世界光伏发电产业的现状及原料的发展趋势

世界光伏发电产业的现状及原材料的发展趋势朱相丽（中国科学院国家科学图书馆总馆）随着社会经济的迅速发展和人口的不断增加，以石油、天然气、煤等为主的化石能源日益枯竭。根据世界能源机构分析数据，世界石油、天然气、煤、铀的剩余可开采年限仅为45年、61年、230年和71年，图1给出了世界与我国常规能源的预测[1]。与此同时，化石能源造成的环境污染和生态失衡制约了世界经济的可持续发展，世界对能源的需求有增无减，能源资源已经成为重要的战略物质。太阳能资源是最丰富的可再生资源之一，光伏发电是直接应用太阳能的一种形式。据计算，太阳在1s内发出的能量就相当于1.3亿t标准煤燃烧时所放出的热量，而到达地球表面的太阳能大约相当于目前全世界所有发电能力总和的20万倍。与其他能源相比，太阳能有许多优点，如安全可靠、无噪声、无污染、无需消耗燃料、可以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是常规能源无法比拟的；因此，以太阳能为代表的可再生能源成为当代新能源开发的重要方向之一。世界各国竞相出台发展太阳能的扶持政策、法令、法规和路线图，光伏发电系统正在全球范围内逐步得到应用。图1世界和中国主要常规能源储量预测一、国外光伏产业及技术发展的现状1.世界太阳能电池的产量增加迅速随着光伏技术的进步，世界光伏产量有了很大的提高，20世纪90年代的年平均增长率达到20%，从1991年的55MW增长到2000年的287MW；2001年以来，光伏电池产量快速增长，光伏组件的年平均增长率更是高达30%以上。2005年世界太阳电池产量达到1656MW，比2004年增加了38%；日本光伏电池产量再次领先增长到762MW，增长率为27%；欧洲产量增加48%，达到464MW；美国增加12%，达到156MW；世界其他地区增加96%，达到274MW[2]。根据欧洲可再生能源委员会《可再生能源状况2040》（RenewableEnergyScenarioto2040）报告，太阳能占世界总发电量的比例在2010年将达到0.1%，2020年达到1.1%，2030年将达到8.3%[3]。日本新能源产业技术开发机构（NEDO）对太阳能组件的未来预测以及从费用角度绘制的路线图如图2所示，根据日本估计，到2030年，太阳能电池的发电量将达到100GW。图2世界太阳能组件的未来预测以及从费用角度绘制的太阳能发电路线图(注：图中yen为日元)2.德、日、美依然是世界上三个最主要的光伏应用市场，中国异军突起产量跃居世界前列图3给出了全球太阳能电池的产量变化情况，图4给出了2007年各国太阳能电池产量情况，从图4可以看出，随着全球太阳能电池产量的逐年快速增加，2007年中国太阳能产量占了29%，跃居世界第一位，一举超过了日本在此领域的霸主地位；日本的产量占了总量的22%，其次是德国占了总发电量的20%。图3世界太阳能电池的产量[4]图42007年各国太阳能电池的产量在太阳能电池的应用方面，自1998-2007年，太阳能电池安装的平均增长率超过了35%，2007年全球安装太阳电池量达到了9200MW，其中前5名的国家分别是德国安装了3800MW，占世界总安装量的41.3%；日本安装了1938MW，占世界总安装量的21%；美国安装量为814MW，占世界总安装量的8.9%；西班牙安装了632MW，占世界总安装量的6.9%；意大利安装量为100MW，占世界总安装量的1%，世界其它地区安装了1916MW，占总安装量的20.8%。由此可见，德、日、美依然是世界上的光伏主要应用市场。3.晶体硅电池占市场的绝对主流2006年市场上的太阳能电池模块有90%以硅为原材料，其中有50%为多晶硅、38%为单晶硅、其它形式的硅仅占2%，预计这一现状还将持续一段时间，表1给出了2001-2006年各类太阳能电池产量的市场份额[5]。就目前来看，晶体硅光伏电池拥有最低的成本，并已拥有最高的可靠性，其研发重点是降低成本。