光伏制造业：现状、前景及研究需求(一)

中国科学院宁波材料技术与工程研究所 ■ 宋伟杰 杨晔 王维燕 李佳 沈文锋 曾俞衡 许炜 编译

一 前言

当前全球能源消耗已达15TW，其中绝大多数来源于化石燃料的燃烧。人类能源活动所排放的CO2已明显改变了大气的成分，并严重影响全球的气温、海平面及气候模式。到21世纪中叶，全球将新增30TW能源需求，将对供应无碳排放的TW级发电技术提出巨大挑战[1]。假设所有新增能源是由具有30年寿命的光伏电池板来供应，换算成光伏产能将约为1TW/年。虽然所有可再生能源都非常重要，但仅有光伏发电能适应这种水平的需求。实际上，全球其他可再生能源，包括风能、水力、生物质能、地热能等能源的潜力估计不高于10TW[2]。据估算，在太阳光辐射地球＞105TW的能量中，获取600TW的能量在技术上是可行的。获取太阳能的方式主要通过转换成热能(光热)、电能(光伏)及化学能(燃料)。前者是最直接的方式，人们已经安装了从1kW的家庭热水器到强太阳辐射地区的50MW的光伏发电站[3]。获得太阳能燃料的方法通常是光化学分解水产生氢气及还原CO2成液态燃料如甲醇。太阳能燃料现阶段仍处于起步的发展状态，当前主要的精力还集中在基础研究上。

在过去的10年里，光伏发电已经实现了超过40%的年均复合增长率，2009年的装机容量达到8GW。而且在下一个10年，当光伏发电从政府补贴的产品发展到一个可产生经济利益的商品时，市场进一步扩张的势头将更为强劲。图1给出了传统能源与光伏发电的成本对比。2009年美国电网供电的价格是9.5美分/kWh，由于需求增加及可能引入碳税带来的高税率，这个价格将持续上涨。当前光伏发电的成本虽仍高于电网供电价格的2～3倍，但其成本一直在下跌。两种价格交叉，也就是通常所说的“平价上网”(grid parity)将有望下一个10年中实现。事实上，电网同价已在太阳能资源丰富以及发电成本较高的地区得以实现，如南加州地区。我们也注意到，一方面是未来几十年光伏产业学习曲线的简单外延，另一方面也同时伴随着化石燃料发电不可避免的成本增加，计划中的电网同价不需要任何技术上的突破[4]。

尽管这一成功令人惊讶，光伏制造业必须扩充两个数量级的产能，达到每年TW级的水平，才能把我们的社会从依赖燃烧化石能源方式改变为使用可持续的能源。这将使我们面临巨大的挑战，但同时也带来了更多的机遇。太阳光持续照射到地球上的平均光流量为1000 W/m2。如果假设有10%的净转换效率(发电、传输与储存)，那么只需约1万亿m2面积就可提供30TW的清洁能源。假设太阳电池按30年的寿命计算，转换成组件产量约500亿m2/年。作为对比，全球所有平板玻璃(主要用作建筑以及汽车领域)的产量约为60亿m2/年。玻璃是当前光伏产品的共有部分，显著影响其重量和成本。

2010年5月，美国自然科学基金会组织了一场研讨会，主题是推进在光伏制造领域帮助解决上述挑战的创新研讨。本次研讨会由基金会的化学和生物工程、环境和运输系统、工业创新和伙伴、化学和材料研究四个分部共同发起。本次研讨会的目标是：辨别低成本、高转换效率、可持续光伏材料的可能技术和发明；确定上述光伏材料的当前和未来的制备、制造技术挑战；促进小型企业和大学或大公司之间的有效、高效的合作来努力克服这些挑战。此次会议邀请了60多位业内专家，来自美国国家可再生能源实验室以及美国国家标准局的科学家也出席了本次研讨会。了解研讨会详情可浏览网页：http://inside.mines.edu/fs_home/cwolden/PVworkshop/Report2.html。

二 光伏制造业的当前现状

本文旨在阐述主要集中于本世纪所发生的光伏技术的实质性变化。选择这一时期基于：直到2003年才有一系列好的关于光伏工业成长和进展的综述型报道出现[4～6]；伴随着过去七年的经验积累，光伏领域呈现两种显著变化。

