太陽電池大觀

沿革

太陽電池(solar cell)是利用光生伏特效應(yīng)將太陽光的能量直接轉(zhuǎn)換為電能的固態(tài)電子器件，在太陽電池的光—能量轉(zhuǎn)換過程中，不需經(jīng)過其他中間能量形式，只是排出熱量成為廢熱。

最早的光生伏特器件是硒光電池，由于轉(zhuǎn)換效率太低，不可能用來發(fā)電，僅能用作光檢測(cè)元件。1954年，具有6%轉(zhuǎn)換效率的單晶硅太陽電池問世，從此有了實(shí)用的可能性，太陽電池之名也由此而來。用作太陽電池的材料有硅(Si)、GaAs、InP、CdS等，其中硅儲(chǔ)量最為豐富、價(jià)格也最便宜，故迄今為止一直用作最主要材料。上世紀(jì)70年代初期，硅太陽電池開發(fā)曾有幾項(xiàng)重大突破，使最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了19.1%。

硅太陽電池具有很長的壽命和很高的功率/重量比。早期硅太陽電池主要用作航天器的電源，在地面上主要用于航標(biāo)燈、無人中繼站電源、太陽能水泵、電子表和計(jì)算器等，后來才逐漸發(fā)展到太陽電池發(fā)電站和家庭供電。

太陽電池作為無污染能源和礦物燃料的一種替代品而日益受到人們重視，特別在上世紀(jì)80年代，世界對(duì)全球氣候變暖的嚴(yán)重問題達(dá)成共識(shí)。1988年后聯(lián)合國組成了專門有關(guān)氣候變化的組織，目的是限制溫室氣體排放，穩(wěn)定大氣中的CO2濃度，以防止氣候的危險(xiǎn)變化，并鼓勵(lì)太陽電池發(fā)電站多多投入實(shí)用。

2005年2月京都議定書(美國未參加)生效，對(duì)地球環(huán)境、能源問題再次給與了極大關(guān)注，要求各國普遍減少CO2排放量，進(jìn)一步促進(jìn)了太陽光、風(fēng)力等自然能源的開發(fā)利用。日本、歐洲、美國都在積極推廣太陽電池，歐洲近年措施得力，發(fā)展更為迅速。

日本政府通過補(bǔ)助金制度大力推進(jìn)太陽電池的使用，1994年后獲得順利發(fā)展，到2003年，在太陽光發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用方面，日本一直處于世界領(lǐng)先地位。2004年日本的專門機(jī)構(gòu)又?jǐn)M訂了“2030年前太陽光發(fā)電發(fā)展路線圖”，加緊擴(kuò)大利用太陽能發(fā)電，目標(biāo)是到2030年能占家庭用電的一半，相當(dāng)于占全部電力的10%。

此外，德國、意大利、西班牙等歐洲國家也都通過政府收購政策(價(jià)格是一般電費(fèi)的3倍)以發(fā)展太陽電池發(fā)電的應(yīng)用，美國布什總統(tǒng)在去年1月的國情資文中說，為減少對(duì)中東石油的依賴，決定實(shí)施大力投資太陽電池發(fā)電為主的取代能源政策。加州在2007年后的10年間累計(jì)引入太陽電池發(fā)電的容量將達(dá)3000MW。

市場

世界太陽電池自上世紀(jì)80年代末逐漸發(fā)展起來，近年，太陽電池應(yīng)用開始發(fā)飚，迅速成長。據(jù)日本統(tǒng)計(jì)(圖1)，2003年世界太陽電池以發(fā)電量計(jì)，比上年激增34%，達(dá)750MW，其中日本居首，獨(dú)占49%，歐洲其次，占27%，美國和其他地區(qū)各占12%，2004年世界太陽電池生產(chǎn)量又猛升57%，達(dá)1180MW，首次突破1GW。又據(jù)日本三洋電機(jī)公司預(yù)測(cè)，世界太陽電池市場未來幾年還將保持年均26%的增長速度前進(jìn)，2010年可望達(dá)4GW。世界正進(jìn)入太陽能時(shí)代。

