭的光伏技術(shù)的優(yōu)點和局限。

三 現(xiàn)今光伏技術(shù)的機遇與挑戰(zhàn)

1 晶體硅

受益于集成電路(IC)工業(yè)對硅材料的廣泛研究，硅是世界上發(fā)展最快且被人類了解最多的半導體材料，調(diào)控硅材料性能的技術(shù)較為成熟。硅是儲量最豐富且較穩(wěn)定的半導體材料。多晶硅的市場份額雖已從65%開始衰減，但當前它仍是光伏產(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爭力。制約當前單晶硅技術(shù)發(fā)展的因素可參見Goetzberger等人在2003年發(fā)表的綜述報告[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的電子級高純硅。這個產(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IC工業(yè)用硅量，才導致明顯變化。這個轉(zhuǎn)變使得硅料供應商措手不及，引發(fā)了2008年的供應短缺以及價格猛漲。隨后，硅料生產(chǎn)廠商采取措施擴大產(chǎn)能，同時研發(fā)太陽能級硅的提純新技術(shù)。電子級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)，對冶金級硅進行提純，從而使能耗降低到原來的1/5[13]，但是這種新技術(shù)使得太陽能級硅中殘留高濃度的Fe和Al。這些金屬對IC工業(yè)是致命的，但低濃度的金屬摻入在太陽電池工業(yè)中是可以容忍的。為此，人們致力于研究太陽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)的改進能降低電池能源回收期，同時提高硅生產(chǎn)的環(huán)境友好性。 (待續(xù))