主要通过以下几种途径来降低成本：（1）降低原材料成本，特别是硅衬底；（2）提高转化效率；（3）改进制造工艺，提高生产能力；（4）提高可靠性（减少晶圆破损）。表12001-2006年各类太阳能电池产量的市场份额%200120022003200420052006单晶硅34.636.432.236.238.338.0多晶硅50.251.657.254.752.352.0带硅/片硅5.64.64.43.32.93.0非晶硅8.96.44.54.44.74.0锑化镉0.50.71.11.11.62.7铜铟化锡0.20.20.60.40.20.34.并网光伏发电及光伏建筑一体化（BIPV）前景广阔目前，以光伏建筑一体化（BIPV）为核心的光伏屋顶并网发电应用占据了绝对的光伏市场份额，尤其日本和德国近几年的光伏年度安装几乎全部是光伏屋顶并网应用。光伏建筑一体化具有诸多优点，如建筑物能为光伏系统提供足够的面积，不需另占土地；能省去光伏系统的支撑结构和输电费用；光伏阵列可代替常规建筑材料，节省材料费用；安装与建筑施工结合，节省安装成本等，因而具有广阔的应用前景。5.各国纷纷制定光伏发电的路线图，对光伏产业进行规划和指导日本NEDO在2004年6月发表的“面向2030光伏路线图的概述”（OverviewofPVRoadmapToward2030）中提出：到2010年日本国内累计安装太阳电池组件容量将为482GW；到2030年累计安装太阳电池组件容量要达到1000GW，届时日本所有住宅所消费的电力中将有50%是太阳能光伏发电提供的。通过大规模应用和技术进步，使太阳电池组件的价格从2003年的250日元/W逐年下降，到2010年降为100日元/W，2020年降到75日元/W，到2030年要小于50日元/W。目前硅材料的消耗是10～13g/W，到2030年要达到1g/W；逆变器目前的价格是3万日元/kW，到2020年要降到1.5万日元/kW；蓄电池价格要从目前的40日元/Wh降到2020年的10日元/Wh。这样，太阳能光伏发电的成本也可以逐渐下降，预计2010年太阳能发电的电价约为23日元/kWh，到2020年降为14日元/kWh，2030年可进一步降到7日元/kWh。2004年3月，欧盟联合研究中心发表了名为“欧洲光伏研发路线图”（PVNETEuropeanRoadmapforPVR&DEUR21087EN）的研究报告，指出大约在2030年太阳能发电将发挥显著的作用，2050年将约占能源供应总量的24%，到21世纪末将占全球总能源供应的统治地位。在1999年以前，美国的太阳能光伏发电研究和开发一直处于世界领先地位，后来由于种种原因，太阳电池组件的产量落到了日本和欧洲的后面。美国在2004年9月发表了“我们太阳电力的未来：2030及更久远的美国光伏工业路线图”（OurSolarPowerFuture：TheU．S．PVIndustryRoadmapThrough2030andBeyond），对此进行了分析，提出要恢复美国在光伏市场的领导地位，为此要采取税收优惠、提高上网电价、增加政府及当地投入、在2010年以前每年投入2.5亿美元用于研发等措施，并提出以下目标：在2025年新增加发电容量的一半由太阳能发电提供[6]。二、世界光伏发电技术研究热点光伏发电系统是由光伏电池板、控制器和电能储存及变换环节构成的发电与电能变换系统。太阳光辐射能量经由光伏电池板直接转换为电能，并通过电缆、控制器、储能等环节予以储存和转换，提供负载使用。光伏电池板是太阳能光伏发电系统中的基本核心部件，它的大规模应用需要解决2大难题：一是提高光电转换效率；二是降低生产成本。目前太阳能电池的发展已经历了3代。第1代光伏电池以硅片为基础，虽然其技术已经发展成熟，但高昂的材料成本在全部生产成本中占据主导地位，不仅消耗了过多的硅材料，而且制作全过程中要消耗很多能源。