太阳能电池行业在国民经济中的地位--缩减版

太阳能电池行业在国民经济中的地位当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时， 越来越多的国家开始实行“阳光计划”， 开发太阳能资源， 寻求经济发展的新动力。 欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。 在国际光伏市场巨大潜力的推动下， 各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。中国对太阳能电池的研究起步于 1958 年。目前，我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。 2008 年全国太阳能电池产量达到2000MW，同比增长接近 100%。中国已经成功超越欧洲、日本成为世界太阳能电池生产第一大国。 在产业布局上， 我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。从能源发展的角度看， 太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位， 不但要替代部分常规能源， 而且将成为世界能源供应的主体。 预计到2030 年，可再生能源在总能源结构中将占到 30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到 10％以上；到 2040 年，可再生能源将占总能耗的 50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的 20％以上。这些足以显示出太阳能电池产业的发展前景及其在国民经济中的战略地位。我国的太阳能电池产业起步较晚， 特别是由于太阳能光伏发电成本仍然较高，因此国内装机增速较慢， 与发达国家差距较大。 不过最近国家在这方面逐年加大了投入和政策扶持力度。 从国家能源战略和国民经济发展的前景预期， 未来政府将会进一步加强政策引导和政策激励， 推动太阳能电池产业国内市场的快速发展。太阳能电池行业在我国未来国民经济发展中将占据更为重要的地位。太阳能电池行业的分类太阳能电池根据构成材料的不同， 主要分为晶体硅电池和薄膜电池两种。 其中晶体硅太阳能电池又可以分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池转换效率最高， 技术也最为成熟。 在实验室里最高的转换效率为 24.7%，规模生产时的效率为 15%。在大规模应用和工业生产中仍占据较高地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难。为了节省硅材料，发展了多晶硅和薄膜电池作为单晶硅太阳能电池的替代产品。多晶硅太阳能电池与单晶硅比较， 成本低廉， 而效率高于薄膜电池， 其实验室最高转换效率为 18%，工业规模生产的转换效率为 10%。因此，多晶硅电池目前在太阳能电池市场上占据主导地位。薄膜太阳能电池成本低重量轻， 转换效率较高， 便于大规模生产， 有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应， 稳定性不高， 直接影响了它的实际应用。目前，太阳能电池中薄膜电池约占到 13％左右。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题， 那么， 薄膜大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。太阳能电池的分类2009 年国内太阳能电池行业重点政策汇总整体看，从 2006 年以来受到节能减排等国家重大战略政策的影响，国家陆续出台了一系列新能源领域的扶持政策。 太阳能和风电等清洁能源行业的战略地位日益提高。 国家不断出台可再生能源发电补贴政策，从而促进国内光伏产业的快速发展。此外， 电子信息产业作为国家十大振兴规划产业， 虽然振兴规划中并没有具体对于太阳能电池行业的扶持政策， 但是提出了加快电子元器件产品升级的发展思路。 并明确将薄膜太阳能电池列为重点发展产品之一。 这表明国家对于太阳能电池行业的发展不仅仅是在规模上成为国际领先，更希望加快产业升级速度，在产业质量方面上成为国家战略支柱行业。