太陽能的繁榮

中國的巨大機遇

　　2006年和2007年，歐洲是全球最大的區(qū)域性太陽能光電市場，中國同樣面臨著巨大的機遇，因為中國存在著龐大的半導(dǎo)體基礎(chǔ)架構(gòu)。今年，中國光電電池的生產(chǎn)規(guī)模超過了德國，在產(chǎn)量方面處于世界領(lǐng)先地位，德國的Q-Cells和中國無錫尚德分別是處于第二位和第四位的電池生產(chǎn)廠商。江西賽維(LDK)與德國奇夢達(dá)公司簽訂了一份為期5年的合同，將從2009年到2013年向其供應(yīng)裝機容量約540MW的多晶太陽能晶圓。德國公司Aleo太陽能與孚日集團簽訂了合作協(xié)議，打算在中國山東新建一個太陽能模塊生產(chǎn)工廠，以滿足亞洲市場對太陽能模塊不斷增長的應(yīng)用需求。該公司估計，到2012年韓國、日本和中國的市場產(chǎn)值至少將達(dá)到120億美元。意大利PV電池與模塊制造商Silfab公司將向常州的天合光能提供足以在6年內(nèi)生產(chǎn)約225MW太陽能模塊的純多晶硅。

圖3  晶體硅是最便捷的PV技術(shù)，它能夠借鑒微電子業(yè)發(fā)展的工藝技術(shù)

　　太陽能市場對于中國而言也十分具有戰(zhàn)略意義，到2015年中國將超過美國成為全球主要的CO2排放國。這是中國經(jīng)濟年均兩位數(shù)驚人增長率的必然結(jié)果。此外，將在2008年8月舉辦的北京奧運會和之后的殘奧會也是推動光電技術(shù)發(fā)展的一次難得機遇，包括在體育場館和奧運村內(nèi)安裝光電模塊在內(nèi)，中國政府在環(huán)保措施上的投入已經(jīng)超過了120億美元。例如，豐臺棒球館擁有裝機容量為27kW的光電系統(tǒng)。即將舉辦田徑項目和足球賽的國家體育場也采用了130kW的光電系統(tǒng)。此外，為奧運村中的路燈供電的電力也來自于太陽能。2008年歐洲足球錦標(biāo)賽也采取了類似的太陽能應(yīng)用措施。安裝在瑞士伯爾尼范可多夫體育場內(nèi)的1.35兆瓦光電系統(tǒng)是迄今為止安裝在大型體育場內(nèi)最強大的光電系統(tǒng)。

現(xiàn)有的與新興的光電技術(shù)

　　一直以來，晶體硅(c-Si)都被用作太陽能電池中吸收光的半導(dǎo)體材料，但是這種材料吸收光的能力相對較弱，是一種間接禁帶半導(dǎo)體材料。用晶體硅制作太陽能電池板需要相當(dāng)厚的材料：太陽能級晶圓的直徑高達(dá)150mm，厚度需要350微米。但實際情況表明，晶體硅是最便捷的PV技術(shù)，因為借鑒微電子領(lǐng)域的工藝技術(shù)，能夠利用晶體硅制造出穩(wěn)定而高效的太陽能電池。該技術(shù)擁有約90%的市場份額；光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)22%以上。多晶硅(簡稱mcSi或多晶硅)PV單元的轉(zhuǎn)換效率通常更低，這是由于大塊材料中存在的晶界增加了電子-空穴對的復(fù)合，降低了電荷移動性和能量轉(zhuǎn)換效率。

表2    常用的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)對比

　　但是，硅電池制造的主流趨勢仍然是采用多晶技術(shù)，因為結(jié)晶硅晶圓的成本非常高，占成品模塊成本的40%~50%。去年，多晶硅的總產(chǎn)量增加了30%，但是它畢竟是一種產(chǎn)量有限的技術(shù)。2007年，有20多家新公司開始生產(chǎn)多晶硅。在中國，多晶硅工廠像雨后春筍一樣涌現(xiàn)，成為一個新的經(jīng)濟熱點。有20多家公司開始建立多晶硅制造廠。他們生產(chǎn)的多晶硅總產(chǎn)量將達(dá)到80,000~100,000噸，這比目前全球40000噸產(chǎn)量的兩倍還要高。中國最大的PV產(chǎn)品廠商之一英利太陽能公司正力爭在中國保定實現(xiàn)每年3000噸的多晶硅產(chǎn)量。

