薄膜太阳能电池面临机遇中国光伏产业加速发展

薄膜太阳能电池面临机遇 中国光伏产业加速发展 ■ 尚德太阳能电力有限公司 于化丛博士 太阳能电池是将太阳光能直接转换成电能的一种器件，目前已大规模商业化的太阳能电池是晶体硅（单 晶硅和多晶硅）太阳能电池、硅薄膜太阳能电池等硅系列太阳能电池和化合物太阳能电池。但晶体硅太阳 能电池具有原材料消耗大、成本高和能源偿还时间（ EPT）长的缺点，特别是在太阳能光伏发电市场 发性 增长，而重要的晶体硅太阳能电池依赖的高纯多晶硅材料由于技术及资金瓶颈而致短缺的今天，薄膜太阳 能电池转换效率低和光致衰减（ S-W 效应）问题，其他诸多化合物太阳能电池则受资源限制并存在对环境 的友善问题。 因此寻找一种转换效率高、 低衰减且成本低、资源丰富无污染并适于大量生产的太阳能电池， 是光伏科学界的挑战，也是太阳能光伏发电承担从补充能源到替代能源转换的历史任务必须优先解决的问 题。 效率纪录不断刷新 人类对太阳能发电的研究可以追溯到十九世纪。 1839 年，法国实验物理学家贝克勒尔在试验中发现了光 生伏特效应； 1930 年，肖特基提出氧化亚铜势垒的 “ 光伏效应 ” 理论和 B.Lang 发表了 “ Newphotovoltaiccel l ” 即氧化亚铜 /铜电池后，奥杜博特和司托拉于 1932 年制成第一块硫化镉太阳能电池； 1941 年，奥尔在硅上 发现了光伏效应； 1954 年，恰宾和卡尔松等人在贝尔实验室用表面抛光的硅片制作 pn 结，然后在高真空 镀膜机中分别在两侧蒸镀上金属接触电极，制成了光电转换效率达 6％的世界上第一块实用的硅太阳能电 池， 标志着太阳能电池研制工作的重大进展。 1958 年， 这种电池首次在空间应用， 装备美国先锋 1 号卫星。 1959 年，第一个光电转换效率为 5％的多晶硅太阳能电池问世； 1960 年，硅太阳能电池发电首次并入常规 电网； 1975 年，美国科学家制作出非晶硅太阳能电池；上世纪 80 年代初，太阳能电池开始规模化生产。 进入上世纪 90 年代以来， 随着各国对太阳能电池研究的不断重视， 科研和产业投入不断增加， 取得了一 系列的科研成果，太阳能电池效率的纪录不断被刷新，奠定了规模化工业生产的技术基础。赵建华小组于 1998 年在澳大利亚新南威尔士大学创造的 24.7％单晶硅太阳能电池光电转换效率纪录已经保持了近 10 年； 多晶硅太阳能电池的纪录在 2004 年 5 月被德国弗朗霍夫太阳能系统研究所舒尔茨小组打破，达到 20.3％； 9.5％的非晶硅单结薄膜太阳能电池的光电转换效率纪录是 U.Neuchatel 于 2004 年创造的， 而 10.1％和 11.7％ 的纳米硅薄膜单结和非晶硅 /微晶硅叠层太阳能电池光电转换效率的世界纪录是由日本钟渊公司分别于 1998 年和 2003 年创造的；集成型非晶硅合金三结叠层太阳能电池组件及小面积（ 0.27cm 2）电池转换效率 分别达到 10.4％和 12.1％，由美国 USSC 公司于 1994 和 1997 年创造；而属于化合物薄膜的铜铟镓硒和碲 化镉太阳能电池纪录分别达到 18.8％和 16.5％，在 1999 和 2001 年由美国国家可再生能源实验室创造。 薄膜太阳能电池份额增加 光伏市场迅猛发展，组件产量快速增长。 2000 年后，伴随着晶体硅太阳能电池生产技术的成熟，价格不 断降低， 应用领域和范围的不断扩大， 形成了市场驱动下的良性循环。 特别是 2003 年德国开始实施的可再 生能源法案，极大地刺激了太阳能光伏发电市场的发展。 