表 1 以 2009 年为例看太阳能电池行业的主要政策正式颁布或启动时间 政策名称或举措 核心思路及影响2009.3 关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见增加我国太阳能电池产业国内需求， 推动光伏产业整体高速发展2009.4 太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办 法 快速推动光伏产业及上 游配套产业的发展2009.4 电子信息产业振兴规划加快发展以薄膜太阳能电池为代表的环保型基础电子元件2009.7 关于实施金太阳示范工程的通知采用资金扶持和等手段促进技术拉动光伏工程规模化发展2009.7 新能源发展规划（制定中）光伏产业 2020 年发展目标上调至 2000 兆瓦，大力推进光伏产业发展2009.8.26 过剩产业通报国务院指出多晶硅出现重复建设倾向， 要建立和完善准入标准， 引导产业健康发展， 有助于光伏产业上游产业供给稳定2009.8.31 鼓励进口技术和产品目录 目录中删除了多晶硅， 推动上游产业协调发展2009.11.16 关于做好“金太阳”示范工程实施工作的通知有助于规范项目招标过程，令招标公开透明化，使金太阳示范工程真正具有示范效应， 起到推动行业快速发展的作用表 2 以 2009 年为例主要国家光伏行业的主要政策对比国家 过去政策 现在政策日本于 1997 年实施了“七万屋顶计划” ，规定每个安装光伏系统可以获得最多 50%安装成本的补贴 , 政策促进了日本光伏产业的快速发展。补贴分十年递减，于2006 年结束补贴。之后国内一直没有针对光伏的补贴方案出 台。政府在最新出台的经济刺激方案中重启对于光伏项目的投资，投资 200 亿美元用于鼓励太阳能电池发电的应用。按照目前光伏系统每瓦 4.4 美元的成本计算，此项刺激方案将带来 4.5GW的安装量，这项政策会大大增加人们对日本光伏市场的信心德国在 2000 年颁布的“可再生能源电力供应法”规定电力公司收购光伏上网电力。2004 年修订， 平均电价 50欧分 /kWh， 2008年再次修订，平均 40 欧分 /kWh 太阳能收购电价向下调整，减少太阳能屋顶 FIT 由 2008 年每年降幅 5%，改成2009 年调降 8%、 2010 年降 8%、 2011 年降 9%；地面装配系统从年降 6.5%，改成2009-2010 年降 10%。美国在 30 个州都通过了“净电量计量法” ，加州的“购买降价”政策则将补贴直接体现在购买太阳电池发电系统的价格优惠上，每瓦补贴 4 美元奥巴马政府积极推行新能源政策，在未来 10 年内耗资 1500 亿美元刺激私人投资清洁能源； 2 月又通过了 “复兴和再投资法案” ，包括对太阳能行业提供直接补助，支持贷款扶持力度以及税收减免政府。西班牙2001 年制定了新的 “电力法” ， 对于 5KWp 以下的系统，太阳能售电电价为每度电0.35 欧元，对于 5KWp 以上的系统，太阳能售电电价为每度电 0.28 欧元2008 年底下调收购电价，价格由之前0.42 欧元 /kWh -0.44 欧元 /kWh 降至屋顶系统 0.33/kWh ，地面系统 0.29 欧元/kWh， 价格下调幅度达到 20%以上； 还规定了 2009 年光伏安装总量的补贴上限为500MW 综合分析主要国家的产业政策变化， 虽然西班牙和德国补贴政策有所减弱， 但是总体上还是以积极推动为主。 因此， 从产业政策角度分析全球太阳能电池市场国际需求仍然稳步上升。表 3 不同太阳能电池对比电池种类 光电转换效率 光伏组件 效率 受光面 积 制造能耗 制 造成本 主要障碍 材料来源晶体硅 单晶硅 16%-17% 13%-15% 7m2/kwp 高 高 硅提纯工艺 丰富多晶硅 14%-15% 12%-14% 8m2/kwp 较高 较高 硅提纯工艺 丰富薄膜电池 非晶硅 6%-7% 6%-7% 15m2/kwp 低 低 衰减特性 丰富碲化镉 8%-10% 8%-10% 11m2/kwp 低 中 有毒性材料 Te 极其稀缺铜铟镓硒 10%-11% 10%-11% 10m2/kwp 低 中 制造工艺难于控制 In 、 Ga属稀缺资源新型电池 砷化镓 18%-22% 18%-22% 4m2/kwp 高 很高 成本高 技术复杂 砷稀缺不同类别太阳能电池制造技术现状太阳能光 -电转换主要采用太阳能电池来实现。按照大类划分，目前太阳能电池主要分为晶体硅电池和薄膜电池两大类。晶体硅太阳能电池的转换效率较高，原材料来源简单，是光伏电池的主流产品，在全球前10 大太阳能电池生产商中，有 9 家是以生产晶体硅太阳能电池为主的。