暢蓬博 王軍輝
(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院 西安 710001)
在光伏產(chǎn)業(yè)化方面,過去十年是晶硅和薄膜電池飛速發(fā)展的黃金時期。全球光伏市場從2000年的278MW成長到2010年的17.5GW,平均年成長率51%。在這期間,采用聚光方式并且聚光倍數(shù)大于400倍的高倍聚光光伏市場,只占很小的的比例,2010年只約10MW規(guī)模。如果僅從當前規(guī)模來看,高倍聚光光伏很容易就被忽略。但是,也正是這十多年的積累,高倍聚光光伏蓄積了能量,并即將爆發(fā)。和First Solar(美國福思第一太陽能公司)憑借低成本CdTe(碲化鎘)光伏技術(shù)迅速擴張一樣,高倍聚光電池領(lǐng)域完全有可能產(chǎn)生類似的企業(yè)。
從2000年至今,高倍聚光電池芯片的實驗室最高效率從 32%提升到 43.5%,絕對轉(zhuǎn)換效率增加 11.5%,并有潛力在未來達到 50%。與此同時,晶硅電池和薄膜電池的最高效率增長幾乎停滯。水在高處有更大的勢能,對于太陽能電池來說,效率越高就意味著更高的勢能,從而也有更大的潛力降低成本,實現(xiàn)普及。
盡管產(chǎn)業(yè)化的晶硅電池和薄膜電池效率均有一定程度的增長,并由此帶來成本的降低,但是實驗室最高效率的增長幾乎停滯,也讓產(chǎn)業(yè)化電池即將碰到天花板,效率提升乏力。
產(chǎn)業(yè)化主流的單晶硅和多晶硅電池正在進行效率的升級換代,單晶硅電池從原先約17%轉(zhuǎn)換效率提升到18.5%。采用便宜的(直拉法)CZ硅片,多晶硅電池從原先的約16%轉(zhuǎn)換效率提升到約17.5%。這類效率的提升主要在于采用選擇性發(fā)射極做前電極,采用更窄的電極柵線,優(yōu)化背電極等。由于晶硅電池的實驗室最高效率采用的是更優(yōu)質(zhì)的硅片和成本更貴的影印工藝,且為小面積,不利于產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。因此在效率上,晶硅電池經(jīng)過這一波的升級換代之后,提升空間已極為有限。
薄膜電池中CdTe和CIGS(太陽能薄膜電池)的產(chǎn)業(yè)化效率和實驗室小面積最高效率還有一定的成長空間,其中 CIGS的空間會大一些,但是產(chǎn)業(yè)化技術(shù)上還存在難度。
與其他類型電池相比,由于聚光電池的面積較小,通常約1cm2,因而產(chǎn)業(yè)化電池效率幾乎與實驗室效率同步增長。當前的產(chǎn)業(yè)化聚光電池約在 39%,與實驗室最高效率 43.5%已相當接近,該效率也遠大于十年前的最高實驗室效率。
綜合比較各種電池的產(chǎn)業(yè)化效率、實驗室效率和 2010年的市場規(guī)模,能得出以下幾個結(jié)論。一是主流晶硅電池規(guī)?;呀?jīng)很高,產(chǎn)業(yè)化效率逼近實驗室效率,成本降低空間有限;二是聚光電池的規(guī)?;潭茸畹?,從而導(dǎo)致成本較高。轉(zhuǎn)換效率處于高位的聚光電池未來有望通過規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)鏈完善而大幅降低成本。
幾年前,高效率的聚光電池在市場上還很難買到。Spectrolab、Emcore和Azur Space率先實現(xiàn)了商業(yè)化,已供貨給多家CPV(聚光光伏)元件公司。在2011年及以后,越來越多的公司有能力制造該類電池。高倍聚光光伏的核心電池芯片技術(shù)不再是只掌握在少數(shù)公司手中,而是遍地開花,有一大批企業(yè)已能實現(xiàn)較高轉(zhuǎn)換效率,并即將量產(chǎn)。核心部件聚光電池芯片產(chǎn)業(yè)化的成熟,必將帶動聚光系統(tǒng)的其他配套協(xié)同發(fā)展,高倍聚光光伏已積聚大量能量,該產(chǎn)業(yè)蓄勢待發(fā)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計截至2011年,全球范圍有能力制造多結(jié)聚光電池的公司見表1。