2006 年，全球太阳能电池产量已经达到 2.5GW 。 目前，以屋顶和大规模并网发电为主的德国市场仍是最大的光伏市场，约占全球一半以上份额，随着西 班牙、 意大利等国家光伏发电 策的出台， 欧洲仍然保持 40％以上的强劲增长速度， 5 年内仍是以德国为主 的欧洲市场占 2/3 左右。此外，以大规模建设光伏并网发电站为主的美国和亚洲的市场近期也将有较大增 长，近 5 年内可望占整个市场的 30％。 在各种类型的太阳能电池中，晶体硅太阳能电池仍然占据着 85％以上的份额，但现在正受到来自薄膜太 阳能电池技术的挑战。近几年，薄膜太阳能电池所占份额有所增加，特别是非晶硅太阳能电池和以 CIGS 和碲化镉为代表的化合物太阳能电池增加明显。这一方面是由于世界各国持之以恒地在薄膜太阳能电池的 研发投入，特别是探索低成本、大面积化的薄膜太阳能电池颇见成效；另一方面是由于光伏市场规模的扩 大，以高纯多晶硅为主要原材料的晶体硅太阳能电池，受高纯多晶硅产业由于技术和资金壁垒，扩产计划 受到制约的限制；再者，晶体硅太阳能电池生产技术接近成熟，单位质量的高纯多晶硅生产太阳能电池的 数量潜力有限，加之提炼高纯多晶硅耗能较多，就使得晶体硅太阳能电池组件的成本下降空间有限，这也 在客观上为薄膜太阳能电池的迅速发展提供了契机。 中国光伏产业加速扩张 我国太阳能资源丰富，无电地区人口多，国 经济发展及人 生活水平提高使电力供应增长速度加快，电 力供应缺口大，加之 2006 年《可再生能源法》的颁布和实施，各地区配套 策的落实，将极大地促进太阳 能电池的应用，因而太阳能电池的市场发展潜力很大。 我国从 1958 年开始研制硅太阳能电池， 1971 年 3 月太阳能电池首次应用于我国发射的第二颗科学实验 人造地球卫星上，开创了我国太阳能电池空间应用的历史。同年，太阳能电池首次在海港航标灯上应用， 开创了我国太阳能电池地面应用的历史。 紧接着气象和 通信 用光伏电源开始开发并投入使用。 但因规模小， 研发投入不够，光电转换效率仅为 6％ -10％。从 “ 六五 ” 计划起，我国开始增加太阳能电池研发的投入，据 不完全统计， 我国目前已有 34 个大专院校和研究所从事太阳能电池及其系统的研究， 对于太阳能电池的研 究主要集中在实用型的单晶硅太阳能电池、高效单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电 池、砷化镓太阳能电池、空间用的硅太阳能电池及其系统、铜铟锡及碲化镉化合物薄膜太阳能电池和聚光 太阳能电池及系统。我国太阳能电池研发基本处于跟踪国际先进水平的阶段，与国际上的差距主要是效率 要低 1-2 个百分点。 令人鼓舞的是，我国光伏产业很好地利用了国际资本市场的融资渠道，继尚德电力于 2005 年 12 月在纽 约证券交易所（ NYSE ）挂牌上市后， 2006 年后相继有常州天合、苏州 CSI、江苏林洋、南 中电、河北晶 澳、保定英利等在美国的 NYSE 和纳斯达克（ NSDQ ）资本市场上市，迅速募集到扩产需要的数十亿美元 资金，使中国的光伏产业迅速发展壮大。 2006 年光伏电池产能达到 1200MW ，产量达 450MW ，比 2005 年 净增 280％，光伏组件产量达到 800MW ，产能则达到 2000MW 。中国对世界光伏产业发展的贡献已经跃居 到世界第三位，仅次于日本和德国，尤其是尚德电力已从全球光伏十强排行榜中的第六跃居到第四位，今 年将上升到第二位，成为世界知名的光伏品牌。其他几家上市公司也在不断发展，争取进入前十位