单位不要空太阳电池发展现状及性能提升研究第1章国内外太阳电池和光伏新能源的发展态势第1章国内外太阳电池和光伏新能源的发展态势〖1〗王启明1赵雷2薛春来111光伏能源的优势及其在新能源中的地位人类社会的发展对能源的需求越来越大。据国际能源署（IEA）发布的《世界能源展望2010》预测，2008～2035年，世界主要能源需求预计将增加36%，即年增长12%。到2035年，全球石油需求将从2009年每日8400万桶增长18%,达到每日9900万桶。根据英国石油公司（BP）发布的《世界能源统计2011》，2010年全球能源消费比上年增长56%，而截至2010年年底，全球原油探明可采储量为1383万亿桶（不含加拿大油砂），按2010年的年开采速度计算，可开采462年（储采比为462）;全球常规天然气探明可采储量为1871万亿立方米，储采比为586;煤炭全球探明可采储量为860938亿吨，储采比为118。该报告的数据同时显示，2010年美国能源消费量占全球的19%，我国占全球的203%，是世界上最大的能源消费国。截至2010年年底，我国原油剩余探明可采储量为148亿桶，仅占全球总量的11%，储采比为99；天然气剩余探明储量为28万亿立方米，仅占全球总量的15%，储采比为290；煤炭剩余探明储量为1145亿吨，占全球总量的133%，储采比为35。《世界能源统计2011》中的这些数据说明，无论是全世界还是我国，常规能源都面临日益严重的供给短缺问题。我国是世界煤炭第一大消费国，石油第二大消费国，天然气的消费量也在逐年增加，能源供给短缺正对我国经济的可持续发展构成严重威胁。此外，化石能源的大量开发利用是造成人类生存环境持续恶化的主要原因之一。化石能源燃烧排放出的二氧化碳和含硫氧化物直接导致了温室效应和酸雨。在能源和环保上，人类面临着双重挑战，在有限资源和环保要求的双重制约下如何发展经济已成为全球热点问题。发展各类可再生新能源已被世界各国政府看作解决能源危机和减少环境污染的重要战略任务。大力发展可再生新能源还可以提高国家能源安全，降低对别国的能源依赖，同时提高社会稳定性，促进社会进步。
1 中国科学院半导体研究所，集成光电子学国家重点实验室，北京 100083
2 中国科学院电工研究所，中国科学院太阳能热利用及光伏系统重点实验室，北京 100190欧盟1997年明确指出，2020年和2050年可再生能源比例要分别达到20%和50%，2010年更是探讨了2050年实现100%可再生能源的可能性。美国2007年出台《清洁能源法》，并提出到2030年清洁能源要达到30%。日本政府推出绿色能源新政，提出到2050年要依靠提高能源效率和发展可再生能源减排温室气体80%以上。澳大利亚提出2020年可再生能源要满足20%的电力需求。我国提出到2015年，非化石能源在能源消费中的比重要达到114%，到2020年达到15%，并相继出台了《中华人民共和国可再生能源法》、《中国应对气候变化国家方案》、《中国可再生能源中长期发展规划》等政策和法规，将新能源产业明确列入《依靠科技创新加快培育和发展战略性新兴产业总体方案》。新能源中最具代表性的是核能、风能、生物质能和太阳能。核能包括裂变能和聚变能，聚变能离实际发电应用还比较遥远，核裂变能发电是利用铀燃料核裂变连锁反应产生的热将水加热成高温高压的蒸汽来推动蒸汽轮机发电。核能发电的优点是核燃料能量密度高、用量小、不排放巨量污染物到大气中，也不产生二氧化碳，缺点是投入高、建设周期长、技术复杂。例如，2004年建成的秦山二期核电站装机容量12GW，总投入达150亿元，建设周期8年，核心技术300多项。此外，核废料的洁净处理问题至今尚未解决，反应堆的安全问题也需要不断监控和改进，潜在风险高，如果发生突发不测事故，放射性物质释放到外界环境中，会对生态环境和人民健康造成长期的严重危害。2011年3月发生的日本福岛核泄漏事件已对此产生警示。核能是不可再生能源，我国的铀资源比较贫乏，大力发展核能未来会受到原料消耗的制约。风力发电作为清洁可再生能源的最大优点是成本相对较低，技术也比较成熟，但风能能量密度小，分布波动大，发展会受地域限制，即便是有风的地区，许多地方风力也有间歇性，造成发电不稳定。