表1 有能力制造多結(jié)聚光電池的公司一覽表
高倍聚光電池芯片一般采用Ge襯底,利用MOCVD外延工藝外延生長三結(jié)電池,分波段吸收太陽光以達到提高轉(zhuǎn)換效率的效果。太陽光通過聚光透鏡把光匯聚到電池芯片上,電池芯片在工作時會產(chǎn)生大量電流和熱量,需要用芯片接收器將電流導(dǎo)出,將熱量散掉。有些設(shè)計會在芯片上面加一個二次光學(xué)裝置,以使光更好的匯集。
芯片、接收器、散熱裝置、聚光透鏡和二次光學(xué)器件共同組成聚光電池模塊,再加上跟蹤系統(tǒng)、逆變器和其他部件,就構(gòu)成了整個高倍聚光光伏系統(tǒng)。高倍聚光光伏系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。
圖1 高倍聚光光伏系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)各部分成本結(jié)構(gòu)方面,電池芯片約占17.5%、封裝約20%、光學(xué)器件11%、追蹤系統(tǒng)21%、逆變器7%、BOS 16%、其他部分7.5%。而電池芯片以外部分所占的成本較高,這是因為聚光光伏系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模還太低,相關(guān)配套供給不夠完善導(dǎo)致。
產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)參與者逐漸增多,多數(shù)為近幾年新進入。美國企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)著高倍聚光產(chǎn)業(yè)的走向。在核心聚光電池芯片有 Spectrolab、Emcore、Solar Junction和 Spire等一批領(lǐng)先企業(yè),持續(xù)提升電池效率。光學(xué)器件、跟蹤系統(tǒng)再到整個聚光光伏系統(tǒng),則有 Concentrix Solar、Solfocus、Amonix等企業(yè),多數(shù)已積累了大量的實踐經(jīng)驗。芯片接收器則由芯片企業(yè)Spectrolab和Emcore自行生產(chǎn),并且當前聚光系統(tǒng)的市場大部分集中在美國西部,當?shù)仄髽I(yè)有先發(fā)優(yōu)勢,率先得到發(fā)展?;蛘咭部梢哉f,美國聚光光伏產(chǎn)業(yè)的參與者培養(yǎng)了美國市場,兩者相輔相成。
中國大陸和臺灣地區(qū),在各環(huán)節(jié)從襯底、芯片、跟蹤器到系統(tǒng)均有企業(yè)參與,并且企業(yè)數(shù)量所占比重逐漸增大。美國一些領(lǐng)先企業(yè)也選擇與大陸和臺灣合作生產(chǎn)部分器件。如早期Spectrolab與臺達電合作生產(chǎn)芯片接收器;東山精密為美國 Solfocus供應(yīng)精密鈑金件和組裝服務(wù);三安光電與 Emcore合資成立日芯光伏,從事聚光光伏相關(guān)研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。
長期可靠性問題是聚光光伏系統(tǒng)面臨的一個重要問題。早期聚光光伏由于各種原因較難在商業(yè)上應(yīng)用。首先是早期光伏市場集中在屋頂應(yīng)用或與建筑結(jié)合應(yīng)用,而聚光光伏系統(tǒng)更適合大型電站;其次是 10年前聚光光伏電池最高效率只有約 32%,而目前最高效率能達 43.5%;再次就是早期光伏系統(tǒng)市場規(guī)模很小,聚光光伏系統(tǒng)不能通過規(guī)?;瘍?yōu)勢降低成本。因此在可靠性方面,聚光系統(tǒng)缺少足夠多的實例驗證,只有少數(shù)公司有超過 10年的經(jīng)驗。聚光光伏系統(tǒng)壽命常常受限于除芯片以外的部件,比如光學(xué)器件、散熱裝置、封裝效果和跟蹤系統(tǒng)等。相對其他類型電池,聚光光伏電池須承受幾百倍于其他電池的電流密度和熱量,對封裝和散熱有較強要求。由于聚光時要對準太陽,接收器面積小,對跟蹤器的精度要求較高。且跟蹤系統(tǒng)的機械部件長期在戶外條件下運作,容易出現(xiàn)問題,因此對跟蹤系統(tǒng)的可靠性也有較高的要求。