尽管晶硅太阳能电池技术相对市场占有率有下降趋势， 但总体上多晶硅太阳能电池在以年增长率 40%-50%的速度发展，未来市场相当可观。预计未来 10 年晶体硅太阳能电池所占份额尽管会因薄膜电池的发展等原因而下降， 但主导地位仍不会根本改变。 薄膜电池近年来发展较快。 和晶体硅电池相比，薄膜电池制作成本、能耗均低于晶体硅电池。同时，薄膜电池透光性好，对于光伏建筑一体化等领域更加实用。3.1.2 薄膜电池技术现状薄膜电池， 常常被称作第二代光伏电池， 包括了许多不同的技术。 不同的薄膜电池主要区别在： （ 1）光吸收材料； （ 2）薄膜电池组件的基板是刚性还是柔性。目前发展的不同薄膜电池技术都有一个共同点，都大幅降低了光吸收材料的用量。薄膜电池使用不到 1%的生产硅片电池的原材料，这显著降低了生产成本。薄膜电池的缺点是其转换效率比晶硅电池低很多。目前主流的薄膜电池主要包括：非晶硅电池（ a-Si） 、 CdTe电池和 CIS/CIGS 电池。薄膜电池行业处于发展初期， 但未来市场空间巨大， 在 BIPV等应用需求推动下将迅猛发展。此外， 随着技术的快速发展， 薄膜太阳能电池成本快速下降， 有望先于晶体硅电池实现平价上网。下面将分别讨论三种不同薄膜太阳能电池的技术现状。3.1.2.1 非晶硅电池非晶硅电池是目前发展的主流的薄膜电池技术。 非晶硅材料的原子排列无序， 没有形成晶体结构，包含大量的结构性和连接缺点。由于其结构不均一，晶带宽度为 1.1~1.7eV，因此非晶硅在光谱的可见区， 比晶体硅有更高的光学吸收系数， 可以有更薄的结构， 甚至可以低于1 微米。电池元件中非晶硅层的生长一般通过 PECVD实现。该技术允许大面积的生长（最高达 1 平方米或更多） 。 非晶硅也可以在低温 75 摄氏度状态下生长， 这样就允许在玻璃甚至不锈钢以及塑料等聚合体上生长而不损坏基板。 使用柔性基板就可以实现电池组件与各种建筑结构结合起来。但是， PECVD 设备非常昂贵，初期的资本投入就比晶体硅高很多。像其他薄膜电池一样， 非晶硅电池的核心优势就是仅需要很薄一层非晶硅， 降低了原材料的用量进而降低了生产成本。 低原材料消耗结合相对较低能源消耗意味着非晶硅电池的能源回收期较短。 EPBT 基本在 1-1.5 年之间，接近晶硅电池的一半。非晶硅电池的主要缺点是其转换效率比晶硅电池要低且存在光衰退现象。 商业生产的非晶硅电池转换效率为 6-8%。非晶硅电池的制造商包括美国的 United Solar ，德国的 Shott Solar 和Ersol Solar，目前国内大部分介入薄膜电池的公司基本都以非晶硅薄膜电池为主。3.1.2.2 碲化镉薄膜电池CdTe被认为是太阳能薄膜电池最有前途的光电材料， 有着最适宜的 1.5eV 的能带隙， 很高的吸收效率。 实验室中碲化镉薄膜电池可以实现 16%的转换效率， 商业规模生产的电池组件转换效率超过 10%已经获得验证。相比其他薄膜电池，碲化镉薄膜电池拥有以下优点：（ 1） CdTe容易在基板上生长，更适合大规模生产。高度自动化生产工艺已经成功使用。（ 2） CdTe 电池与传统半导体相比不易受电池温度上升的影响，在高温下 CdTe 薄膜电池能够获得相对多的电能。 在阴天、 拂晓或者傍晚， 半导体材料在转化散射光成电能上也比常规电池效率要高。（ 3） CdTe薄膜电池拥有几乎吸收所有可见光的能带隙。能带隙能量几乎达到了单结电池的最优值，同时产生高电流密度和高电压。CdTe作为光伏电池的材料，它的主要缺陷是重金属镉属于积性毒物，因而 CdTe有毒。在运行时，这些电池组件不会产生污染物。但是，使用 CdTe技术还是有环境危害和安全隐患，比如在着火或循环利用的情况下，重金属镉就会释放到大气层。目前， First Solar 是 CdTe薄膜电池市场的主导者，其生产成本已经达到 1 美元 /瓦以下，在德国等光照时间较短的国家和地区有着广泛的市场。3.1.2.3 CIS/CIGS 薄膜电池CIS（ CuInSe2）有很高的吸收率，在材料的第一微米可以吸收 99%的可见光，所以是很有效的光伏材料。 增加少量的镓可以增加它的光吸收能带， 使它更贴近太阳光谱， 改善光伏电池的电压和效率。 CIGS电池在实验室已经达到 19%的转换率，远高于其他薄膜电池。 CIGS也能通过环保和废品处理要求。 CIGS的转换效率非常稳定，性能长时间不减退。地球表层铟的储量跟银差不多， 因为较为稀缺， 铟的价格波动较大。 接近 70%的铟都用在平板显示器行业。