高倍聚光光伏產(chǎn)業(yè)及市場分析

暢蓬博 王軍輝

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院 西安 710001)

1 高倍聚光光伏蓄勢待發(fā)

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

2 產(chǎn)業(yè)鏈

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

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。

2.2 參與者

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。

3 存在的問題與機遇

3.1 可靠性問題

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。

3.2 光學(xué)器件

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。

3.3 接收器

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)。

3.4 封裝

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。

3.5 鍺襯底

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。

4 市場前景

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。

5 結(jié)論

（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Α５a(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。