太陽(yáng)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域性太陽(yáng)能光電市場(chǎng)，中國同樣面臨著(zhù)巨大的機遇，因為中國存在著(zhù)龐大的半導體基礎架構。今年，中國光電電池的生產(chǎn)規模超過(guò)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(wú)錫尚德分別是處于第二位和第四位的電池生產(chǎn)廠(chǎng)商。江西賽維(LDK)與德國奇夢(mèng)達公司簽訂了一份為期5年的合同，將從2009年到2013年向其供應裝機容量約540MW的多晶太陽(yáng)能晶圓。德國公司Aleo太陽(yáng)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(gè)太陽(yáng)能模塊生產(chǎn)工廠(chǎng)，以滿(mǎn)足亞洲市場(chǎng)對太陽(yáng)能模塊不斷增長(cháng)的應用需求。該公司估計，到2012年韓國、日本和中國的市場(chǎng)產(chǎn)值至少將達到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年內生產(chǎn)約225MW太陽(yáng)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(yáng)能市場(chǎng)對于中國而言也十分具有戰略意義，到2015年中國將超過(guò)美國成為全球主要的CO2排放國。這是中國經(jīng)濟年均兩位數驚人增長(cháng)率的必然結果。此外，將在2008年8月舉辦的北京奧運會(huì )和之后的殘奧會(huì )也是推動(dòng)光電技術(shù)發(fā)展的一次難得機遇，包括在體育場(chǎng)館和奧運村內安裝光電模塊在內，中國政府在環(huán)保措施上的投入已經(jīng)超過(guò)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。即將舉辦田徑項目和足球賽的國家體育場(chǎng)也采用了130kW的光電系統。此外，為奧運村中的路燈供電的電力也來(lái)自于太陽(yáng)能。2008年歐洲足球錦標賽也采取了類(lèi)似的太陽(yáng)能應用措施。安裝在瑞士伯爾尼范可多夫體育場(chǎng)內的1.35兆瓦光電系統是迄今為止安裝在大型體育場(chǎng)內最強大的光電系統。

現有的與新興的光電技術(shù)

　　一直以來(lái)，晶體硅(c-Si)都被用作太陽(yáng)能電池中吸收光的半導體材料，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體材料。用晶體硅制作太陽(yáng)能電池板需要相當厚的材料：太陽(yáng)能級晶圓的直徑高達150mm，厚度需要350微米。但實(shí)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定而高效的太陽(yáng)能電池。該技術(shù)擁有約90%的市場(chǎng)份額；光電轉換效率可達22%以上。多晶硅(簡(jiǎn)稱(chēng)mcSi或多晶硅)PV單元的轉換效率通常更低，這是由于大塊材料中存在的晶界增加了電子-空穴對的復合，降低了電荷移動(dòng)性和能量轉換效率。

表2    常用的光電轉換技術(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(kāi)始生產(chǎn)多晶硅。在中國，多晶硅工廠(chǎng)像雨后春筍一樣涌現，成為一個(gè)新的經(jīng)濟熱點(diǎn)。有20多家公司開(kāi)始建立多晶硅制造廠(chǎng)。他們生產(chǎn)的多晶硅總產(chǎn)量將達到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(chǎng)商之一英利太陽(yáng)能公司正力爭在中國保定實(shí)現每年3000噸的多晶硅產(chǎn)量。

　　由III-V族元素構成的半導體材料是直接禁帶化合物，因此具有最高的轉換效率。但是，它們的價(jià)格非常昂貴，主要用于衛星和軍事應用，通常采用光學(xué)聚光和復雜的跟蹤系統，能夠實(shí)現40%的轉換效率。長(cháng)期來(lái)看，薄膜技術(shù)對于降低太陽(yáng)能光電系統的成本具有最大的潛力。薄膜太陽(yáng)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(lái)，材料成本就可以大大降低了。薄膜太陽(yáng)能電池也能夠采用非晶硅(a-Si)來(lái)制造，非晶硅是第一種實(shí)現商用太陽(yáng)能產(chǎn)品的薄膜材料。這種太陽(yáng)能電池如果采用非晶體硅基材料或者CdTe 和CIGS時(shí)，能量轉換效率在10%到18%之間。薄膜太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量從2006年的181MW增長(cháng)到2007年的400MW，增長(cháng)了一倍多，占據了約10%的市場(chǎng)份額。這些產(chǎn)品在低功耗(低于50W)和消費電子產(chǎn)品領(lǐng)域具有很好的應用前景。

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

　　為了進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池的效率，自從上世紀70年代開(kāi)始人們就在考慮采用聚集技術(shù)。通過(guò)特殊的光學(xué)系統將光線(xiàn)聚集到太陽(yáng)能電池上，可以將太陽(yáng)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(wèn)題，這一技術(shù)只取得了有限的成功，在太陽(yáng)能發(fā)電市場(chǎng)中所占的份額不到1%。實(shí)際上，采用傳統菲涅爾透鏡(與燈塔上使用的透鏡類(lèi)似)的聚光模塊厚度非常厚，體積笨重，性?xún)r(jià)比較低。而且，我們必須排出聚積在電池中的熱能，以避免降低能量轉換效率。太陽(yáng)能聚集系統更適合于太陽(yáng)能制熱應用，用產(chǎn)生的熱能驅動(dòng)渦輪。意大利科學(xué)家Carlo Rubbia研究出了一種能夠聚集太陽(yáng)能形成高溫產(chǎn)生能量的新方法，稱(chēng)為Archimedes項目，目前正在意大利陽(yáng)光充足的西西里島進(jìn)行商業(yè)應用開(kāi)發(fā)。日本的電子業(yè)巨人夏普公司展示了一種新系統，該系統能夠通過(guò)菲涅爾透鏡將太陽(yáng)光聚焦在高效率的太陽(yáng)能電池上，獲得的效率是傳統硅電池的兩倍?？偛吭O在西班牙馬拉加的Isofoton公司開(kāi)發(fā)出了一種專(zhuān)用光學(xué)系統，能夠制造出厚度與傳統太陽(yáng)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(yáng)能電池上實(shí)現了捕捉230W太陽(yáng)能的記錄。這種聚光式光電轉換技術(shù)(CPV)轉換的電能密度是使用CPV技術(shù)的傳統電池的5倍。全球越來(lái)越多的企業(yè)和院校正在研究有機光電轉換技術(shù)。根據市場(chǎng)分析公司NanoMarket的預測，到2015年基于有機太陽(yáng)能電池的光電轉換技術(shù)市場(chǎng)將達到38億美元的規模。

圖5   有機太陽(yáng)能電池技術(shù)可為小型移動(dòng)設備供電

　　但是，有機太陽(yáng)能電池本身無(wú)法與傳統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整，因此，電子就無(wú)法自由流動(dòng)，能量轉換效率十分有限。此外，一旦有機材料暴露在太陽(yáng)光下，其性能就會(huì )下降。但是，由于它們十分柔軟，可以用于很多新型應用；例如，它們可以為小型移動(dòng)設備(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，相比傳統的太陽(yáng)能材料更加通用。我們還可以在有機材料上采用噴墨類(lèi)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(lèi)似的。