风力发电过程中虽没有污染物排放，但存在低频噪声，可能会对生态和人居环境产生影响。生物质能是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量，直接或间接来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，但其使用仍然有二氧化碳的排放。从广义上讲，生物质能也是太阳能的一种表现形式，但植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物，单位土地面积上的有机物能量偏低，栽种植物会消耗大量土地。作为新能源之一的太阳能具有无污染、可再生、总量大、分布广等优点，正受到人们的广泛重视。太阳辐射到地球的能量高达173万TW，每秒钟照射到地球上的能量相当于500万吨标准煤。当今世界各国都加大了开发利用太阳能资源的力度。欧洲、美国、澳大利亚、日本等地区和国家纷纷加大投入，积极探索实现太阳能规模化利用的有效途径。德国等欧盟国家更是把太阳能作为替代化石燃料的主要能源来大力扶植发展。我国也有十分丰富的太阳能资源，陆地表面每年接受的太阳能就相当于1700亿吨标准煤，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量都很可观。因此，我国也把开发利用太阳能作为发展可再生能源的重要组成部分纳入国家中长期科技发展规划纲要。太阳能可分为光热能源和光伏能源。光热能源包括直接热利用和光热发电。太阳能光热发电利用大规模阵列的抛物状或碟形镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，带动传统汽轮发电机发电。光热发电必须规模化利用，并且对太阳辐照度要求高，同时需要大量水资源进行冷却，目前发电成本仍然偏高。光伏能源基于光生伏特效应，利用半导体材料构筑太阳电池，太阳电池将接收的太阳光的部分能量直接转换为电能。光伏能源既可以规模化利用，也可以分布式甚至便携式利用。光伏能源建设周期短，在运行发电时，不产生废渣、废水、CO2和其他污染物、不会造成温室效应，也没有噪声，更不会影响生态平衡，从而可以改善气候和环境。光伏发电系统几乎可以安装在任何有太阳光的地方，不存在运输问题，对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具可利用价值。此外，发展分布式光伏发电，还能提升能源供应的安全性。新能源种类很多，并且具有各自的优点和发展空间，但是国际权威机构一致认为，太阳能将在未来的能源供给中占据主导地位。正因如此，虽然光伏能源目前的价格与传统能源相比仍然偏高，但光伏能源产业却已成为世界上发展速度最快的产业之一，在过去10年内其年平均增长率接近40%。根据Clean Edge公司统计，2000年国际光伏市场只有25亿美元，2010年已经增长到712亿美元。光伏技术的不断进步使光伏发电的成本在逐年降低，光伏组件价格从2000年的5美元/峰瓦，已经降低到了目前的接近1美元/峰瓦。相信光伏发电成本将很快与传统发电成本相当，在不远的将来，光伏新能源一定能在解决人类能源需求方面起到关键作用，为人类的可持续性发展作出不可估量的贡献。12太阳电池是发展光伏新能源的基石太阳电池光电转换的基础是半导体材料的光生伏特效应。目前广泛研究的太阳电池主要包括元素半导体太阳电池（单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、硅薄膜太阳电池），化合物半导体太阳电池（ⅢⅤ族化合物太阳电池、铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池、碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池）,染料敏化太阳电池（DSSC），有机聚合物太阳电池（OPV）以及下一代超高效太阳电池。随着科研投入的不断增加，各类太阳电池性能都取得了显著提高。