太陽(yáng)電池大觀

沿革

太陽(yáng)電池(solar cell)是利用光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)光的能量直接轉(zhuǎn)換為電能的固態(tài)電子器件，在太陽(yáng)電池的光—能量轉(zhuǎn)換過程中，不需經(jīng)過其他中間能量形式，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(zhuǎn)換效率太低，不可能用來發(fā)電，僅能用作光檢測(cè)元件。1954年，具有6%轉(zhuǎn)換效率的單晶硅太陽(yáng)電池問世，從此有了實(shí)用的可能性，太陽(yáng)電池之名也由此而來。用作太陽(yáng)電池的材料有硅(Si)、GaAs、InP、CdS等，其中硅儲(chǔ)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(jì)70年代初期，硅太陽(yáng)電池開發(fā)曾有幾項(xiàng)重大突破，使最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了19.1%。

硅太陽(yáng)電池具有很長(zhǎng)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(biāo)燈、無人中繼站電源、太陽(yáng)能水泵、電子表和計(jì)算器等，后來才逐漸發(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(jì)80年代，世界對(duì)全球氣候變暖的嚴(yán)重問題達(dá)成共識(shí)。1988年后聯(lián)合國(guó)組成了專門有關(guān)氣候變化的組織，目的是限制溫室氣體排放，穩(wěn)定大氣中的CO2濃度，以防止氣候的危險(xiǎn)變化，并鼓勵(lì)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(美國(guó)未參加)生效，對(duì)地球環(huán)境、能源問題再次給與了極大關(guān)注，要求各國(guó)普遍減少CO2排放量，進(jìn)一步促進(jìn)了太陽(yáng)光、風(fēng)力等自然能源的開發(fā)利用。日本、歐洲、美國(guó)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。

日本政府通過補(bǔ)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(tǒng)的應(yīng)用方面，日本一直處于世界領(lǐng)先地位。2004年日本的專門機(jī)構(gòu)又?jǐn)M訂了“2030年前太陽(yáng)光發(fā)電發(fā)展路線圖”，加緊擴(kuò)大利用太陽(yáng)能發(fā)電，目標(biāo)是到2030年能占家庭用電的一半，相當(dāng)于占全部電力的10%。

此外，德國(guó)、意大利、西班牙等歐洲國(guó)家也都通過政府收購(gòu)政策(價(jià)格是一般電費(fèi)的3倍)以發(fā)展太陽(yáng)電池發(fā)電的應(yīng)用，美國(guó)布什總統(tǒng)在去年1月的國(guó)情資文中說，為減少對(duì)中東石油的依賴，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(jì)引入太陽(yáng)電池發(fā)電的容量將達(dá)3000MW。

市場(chǎng)

世界太陽(yáng)電池自上世紀(jì)80年代末逐漸發(fā)展起來，近年，太陽(yáng)電池應(yīng)用開始發(fā)飚，迅速成長(zhǎng)。據(jù)日本統(tǒng)計(jì)(圖1)，2003年世界太陽(yáng)電池以發(fā)電量計(jì)，比上年激增34%，達(dá)750MW，其中日本居首，獨(dú)占49%，歐洲其次，占27%，美國(guó)和其他地區(qū)各占12%，2004年世界太陽(yáng)電池生產(chǎn)量又猛升57%，達(dá)1180MW，首次突破1GW。又據(jù)日本三洋電機(jī)公司預(yù)測(cè)，世界太陽(yáng)電池市場(chǎng)未來幾年還將保持年均26%的增長(zhǎng)速度前進(jìn)，2010年可望達(dá)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

隨著新材料的開發(fā)和價(jià)格的下降，有公司樂觀預(yù)測(cè)，2010年世界太陽(yáng)電池市場(chǎng)可達(dá)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(dá)到300~500GW/年(圖3)。

圖3 太陽(yáng)電池市場(chǎng)長(zhǎng)期展望

當(dāng)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)電將愈來愈占重要的地位。日本政府調(diào)查，2010年在各種新能源發(fā)電中太陽(yáng)電池不過占9%，待到2030年將成長(zhǎng)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(dāng)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(jié)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(fèi)電子(如計(jì)算器)；砷化鎳太陽(yáng)電池效率高，成本也高，主要為太空應(yīng)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，那么2005年1.7GW的太陽(yáng)電池市場(chǎng)需要1.7萬噸的硅。實(shí)際上，當(dāng)年世界共生產(chǎn)硅3.1萬噸，用于太陽(yáng)電池的為1.3萬噸，其余的硅供集成電路等半導(dǎo)體生產(chǎn)使用，缺口甚大。為此，各生產(chǎn)廠商包括Hemlock、Tokuyama、Wacker等公司都將擴(kuò)大生產(chǎn)，預(yù)計(jì)2008年世界硅供應(yīng)量達(dá)5.5萬噸，2010年可望達(dá)到7.2萬噸，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)大問題是價(jià)格。這一問題將隨著新材料的開發(fā)使用而逐漸得到解決。據(jù)日本業(yè)界的調(diào)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(fèi)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(fèi)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(yīng)用，原材料問題解決之后，世界太陽(yáng)電池市場(chǎng)將擴(kuò)大到現(xiàn)有市場(chǎng)的10倍、100倍。

正在興起并最有前途的新材料當(dāng)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(jī)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，故稱明日之星。因?yàn)楣璧墓馕諏又灰?~3mm，所以使用原料只及結(jié)晶硅的百分之一，從而可大大節(jié)省原料。日本不少?gòu)S商，包括從事結(jié)晶硅太陽(yáng)電池的Sharp等都將投入開發(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(dá)到多晶硅太陽(yáng)電池16%的效率。當(dāng)然，價(jià)格也需下降。隨著問題的解決，薄膜太陽(yáng)電池的生產(chǎn)量將從現(xiàn)在占太陽(yáng)電池總產(chǎn)量的5%，兩三年內(nèi)即可達(dá)二三成。薄膜太陽(yáng)電池將首先面向工廠、學(xué)校、辦公大樓等的發(fā)電應(yīng)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(yù)計(jì)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，日本主要從事CIS的開發(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，未來大量生產(chǎn)時(shí)須考慮替代用品。

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

廠商

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(wěn)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(jī)公司，年產(chǎn)75MW。隨后依次是德國(guó)Q-Cell、日本三洋、美國(guó)Shell Solar、西班牙Isofoton、德國(guó)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(dá)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，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(jī)的生產(chǎn)能力，2006年擴(kuò)大到了230MW。三洋電機(jī)制訂了“下一代HIT太陽(yáng)電池”大計(jì)劃，計(jì)劃投資3.36億美元，2010年達(dá)到600MW的年產(chǎn)能力，進(jìn)入世界頂級(jí)公司之列。京陶公司的八日市工廠，年產(chǎn)240MW，并在捷克建造了面向歐洲的太陽(yáng)電池工廠，在全球?qū)嵤┧募?jí)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(nèi)卡公司，到2007年春投資約4.2億美元，生產(chǎn)能力已達(dá)50MW，明年計(jì)劃擴(kuò)大到70MW，并向100MW挺進(jìn)；Sharp現(xiàn)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(jī)系統(tǒng)公司年產(chǎn)15MW，2009年可達(dá)30MW，并將擴(kuò)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(jì)劃達(dá)120MW。

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