圖1 世界太陽電池市場的發(fā)展

圖2 世界太陽電池市場展望

隨著新材料的開發(fā)和價(jià)格的下降，有公司樂觀預(yù)測(cè)，2010年世界太陽電池市場可達(dá)5-7GW，到2020年這段時(shí)間還將加速發(fā)展，2010-16年間可突破100GW，2020年可望達(dá)到300~500GW/年(圖3)。

圖3 太陽電池市場長期展望

當(dāng)然，除了太陽電池之外，還有其他新能源發(fā)電方式，包括風(fēng)力發(fā)電、廢棄物發(fā)電等，但太陽電池發(fā)電將愈來愈占重要的地位。日本政府調(diào)查，2010年在各種新能源發(fā)電中太陽電池不過占9%，待到2030年將成長到占51%，其時(shí)廢棄物發(fā)電占9.5%，風(fēng)力發(fā)電占6.8%。

材料

當(dāng)前，太陽電池的制造原料主要是硅，包括單晶硅和多明硅占90%以上。結(jié)晶硅(單晶硅、多晶硅和HIT-Hetrojunctien with Intrisic Thin-layer 薄膜非晶硅和單晶硅組成的太陽電池)太陽電池變換效率一般，價(jià)格適中，主要用于地面發(fā)電；非晶硅太陽電池效率低，成本也低，主要用于消費(fèi)電子(如計(jì)算器)；砷化鎳太陽電池效率高，成本也高，主要為太空應(yīng)用。

由于太陽電池事業(yè)近年發(fā)展之快出乎意料，因此硅材料特別是今后一二年會(huì)感到十分緊迫。如果按制造1W太陽電池需要10g硅的話，那么2005年1.7GW的太陽電池市場需要1.7萬噸的硅。實(shí)際上，當(dāng)年世界共生產(chǎn)硅3.1萬噸，用于太陽電池的為1.3萬噸，其余的硅供集成電路等半導(dǎo)體生產(chǎn)使用，缺口甚大。為此，各生產(chǎn)廠商包括Hemlock、Tokuyama、Wacker等公司都將擴(kuò)大生產(chǎn)，預(yù)計(jì)2008年世界硅供應(yīng)量達(dá)5.5萬噸，2010年可望達(dá)到7.2萬噸，或可得到一定程度的緩解。

除了原料不足之外，面臨的另一個(gè)大問題是價(jià)格。這一問題將隨著新材料的開發(fā)使用而逐漸得到解決。據(jù)日本業(yè)界的調(diào)研，眼下的發(fā)電成本是每度47日元(約合40美分，1美元＝116日元)，2010年有望降低到一般家用電費(fèi)的水平，即23日元/度，2020年將進(jìn)一步降到與業(yè)務(wù)用電費(fèi)相等，14日元/度，2030年再降到與火力發(fā)電同樣的成本水平7日元/度，近30年降低7倍，在新材料突破應(yīng)用，原材料問題解決之后，世界太陽電池市場將擴(kuò)大到現(xiàn)有市場的10倍、100倍。

正在興起并最有前途的新材料當(dāng)屬薄膜。薄膜太陽電池主要有非晶硅太陽電池、CIS(順式)化合物和有機(jī)化合物等(圖4)。非晶硅又包括H膜硅和微晶硅，近年實(shí)用化迅速，故稱明日之星。因?yàn)楣璧墓馕諏又灰?~3mm，所以使用原料只及結(jié)晶硅的百分之一，從而可大大節(jié)省原料。日本不少廠商，包括從事結(jié)晶硅太陽電池的Sharp等都將投入開發(fā)生產(chǎn)。薄膜太陽電池普及的關(guān)鍵是價(jià)格性能比，它的變換效率必須再提高1.2倍，才能達(dá)到多晶硅太陽電池16%的效率。當(dāng)然，價(jià)格也需下降。隨著問題的解決，薄膜太陽電池的生產(chǎn)量將從現(xiàn)在占太陽電池總產(chǎn)量的5%，兩三年內(nèi)即可達(dá)二三成。薄膜太陽電池將首先面向工廠、學(xué)校、辦公大樓等的發(fā)電應(yīng)用。薄膜太陽電池的硅薄膜具有輕、薄、可彎曲等特性，可以和屋頂鋼板做到一起去。另一種預(yù)計(jì)是2010年世界太陽電池總生產(chǎn)量為3GW，而薄膜太陽電池為600~1000MW。

