太陽(yáng)電池大觀(guān)

沿革

太陽(yáng)電池(solar cell)是利用光生伏特效應將太陽(yáng)光的能量直接轉換為電能的固態(tài)電子器件，在太陽(yáng)電池的光—能量轉換過(guò)程中，不需經(jīng)過(guò)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，由于轉換效率太低，不可能用來(lái)發(fā)電，僅能用作光檢測元件。1954年，具有6%轉換效率的單晶硅太陽(yáng)電池問(wèn)世，從此有了實(shí)用的可能性，太陽(yáng)電池之名也由此而來(lái)。用作太陽(yáng)電池的材料有硅(Si)、GaAs、InP、CdS等，其中硅儲量最為豐富、價(jià)格也最便宜，故迄今為止一直用作最主要材料。上世紀70年代初期，硅太陽(yáng)電池開(kāi)發(fā)曾有幾項重大突破，使最高轉換效率達到了19.1%。

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

太陽(yáng)電池作為無(wú)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80年代，世界對全球氣候變暖的嚴重問(wèn)題達成共識。1988年后聯(lián)合國組成了專(zhuān)門(mén)有關(guān)氣候變化的組織，目的是限制溫室氣體排放，穩定大氣中的CO2濃度，以防止氣候的危險變化，并鼓勵太陽(yáng)電池發(fā)電站多多投入實(shí)用。

2005年2月京都議定書(shū)(美國未參加)生效，對地球環(huán)境、能源問(wèn)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(yáng)光、風(fēng)力等自然能源的開(kāi)發(fā)利用。日本、歐洲、美國都在積極推廣太陽(yáng)電池，歐洲近年措施得力，發(fā)展更為迅速。

日本政府通過(guò)補助金制度大力推進(jìn)太陽(yáng)電池的使用，1994年后獲得順利發(fā)展，到2003年，在太陽(yáng)光發(fā)電系統的應用方面，日本一直處于世界領(lǐng)先地位。2004年日本的專(zhuān)門(mén)機構又擬訂了“2030年前太陽(yáng)光發(fā)電發(fā)展路線(xiàn)圖”，加緊擴大利用太陽(yáng)能發(fā)電，目標是到2030年能占家庭用電的一半，相當于占全部電力的10%。

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

市場(chǎng)

世界太陽(yáng)電池自上世紀80年代末逐漸發(fā)展起來(lái)，近年，太陽(yáng)電池應用開(kāi)始發(fā)飚，迅速成長(cháng)。據日本統計(圖1)，2003年世界太陽(yáng)電池以發(fā)電量計，比上年激增34%，達750MW，其中日本居首，獨占49%，歐洲其次，占27%，美國和其他地區各占12%，2004年世界太陽(yáng)電池生產(chǎn)量又猛升57%，達1180MW，首次突破1GW。又據日本三洋電機公司預測，世界太陽(yáng)電池市場(chǎng)未來(lái)幾年還將保持年均26%的增長(cháng)速度前進(jìn)，2010年可望達4GW。世界正進(jìn)入太陽(yáng)能時(shí)代。

圖1 世界太陽(yáng)電池市場(chǎng)的發(fā)展

圖2 世界太陽(yáng)電池市場(chǎng)展望

隨著(zhù)新材料的開(kāi)發(fā)和價(jià)格的下降，有公司樂(lè )觀(guān)預測，2010年世界太陽(yáng)電池市場(chǎng)可達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年可望達到300~500GW/年(圖3)。

圖3 太陽(yáng)電池市場(chǎng)長(cháng)期展望

當然，除了太陽(yáng)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(yáng)電池發(fā)電將愈來(lái)愈占重要的地位。日本政府調查，2010年在各種新能源發(fā)電中太陽(yáng)電池不過(guò)占9%，待到2030年將成長(cháng)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

當前，太陽(yáng)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(yáng)電池)太陽(yáng)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(yáng)電池效率低，成本也低，主要用于消費電子(如計算器)；砷化鎳太陽(yáng)電池效率高，成本也高，主要為太空應用。