光學(xué)器件的主要問題就是可靠性。有機玻璃材料容易變黃、起泡、需要清洗。因而,一些公司用玻璃鏡片以避免磨損。雖然生產(chǎn)光學(xué)透鏡的公司不少,但是對供貨商產(chǎn)品可靠性的鑒定依然很困難,尤其光學(xué)設(shè)計有多種多樣,不同公司常有自己獨特的設(shè)計,業(yè)內(nèi)并沒有一個統(tǒng)一標準。此外,透光率、光斑均勻性、焦距、工藝一致性、像差、抗紫外線、抗風沙能力等也是評估透鏡的重要指標。
芯片接收器在聚光系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中只有少數(shù)幾家廠商參與,這也意味著投資機會。在聚光系統(tǒng)成本中,封裝的部分占到20%,甚至高于電池芯片,可見該部分利潤可觀。
典型的芯片接收器包含高熱導(dǎo)率的覆銅陶瓷、低熱阻抗封裝、旁路二極管和電流引出裝置。制造接收器的技術(shù)已經(jīng)在LED工業(yè)有很好的準備,因此大陸和臺灣不少LED相關(guān)企業(yè)切入接收器會較為容易。臺達電早在 2007年就與Spectrolab合作開發(fā)了聚光接收器,但在 2009年就放棄了該業(yè)務(wù),當時的市場還沒起來。大陸的三安光電、河北英沃泰、藍天太陽也開始在布局該環(huán)節(jié)。
電池芯片與熱阻之間的粘接,以及電池芯片與二次光學(xué)器件之間的粘接常常會出問題。很多公司有報導(dǎo)在加速測試中這些部位發(fā)生老化。光學(xué)器件的粘接部分可能隨著時間推移而變黑,或者產(chǎn)生氣泡而加速老化。對封裝各種問題的解決是聚光系統(tǒng)長期可靠性的必要保證。
作為聚光電池的襯底,鍺單晶是以區(qū)熔鍺錠為原料,用直拉法(CZ)或垂直梯度法(VGF)等制備的鍺單晶體。紅外級鍺單晶用于制作紅外窗口、紅外鏡頭等光學(xué)部件的機體材料。半導(dǎo)體器件用鍺單晶制作各類晶體管和聚光電池用機體材料。探測器級鍺單晶用于制作高分辨率伽馬射線探測器。據(jù)云南臨滄鑫圓鍺業(yè)2010年的招股書,太陽能電池用鍺單晶片的毛利率達74.96%,可見利潤豐厚,并也有降低整體系統(tǒng)成本的空間。
全球鍺資源有限,目前已發(fā)現(xiàn)的鍺礦資源基本已被現(xiàn)有鍺生產(chǎn)企業(yè)所占有,加上行業(yè)特有的技術(shù)壁壘,新進入者較難進入該領(lǐng)域。中國是目前全球最大的鍺生產(chǎn)國和出口國,2010年鍺產(chǎn)量占到全球的70%以上。但鍺襯底的供應(yīng)幾年內(nèi)不會成為問題,業(yè)內(nèi)相關(guān)專家預(yù)計有充足的Ge能夠維持每年約4GW的CPV安裝量。一些公司也在研制可重復(fù)利用Ge襯底的技術(shù),以及用 GaAs替代 Ge的技術(shù),如果成功將大大降低Ge襯底需求。
高倍聚光光伏系統(tǒng)具備爆發(fā)性增長的潛質(zhì),它不會完全取代晶硅和薄膜電池,而是會在一些陽光充足的干燥區(qū)域顯現(xiàn)成本優(yōu)勢,獲得更多市場。據(jù)歐洲光伏協(xié)會EPIA預(yù)測,2015年全球CPV市場將達到1GW規(guī)模。如果按2010年CPV市場10MW計算,那將是100倍的成長。
適宜高倍聚光光伏系統(tǒng)的高直射光區(qū)域,分布在美國西部、歐洲南部,如西班牙和意大利、大陸西部、西亞、印度北部、非洲北部和南部、拉美中部和澳大利亞。在當前全球光伏市場占據(jù)大部分的歐洲地區(qū)只有少部分在此區(qū)域。因此未來聚光光伏的發(fā)展將更多在新興市場,如美國、大陸、印度和澳大利亞等。根據(jù)美國GTM研究機構(gòu)統(tǒng)計,目前已安裝的CPV系統(tǒng)大概28MW,正在開發(fā)的已簽訂能源購買協(xié)議(PPA)的項目有289MW,另外還有207MW正在開發(fā)并等待簽訂協(xié)議。相對 2010年全球光伏市場17.5GW的規(guī)模,目前的CPV只占極小比例。