所以，如果 CIS电池的产量上升，争夺铟材料令人担忧。当然，用量也不是很大，生产 2GW 的 CIS电池用到 2004 年铟产量的 10%。另外，铟也可以通过退役电池组件的循环利用来获得。在稳定性上， CIS/CIGS不会出现光致衰退现象，通常在运行的第一小时转换效率略有上升， 接着就显著稳定。 但是， 在炎热潮湿的环境下， 他们的稳定性存在问题。CIS和 CIGS电池的生产商包括 Global Solar， Wurth Solar， 国内目前孚日股份在建 CIS 薄膜电池生产线。3.1.3 新型聚光太阳能电池技术现状一般所说的聚光多结太阳能电池是指针对太阳光谱， 在不同的波段选取不同带宽的半导体材料做成多个太阳能子电池， 最后将这些子电池串联形成多结太阳能电池。 其核心是采用化合物半导体电池，这些电池在锗衬底上单片集成了 GaInP 和 GaAs 薄层，每层吸收光谱中的不同部分。三结电池轻而易举地保持太阳能转换效率的最高纪录 42.8%，目前研究较多的 III-V族材料体系，就是上述 InGaP/GaAs/Ge 三结电池。 II-VI 族材料目前还处于研究阶段。全球太阳能电池行业规模由于全球各国能源政策逐渐向洁净能源倾斜， 全球光伏产业规模增速很快。 从全球累计装机规模变化看， 2001 年全球光伏产业仅有 1762MW ，但是到 2008 年已经增加至 14534MW ，规模扩大超过 10 倍，年复合增长率在 40％以上。而 2009 年初步统计全球光伏产业规模突破了 20000MW 。1762 2201 27953847 516766349034145342143405000100001500020000250002001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009光伏规模（ MW）4.1.2 中国太阳能电池行业规模从我国的光伏产业看， 装机比重不高， 使得我国国内光伏产业发展速度十分有限， 因此从光伏累计装机量上很难反应我国太阳能电池产业的规模。不过我国在太阳能电池供给方面已经成为全球第一。我国太阳能电池产业更加集中在中段。而我国几大太阳能电池供应商纷纷在海外上市。无锡尚德、浙江昱辉、阿特斯、常州天合、江苏林洋、 河北晶澳、中电光伏、江西赛维、 保定英利新能源和江阴浚鑫等十家海外上市公司生产太阳能电池占到全国大约 95％以上的产能，因此可以用这些海外上市企业的资产、收入规模总和代替我国太阳能电池行业规模，简单分析我国太阳能电池产业的规模变化。从资产和收入规模看，我国太阳能电池产业在 2006 年以来取得很大进步，在 2008 年达到160 亿美元以上的资产总和，收入也超过 75 亿美元。不过 2008 年下半年以来，随着全球金融危机的影响，我国太阳能电池产业规模增速明显减缓。截止 2009 年，我国太阳能电池行业资产规模在 166 亿美元左右，全年营业收入在 74.72 亿美元，和 2008 年相比均有小幅下降。2006-2009 中国太阳能电池行业规模变化05000100001500020000百万美元总资产 2374.27 5825.87 16018.07 16653.89营业收入 1438.66 3718.37 7548.15 7472.142006 2007 2008 20094.3.2.2 需求结构分析我国的太阳能资源丰富，太阳能年辐射量高 4200MJ/m 2 的地区占国土面积的 76%。特别是从下图可以看出，在我国中西部地区具有很强的发展光伏产业的基础和潜力。数据来源：世经未来整理图 1 我国太阳能资源分布我国从 2007 年开始已经成为太阳能电池的第一生产大国，但是与此同时，我国的光伏产业需求相对增长较慢， 2008 年以前每年光伏装机量在 100MW 以下。虽然 2009 年装机量达到150MWM ，但是同时我国太阳能电池产量在 2009 年已经达到 3500MW ，国内需求量仅占当年产能的 4%，大量的光伏产品依靠出口，使得我国的太阳能电池产业过度依赖海外市场。总体看， 我国本国太阳能电池供需严重不平衡。 这种情况使得我国太阳能电池对于国外产业政策和汇率等因素敏感度过大，是我国太阳能电池发展的重大风险来源。中国太阳能电池供需平衡走势对于太阳能电池产品市场的竞争看， 晶体硅电池仍然占据主流。 从全球范围看晶体硅电池所占比重仍然超过 85％。不过从成本角度判断，薄膜电池更有市场前景。当前太阳能电池发展的一大瓶颈就是原料成本过高， 影响光伏产业的推动和发展。 