由于太陽(yáng)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(yáng)電池需要10g硅的話(huà)，那么2005年1.7GW的太陽(yáng)電池市場(chǎng)需要1.7萬(wàn)噸的硅。實(shí)際上，當年世界共生產(chǎn)硅3.1萬(wàn)噸，用于太陽(yáng)電池的為1.3萬(wàn)噸，其余的硅供集成電路等半導體生產(chǎn)使用，缺口甚大。為此，各生產(chǎn)廠(chǎng)商包括Hemlock、Tokuyama、Wacker等公司都將擴大生產(chǎn)，預計2008年世界硅供應量達5.5萬(wàn)噸，2010年可望達到7.2萬(wàn)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(wèn)題是價(jià)格。這一問(wèn)題將隨著(zhù)新材料的開(kāi)發(fā)使用而逐漸得到解決。據日本業(yè)界的調研，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，在新材料突破應用，原材料問(wèn)題解決之后，世界太陽(yáng)電池市場(chǎng)將擴大到現有市場(chǎng)的10倍、100倍。

正在興起并最有前途的新材料當屬薄膜。薄膜太陽(yáng)電池主要有非晶硅太陽(yáng)電池、CIS(順式)化合物和有機化合物等(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(chēng)明日之星。因為硅的光吸收層只要2~3mm，所以使用原料只及結晶硅的百分之一，從而可大大節省原料。日本不少廠(chǎng)商，包括從事結晶硅太陽(yáng)電池的Sharp等都將投入開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。薄膜太陽(yáng)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，才能達到多晶硅太陽(yáng)電池16%的效率。當然，價(jià)格也需下降。隨著(zhù)問(wèn)題的解決，薄膜太陽(yáng)電池的生產(chǎn)量將從現在占太陽(yáng)電池總產(chǎn)量的5%，兩三年內即可達二三成。薄膜太陽(yáng)電池將首先面向工廠(chǎng)、學(xué)校、辦公大樓等的發(fā)電應用。薄膜太陽(yáng)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。另一種預計是2010年世界太陽(yáng)電池總生產(chǎn)量為3GW，而薄膜太陽(yáng)電池為600~1000MW。

圖4 太陽(yáng)電池使用材料

化合物薄膜太陽(yáng)電池有CdTe和CIS兩類(lèi)，日本主要從事CIS的開(kāi)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(kāi)始可投入量產(chǎn)。CIS太陽(yáng)電池面臨的課題是大面積高效模塊的制作。此外，CIS太陽(yáng)電池的原料In有枯竭之慮，未來(lái)大量生產(chǎn)時(shí)須考慮替代用品。

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

廠(chǎng)商

日本Sharp公司年產(chǎn)太陽(yáng)電池324MW，到2004年的5年中一直是世界上穩坐龍頭老大，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(yáng)電池公司2004年已達到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(chǎng)，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。三菱電機的生產(chǎn)能力，2006年擴大到了230MW。三洋電機制訂了“下一代HIT太陽(yáng)電池”大計劃，計劃投資3.36億美元，2010年達到600MW的年產(chǎn)能力，進(jìn)入世界頂級公司之列。京陶公司的八日市工廠(chǎng)，年產(chǎn)240MW，并在捷克建造了面向歐洲的太陽(yáng)電池工廠(chǎng)，在全球實(shí)施四級生產(chǎn)體制。

薄膜硅太陽(yáng)電池最大生產(chǎn)公司是位于日本大阪的卡內卡公司，到2007年春投資約4.2億美元，生產(chǎn)能力已達50MW，明年計劃擴大到70MW，并向100MW挺進(jìn)；Sharp現生產(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；富士電機系統公司年產(chǎn)15MW，2009年可達30MW，并將擴大到100MW。采用化合物薄膜生產(chǎn)太陽(yáng)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年計劃達120MW。

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