在已簽訂合約的CPV項目中,美國占據(jù)了超過92%的份額,這源于美國西部的可再生能源配額目標。但美國的市場當前主要由其本土企業(yè)占據(jù),如 Concentrix Solar、Amonix和 SolFocus。其他國家企業(yè)可能較難直接進入,而選擇為這些主要系統(tǒng)商做供給配套也許是一個途徑。
中國是高倍聚光光伏的另一重要市場。當前,國內(nèi)的光伏裝機容量目標是到 2015年達到10GW,到2020年達到50GW。西部地廣人稀,有廣闊的光照充足地區(qū)適宜建立高倍聚光光伏系統(tǒng),包括新疆、內(nèi)蒙、寧夏、甘肅、西藏、云南北部、四川西北部等。此外,東北部分地區(qū)也有較好的光照條件,在這些光照充足區(qū)域,高倍聚光光伏系統(tǒng)有比主流晶硅電池更具成本優(yōu)勢的潛質(zhì)。國內(nèi)當前已建成的高倍聚光光伏電站還較少。規(guī)模較大的是三安光電在 2010年完成的青海1MW CPV示范性電站,三安光電計劃青海二期2MW項目在 2011年底前完成。此外,上海聚恒在2011年初完成了青島200kW的CPV電站項目。聚光光伏并不缺少市場,只是該市場需要整個產(chǎn)業(yè)鏈的相關(guān)廠商經(jīng)營培養(yǎng)才能壯大。其優(yōu)勢在于高直射光區(qū)域的大型地面電站,主要的對手是晶硅電池,哪怕只從晶硅電池市場搶得一小部分的份額,對于當前的高倍聚光光伏安裝量來說,也將是巨大的成長。
(1)高倍聚光光伏的產(chǎn)業(yè)化即將大范圍鋪開,整條產(chǎn)業(yè)鏈都是機會。高倍聚光光伏產(chǎn)業(yè)當前并沒有絕對的龍頭企業(yè),即使是在產(chǎn)業(yè)化進程領(lǐng)先的企業(yè)也沒有太多的產(chǎn)能,多數(shù)還只是在擴產(chǎn)階段。
核心部件聚光電池芯片技術(shù)已有超過20家公司掌握,大多數(shù)已具備量產(chǎn)能力。該環(huán)節(jié)臺灣有多家具有LED背景的企業(yè)進入,但無論電池效率還是量產(chǎn)進程,均與歐美領(lǐng)先企業(yè)有一定差距,須加快步伐追趕。
芯片接受器環(huán)節(jié)目前只有少數(shù)幾家企業(yè)進入,值得投資者關(guān)注。該環(huán)節(jié)未來的方向由芯片廠商垂直整合,或者由單獨的幾個大廠生產(chǎn),這取決于產(chǎn)業(yè)鏈參與者的實力對比。
光學(xué)器件和跟蹤系統(tǒng)在聚光光伏系統(tǒng)的長期運作方面起著極為重要的作用,該部分的可靠性問題目前業(yè)界并沒有很好的解決,而這就意味著有機會。
高倍聚光光伏產(chǎn)業(yè)正處在跑馬圈地時期,產(chǎn)業(yè)化即將大范圍鋪開,整體產(chǎn)業(yè)鏈都是機會。
(2)CPV系統(tǒng)規(guī)模化后有較大成本降低空間,有望產(chǎn)生第二個First Solar。在成本方面,以10MW規(guī)模的高倍聚光光伏技術(shù)和超過 15GW規(guī)模的晶硅電池技術(shù)比較是不合理的。當聚光光伏規(guī)模幾十倍、上百倍地成長之后,將有巨大的成本降低空間,尤其高倍聚光光光伏只使用很少的半導(dǎo)體材料。在高倍聚光光伏發(fā)展中,有望產(chǎn)生第二個類似First Solar的企業(yè),在極短的時間擴大規(guī)模,成長為行業(yè)龍頭企業(yè)。以當前的市場份額來看,美國Concentrix Solar、Amonix和SolFocus占據(jù)最多電站市場,處于領(lǐng)先,但這幾家企業(yè)并不生產(chǎn)芯片。芯片制造方面,美國多家企業(yè)處于領(lǐng)先。迅速竄起的Solar Junction以43.5%的電池效率領(lǐng)先。大陸的三安光電正在進行全產(chǎn)業(yè)鏈整合,業(yè)務(wù)涉及芯片、接收器、元件、系統(tǒng)和電站,規(guī)劃到 2015年實現(xiàn)1GW產(chǎn)能,有較大發(fā)展?jié)摿Α5a(chǎn)業(yè)處在大規(guī)模發(fā)展初期,未來亦充滿眾多變量,機會是有的,不過一切只能是事在人為。