相比于晶体硅电池， 薄膜电池硅片比重更低，原料依赖程度也低，因此成本更接近市场预期。 不过，薄膜电池的转换效率和使用寿命短期内还很难和晶体硅电池竞争， 这也是薄膜电池比重增速较为缓慢的主要原因。从长期趋势判断，薄膜电池比重将会不断提高。另外，从我国太阳能电池发展思路和产业政策判断， 晶体硅电池原料依赖进口， 国家希望大力扶持薄膜电池， 从这一领域实现提示产业国际竞争力的目标。因此，从产品市场竞争角度看，薄膜电池更具潜力。2009 年薄膜太阳能电池行业发展情况分析8.2.1 行业规模薄膜太阳能电池， 指在塑胶、 玻璃或是金属基板上形成可产生光电效应的薄膜。 这种薄膜厚度仅需数 μ m， 在同一受光面积之下可较硅晶圆太阳能电池大幅减少原料的用量。 薄膜太阳能电池主要由 CdTe（碲化镉） 、 CIS（铜铟硒） /CIGS（铜铟硒镓） 、硅基薄膜三类电池组成。在硅材料短缺的背景下， 2007 年和 2008 年薄膜电池经历了大发展。 不断有新的项目发布或者投产， 有限的设备公司订单已经排到 1 年以后， 而且新增订单不断， 除了美国 First Solar，日本夏普也开始大规模投入薄膜领域，而德国的 Q-CELL肖特等也大力投入薄膜事业，台湾几乎瞬间投入了超过 10 个薄膜项目，国内的非晶硅龙头拓日新能源顺利上市，新澳集团高调介入等等都显示薄膜正在吸引越来越多的资本和关注； 薄膜自身的发电优势和低成本也将1424381088200035005 10 20 40 150050010001500200025003000350040002005 2006 2007 2008 2009供给（ MW） 需求（ MW）会是下降光伏发电成本的一大主要驱动力。与晶硅太阳能电池相比，薄膜电池具有三个优势： 1、成本优势明显，特别是在多晶硅价格高涨的年份更为如此，据测算在 5MW 的生产规模下，非晶硅薄膜太阳能电池组件的生产成本也在 2 美元 / 瓦以下，而单线产能达到 40MW-60MW 甚至更高的全自动化生产线，其产品生产成本则更低。 相对于平均 3.5 美元 / 瓦的国际市场销售价格而言， 其利润空间可见一斑。2、能量返回期短。转换效率为 6%的非晶硅太阳能电池，其生产用电约 1.9 度电 /瓦，由它发电后返回的时间约为 1.5-2 年，而多晶硅无法与之相比。 3、薄膜电池适合与建筑结合，将薄膜太阳能电池应用于城市大量的既有和待开发的建筑外立面和屋顶， 避免了现有玻璃幕墙的光污染问题， 能代替建材， 同时发电又节能， 将成为未来城市利用光伏发电的主要方向。2006 年薄膜电池总产量达到 249MW ，占世界电池产量的 10%。 2007 年薄膜电池产量达到470MW ， 占世界电池产量的 12.6%。 2008 年薄膜电池产量达到 840MW， 占世界太阳能电池比重的 14％， 2009 年全年统计薄膜电池占到 15％，达到 1245MW 。数据来源： Photon International 图 2 薄膜太阳能产量及占太阳能电池比重变化8.2.3 发展趋势从薄膜电池的发展趋势看， 虽然， 随着多晶硅价格的下降， 薄膜电池的价格优势已经逐渐缩小， 2009 年薄膜市场增长速度和 2007、 2008 年相比有所减缓，而未来增速下降趋势更为明显。但是相比于晶体硅电池，薄膜电池在成本上的优势仍然成为其发展的重要动力。另外，由于其较好的透光性，在 BIPV 应用上有着不可比拟的优势。也使薄膜电池需求日益增长。02004006008001000120014000%2%4%6%8%10%12%14%16%产量（ MW ） 30.00 39.00 41.00 78.86 109.20 163.68 249.87 470.36 910.00 1245.0占比 10.5% 10.0% 7.3% 10.6% 9.1% 9.3% 10.1% 12.6% 14.0% 15.0%2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009总体来看，未来薄膜电池的发展将日趋平稳，所占市场比重也保持在 15-20％之间。而对于不同薄膜电池的发展，虽然 CIS（铜铟硒 /CIGS（铜铟硒镓）电池转换效率更高，但是工艺的不稳定性和原材料的稀缺性都限制了其发展。 相比而言， 非晶硅电池在原料和工艺稳定性上都更具发展潜力。而 CdTe电池已经逐渐被市场所认可，生产也进入了大规模量产阶段，成本仍有下降空间，未来几年市场规模也将继续扩大，不过从长期看镉的毒性限制了其发展，市场潜力不如非晶硅薄膜电池。