圖4 太陽電池使用材料

化合物薄膜太陽電池有CdTe和CIS兩類，日本主要從事CIS的開發(fā)，昭和殼牌石油公司和本田工業(yè)公司共同發(fā)表聲明，2007年開始可投入量產(chǎn)。CIS太陽電池面臨的課題是大面積高效模塊的制作。此外，CIS太陽電池的原料In有枯竭之慮，未來大量生產(chǎn)時(shí)須考慮替代用品。

有機(jī)太陽電池一般有濕式色敏太陽電池和固體有機(jī)薄膜太陽電池兩類。色敏太陽電池由于電解液要蒸發(fā)而導(dǎo)致性能降低，廠商正積極開發(fā)，固體或凝固體電解液，含有Ru的有機(jī)太陽電池變換效率已超過10%。固體有機(jī)薄膜太陽電池和硅太陽電池相同，采用Pn結(jié)，近年變換效率提高很快。有機(jī)材料異常豐富，無古竭之慮，制造成本便宜，且易撓性化，今后勢(shì)將快速發(fā)展。

廠商

日本Sharp公司年產(chǎn)太陽電池324MW，到2004年的5年中一直是世界上穩(wěn)坐龍頭老大，它的產(chǎn)量大于全歐，比北美大約一倍。第二大公司是日本Kyocera公司，年產(chǎn)105MW，第三還是日本公司—三菱電機(jī)公司，年產(chǎn)75MW。隨后依次是德國Q-Cell、日本三洋、美國Shell Solar、西班牙Isofoton、德國RWE Schott Solar、年產(chǎn)34MW的澳大利亞BP Solar。年產(chǎn)20MW的太陽電池公司2004年已達(dá)到15家，比上年增加了5家。

Sharp公司投資3.4億美元在奈良縣葛城市建立葛城工廠，使其2005年產(chǎn)量增加到500MW，2006年又投資5.9億美元，將進(jìn)一步提高生產(chǎn)能力，以保持其世界同業(yè)頂尖公司的地位。三菱電機(jī)的生產(chǎn)能力，2006年擴(kuò)大到了230MW。三洋電機(jī)制訂了“下一代HIT太陽電池”大計(jì)劃，計(jì)劃投資3.36億美元，2010年達(dá)到600MW的年產(chǎn)能力，進(jìn)入世界頂級(jí)公司之列。京陶公司的八日市工廠，年產(chǎn)240MW，并在捷克建造了面向歐洲的太陽電池工廠，在全球?qū)嵤┧募?jí)生產(chǎn)體制。

薄膜硅太陽電池最大生產(chǎn)公司是位于日本大阪的卡內(nèi)卡公司，到2007年春投資約4.2億美元，生產(chǎn)能力已達(dá)50MW，明年計(jì)劃擴(kuò)大到70MW，并向100MW挺進(jìn)；Sharp現(xiàn)生產(chǎn)15MW，將迅速增加到100MW；三菱重工業(yè)年產(chǎn)40MW，今后將逐漸提高到80MW，120MW；富士電機(jī)系統(tǒng)公司年產(chǎn)15MW，2009年可達(dá)30MW，并將擴(kuò)大到100MW。采用化合物薄膜生產(chǎn)太陽電池的公司有昭和殼牌石油公司，年產(chǎn)20MW；本田公司年產(chǎn)27.5MW。采用球形硅生產(chǎn)電池的公司有富基珀雷阿姆公司，年產(chǎn)12MW，2010年計(jì)劃達(dá)120MW。

太陽電池生產(chǎn)采用新材料，為業(yè)界還來新的機(jī)遇，會(huì)有不少新公司參加進(jìn)來，促進(jìn)太陽電池加快發(fā)展。主要硅原料供應(yīng)公司有Hemlock、托庫雅瑪、沃克等；電極材料供應(yīng)有杜邦、Ferro等公司。進(jìn)入新材料使用期，旭硝子公司將供應(yīng)玻璃基板；帝人杜邦薄膜公司供應(yīng)柔性基材。