(1)在2003年，不同形式的Si占据高达99%的光伏市场，并且光伏制造业由日本和欧洲主导[6]。今天，晶体硅(c-Si)仍占有85%的市场，但是中国的光伏制造业处于世界的领先地位[7]。在非常短的时间内，中国一跃变成了世界50%光伏组件的供应商。这种增长离不开政府的政策支持和资金投入，且也受益于较低的劳动力成本，其组件成本低于日本、欧洲以及美国。

(2)2003年CdTe薄膜太阳电池技术还只是一个较小的产业，但在过去的十年里开始崭露头角。图2显示了2008、2009年不同光伏技术所占的市场份额[8]。First Solar公司将CdTe带入了规模化的生产。2009年，该公司成为世界上第一个年产能超过1GW的光伏制造商，占有13%的全球市场份额(图2)。这一方面占据了晶体硅太阳电池的一部分市场，同时也侵蚀了其他薄膜技术如非晶硅的份额。市场份额的分布因中国光伏制造业产能的扩张一直在变化。2010年晶体硅太阳电池技术有望回归至原始市场份额。重要的是，CdTe技术的出现证明：光伏产业在一个相对较短的时间内可快速转变。这个转变离不开制造业与基础科学领域的创新，以及相关领域企业的不断进取。

图3显示了已报道的产业化光伏电池和商用组件的最高效率。除带状硅[9,10]外，数值均来源于Green的最新总括[11]。除效率外，材料和制造成本是控制太阳能成本的最大因素。通过降低成本、提升组件性能，规模效应及在制造科学和技术领域的改进可加速光伏产业的扩张。

上述光伏技术处于各自学习曲线的不同点，相比单结器件约31%的Shockley-Queisser(SQ)极限转换效率的之间距离也不同。由于依赖于S-Q极限的带隙在最大值附近是平坦的，因而这些技术的理论效率极限的差异很小，因此也不是各种光伏技术间竞争的决定因素。但创纪录的单晶硅电池达到SQ极限的90%，而商业薄膜组件只达到其潜能的35%。下面将综述这些相互竞争的光伏技术的优点和局限。

三 现今光伏技术的机遇与挑战

1 晶体硅

受益于集成电路(IC)工业对硅材料的广泛研究，硅是世界上发展最快且被人类了解最多的半导体材料，调控硅材料性能的技术较为成熟。硅是储量最丰富且较稳定的半导体材料。多晶硅的市场份额虽已从65%开始衰减，但当前它仍是光伏产品中的主流材料(图2)。由于单晶硅材料的转换效率高，多晶硅原材料价格降低，以及线切割技术提高等原因，晶体硅厚度不断减小，使单晶硅材料更具竞争力。制约当前单晶硅技术发展的因素可参见Goetzberger等人在2003年发表的综述报告[5]。硅料成本仍是决定晶体硅电池生产成本的最大因素。目前，研究者通过调整硅材料质量、制备非切割的硅片、研发超薄硅、采用双面电池结构等方法来降低硅材料成本。

(1)硅原材料

硅纯化技术是在IC工业中提出的，采用杂质浓度低于1 ppb的电子级高纯硅。这个产业链发展一直较稳定，直到几年前光伏工业用硅量超过IC工业用硅量，才导致明显变化。这个转变使得硅料供应商措手不及，引发了2008年的供应短缺以及价格猛涨。随后，硅料生产厂商采取措施扩大产能，同时研发太阳能级硅的提纯新技术。电子级硅的提纯采用高能耗的西门子法(＞120kWh/kg)[12]。新工艺采用流化床技术，对冶金级硅进行提纯，从而使能耗降低到原来的1/5[13]，但是这种新技术使得太阳能级硅中残留高浓度的Fe和Al。这些金属对IC工业是致命的，但低浓度的金属掺入在太阳电池工业中是可以容忍的。为此，人们致力于研究太阳电池中可以容忍的金属残余量，以及钝化缺陷的工艺。这些工艺技术的改进能降低电池能源回收期，同时提高硅生产的环境友好性。 (待续)