　　由III-V族元素構(gòu)成的半導(dǎo)體材料是直接禁帶化合物，因此具有最高的轉(zhuǎn)換效率。但是，它們的價格非常昂貴，主要用于衛(wèi)星和軍事應(yīng)用，通常采用光學(xué)聚光和復(fù)雜的跟蹤系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)40%的轉(zhuǎn)換效率。長期來看，薄膜技術(shù)對于降低太陽能光電系統(tǒng)的成本具有最大的潛力。薄膜太陽能電池中使用的材料，例如碲化鎘(CdTe)和銦化銅(鎵)的二硒化物(CIS或CIGS)都是較強的吸光材料，只需要1mm的厚度。這樣一來，材料成本就可以大大降低了。薄膜太陽能電池也能夠采用非晶硅(a-Si)來制造，非晶硅是第一種實現(xiàn)商用太陽能產(chǎn)品的薄膜材料。這種太陽能電池如果采用非晶體硅基材料或者CdTe 和CIGS時，能量轉(zhuǎn)換效率在10%到18%之間。薄膜太陽能電池的產(chǎn)量從2006年的181MW增長到2007年的400MW，增長了一倍多，占據(jù)了約10%的市場份額。這些產(chǎn)品在低功耗(低于50W)和消費電子產(chǎn)品領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

圖4技術(shù)的創(chuàng)新催生太陽能技術(shù)新發(fā)展

　　為了進(jìn)一步提高太陽能電池的效率，自從上世紀(jì)70年代開始人們就在考慮采用聚集技術(shù)。通過特殊的光學(xué)系統(tǒng)將光線聚集到太陽能電池上，可以將太陽能的入射功率提高2000倍，從而可以使用更小尺寸的電池。但是，由于可靠性和空間問題，這一技術(shù)只取得了有限的成功，在太陽能發(fā)電市場中所占的份額不到1%。實際上，采用傳統(tǒng)菲涅爾透鏡(與燈塔上使用的透鏡類似)的聚光模塊厚度非常厚，體積笨重，性價比較低。而且，我們必須排出聚積在電池中的熱能，以避免降低能量轉(zhuǎn)換效率。太陽能聚集系統(tǒng)更適合于太陽能制熱應(yīng)用，用產(chǎn)生的熱能驅(qū)動渦輪。意大利科學(xué)家Carlo Rubbia研究出了一種能夠聚集太陽能形成高溫產(chǎn)生能量的新方法，稱為Archimedes項目，目前正在意大利陽光充足的西西里島進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用開發(fā)。日本的電子業(yè)巨人夏普公司展示了一種新系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過菲涅爾透鏡將太陽光聚焦在高效率的太陽能電池上，獲得的效率是傳統(tǒng)硅電池的兩倍?？偛吭O(shè)在西班牙馬拉加的Isofoton公司開發(fā)出了一種專用光學(xué)系統(tǒng)，能夠制造出厚度與傳統(tǒng)太陽能模塊相同的聚光式光電模塊。IBM宣布在一平方厘米大小的太陽能電池上實現(xiàn)了捕捉230W太陽能的記錄。這種聚光式光電轉(zhuǎn)換技術(shù)(CPV)轉(zhuǎn)換的電能密度是使用CPV技術(shù)的傳統(tǒng)電池的5倍。全球越來越多的企業(yè)和院校正在研究有機光電轉(zhuǎn)換技術(shù)。根據(jù)市場分析公司NanoMarket的預(yù)測，到2015年基于有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)市場將達(dá)到38億美元的規(guī)模。

圖5   有機太陽能電池技術(shù)可為小型移動設(shè)備供電

　　但是，有機太陽能電池本身無法與傳統(tǒng)的硅材料電池相媲美，因為它們的效率比較低，只有5%。有機材料的排列不是十分規(guī)整，因此，電子就無法自由流動，能量轉(zhuǎn)換效率十分有限。此外，一旦有機材料暴露在太陽光下，其性能就會下降。但是，由于它們十分柔軟，可以用于很多新型應(yīng)用；例如，它們可以為小型移動設(shè)備(例如MP3播放器)供電。有機電池還是一種成本非常低廉的技術(shù)，易于制造，生產(chǎn)能耗也大大降低，因為它們所需的處理溫度低得多(20～200°C)。它們的質(zhì)量很輕，相比傳統(tǒng)的太陽能材料更加通用。我們還可以在有機材料上采用噴墨類型的工藝，或者采用對滾(roll-to-roll)工藝將其涂在柔軟的襯底材料上。這一方式是與在大滾的紙張上面印刷報紙類似的。