第2代光伏电池基于薄膜技术，将很薄的光电材料铺在非硅材料的衬底上，大大减少了半导体材料的消耗，并且易于形成批量自动化生产，从而大大降低了光伏电池的成本，国际上已经开发出了电池效率在15%以上、组件效率在10%以上和系统效率在8%以上、使用寿命超过15年的薄膜电池工业化生产技术。第3代高转换效率的薄膜光伏电池通过减少非光能耗，增加光子有效利用以及减少光伏电池内阻，使光伏转换效率的上限有望获得新的提升[7]。另外，多晶硅光伏电池比单晶硅光伏电池的材料成本低，是世界各国竞相开发的重点，目前它的研究热点包括：开发多晶硅生产技术，开发快速掺杂和表面处理技术，提高硅片质量，研究连续和快速的布线工艺，多晶硅电池表面织构化技术和薄片化，开发高效率电池工艺技术等。非晶硅电池仍处在发展之中，每年的新增产量在10MW以上。化合物太阳电池（如铜铟镓硒等）正以其转换效率高、成本低、弱光性好及寿命长等优点成为新一代光伏电池的发展方向。三、各种太阳能电池板原材料的问题及其转化效率以制作光伏电池板的原材料来分，太阳能电池可大致划分为硅材料太阳能电池、化合物半导体材料太阳能电池以及有机材料太阳能电池。表2给出了目前实验室中各种太阳能电池最好的转化率情况，表3给出各种太阳能电池模块的转化效率以及每种材料的特点及问题。表2各类太阳能电池实验室最好的转化率[8]类型转化效率/%实验室注释单晶硅电池24.7±0.5SouthWalesUniversity,Australia电池面积4cm2表面接触支撑单晶硅电池26.8±0.8SunPower,US96次聚光GaAs异质结电池40.7±1.7Spectrolab聚光太阳能电池多晶硅电池20.3±0.5FraunhoferInstitute,Germany电池面积1.002cm2InGaP/GaAs（磷化铟镓/砷化钾）30.28±1.2JapanEnergyCompany电池面积4cm2非晶硅电池14.5(初始值)±0.712.8(稳定值)±0.7USSC,US电池面积0.27cm2铜铟化锡电池19.5±0.6NationalRenewableEnergyLaboratory,US电池面积0.410cm2锑化镉电池16.5±0.5NationalRenewableEnergyLaboratory,US电池面积1.032cm2多晶硅薄膜电池16.6±0.4StuttgartUniversity,Germany电池面积4.017cm2Na-Si太阳能电池10.1±0.2Kaneka,Japan薄膜厚度为0.002mm染敏基光电化学电池11.0±0.5EPFL电池面积0.25cm2非晶硅锗混合型异质结（HIT）电池21.5Sanyo,Japan—表3各种材料的转化效率和主要特点[2]代表类型太阳能电池模块的转换效率/%主要特点和问题现在NEDO2030目标硅系统块体硅多晶硅13~1722已经大批量生产单晶硅16~18—转化率高硅棒16—不需要切片薄膜类型(非晶硅,晶体硅)7~12—适用于低温、大面积和多层制造，费用低。化合物半导体材料单晶型(GaAs系统)30~40—转化率高，但是费用高，含环境污染物质。多晶型(CIGS,CdTe)1318需要铟资源，要减少铟的消费、扩展铟的代替物，需要提高系统的稳定性。有机材料染敏型615—有机薄膜型4—1.块体硅材料按结晶形态和器件结构分，硅太阳能电池可分为4种类型：块体、薄膜、单晶硅和多晶硅，在这些类型当中，块体硅太阳能电池是市场产品的主流，这种情形还将持续一段时间。单晶硅的光电转换效率为16%～18%，多晶硅为13%～17%。太阳能电池硅的纯度虽高，但相比用于半导体的硅材料，其纯度则要低几个数量级。不过，太阳能电池对硅材料的需求相当庞大，因此低成本原料的制造开发已经引起了人们的关注；特别地，针对晶体硅太阳能电池，现行技术的关注点在于削减厚度（从100μm减为50μm）以及减少加工过程中的边角料损耗。2.薄膜硅材料薄膜硅太阳能电池对原料需求较小，因此被视为适于未来大规模生产的低成本太阳能电池，然而这种电池的光电转换效率远低于晶体硅太阳能电池，如果是非晶薄膜，则电池的光电转化效率