单晶硅太阳电池的世界最高效率达到25%，多晶硅太阳电池达到204%，硅薄膜太阳电池达到134%，ⅢⅤ族化合物太阳电池达到379%，聚光条件下更是达到444%，铜铟镓硒薄膜太阳电池达到203%，碲化镉薄膜太阳电池达到196%,染料敏化太阳电池达到119%，有机聚合物太阳电池达到107%。能够突破常规太阳电池理论效率极限的下一代超高效太阳电池的研究也在原理上获得了重要进展。晶硅太阳电池技术最成熟，但制造过程特别是硅原料的西门子法化学提纯过程会消耗较多能量，硅片切割过程会消耗大量硅料，并且由于受到硅片尺寸和制造工艺的限制，晶硅电池面积小，需要很多电池集成为组件进行应用。硅薄膜太阳电池消耗硅材料少，但转换效率偏低。铜铟镓硒和碲化镉薄膜太阳电池都还没有特别完善的规模化生产技术，核心技术掌握在少数公司手中，并且采用了对环境不友好的元素或者稀缺元素，大规模推广有可能会受到环保和资源短缺的双重制约。但这几类薄膜太阳电池与晶硅太阳电池相比，具有更大的面积和更好的外观，因此更加适合光伏建筑一体化应用。ⅢⅤ族化合物太阳电池虽然效率最高，但其昂贵的材料和制造工艺成本决定了其只能拓展特殊的空天和军事应用，采用聚光方式也许可以开展一定的地面应用。染料敏化太阳电池和有机聚合物太阳电池目前还都刚刚迈入产业的门槛，性能稳定性还有待考验，但它们低廉的价格是吸引人的最大优势，可以开拓消费性便携式能源的广阔市场。各类太阳电池都有各自不同的优劣势，可以满足市场的不同需求，目前还不能做出单一性选择，只能各类电池协同发展。13国外太阳电池产业的发展现状与策略在技术进步和各国法规政策的强力驱动下，光伏产业自1995年以来进入了快速发展期，太阳电池产量从2000年的287MW增加到2009年的115GW，年平均增长率近45%。中国、美国、欧洲、日本是世界上最主要的4个制造国家和地区。据2011年5月的PV News报道，2010年世界太阳电池产量达到239GW。其中，晶硅太阳电池产业最成熟，占比例最大。2010年，单晶硅和多晶硅太阳电池份额占到87%。世界前十大太阳电池生产商中只有美国First Solar一家生产的是碲化镉薄膜太阳电池，产量达到14GW，其余全部是晶硅太阳电池企业。硅薄膜太阳电池产量最大的是日本夏普（195MW）。铜铟镓硒薄膜太阳电池产量最大的是德国的Solibro公司，但只有75MW。近两年，多晶硅价格呈下降趋势，薄膜电池原有的成本优势逐渐弱化，而且薄膜太阳电池转换效率相对较低，单位面积发电量小，需要更大的装配面积，生产设备成本也较高。晶硅太阳电池在未来5～10年内仍将是光伏发电市场的主流。在光伏制造业方面，西方国家在大多数方面拥有先进技术，他们着力于质量和效率的提高、装备的改善、环境的保护、专利的占有，然后把量产专利转移到发展中国家，将作为光伏能源使用的光伏组件从国外廉价购进。他们是把能耗、污染转给发展中国家，把清洁能源留给自己。在太阳电池制造方面，他们集中在太阳电池先进制备技术开发和高精尖高端设备制造上，单是德国的设备产业规模就与我国的太阳电池制造产业规模相当。这种回流式的产业格局是一个值得我们深思的问题。尽管光伏产业规模的扩大和技术的进步已使光伏发电成本下降明显，但仍高于常规能源的发电成本。光伏应用市场的形成，极大地依赖于政府制定的扶持政策。所以，目前的光伏应用市场仍具有相当高的集中度。欧盟已连续多年是最主要的光伏应用市场，在未来几年内还将保持这种趋势，尽管所占市场份额可能会有所下降。截至2010年，欧盟累计装机容量达到26GW，相当于世界累计装机容量的75%，之后是日本36GW和美国25GW。在各种光伏应用中，并网发电所占的比例越来越大。全球规模超过10MW的光伏电站已经超过了120个。光伏建筑一体化是光伏能源的另一种主要应用形式。欧盟光伏应用市场的发展主要得益于德国市场，德国自上网电价出台后一直是最大的光伏应用国。在德国之后，欧洲各国都纷纷制定了相应的上网电价政策来促进本国光伏应用市场的发展。日本主要采取“初投资补贴为主，净电表制为辅”的政策模式，在初投资补贴的基础上，以市场价格采购光伏系统发出的剩余电量。美国各州有不同的政策法规，包括实施强制市场配额、税收优惠、净电表制等。正是通过这些政策，国外光伏应用市场得到了快速扩展。我国的光伏制造产业也因此发展迅速，并形成了近来的产能过剩局面。随着其他各国逐年下调扶持力度，我国光伏制造企业的赢利能力逐渐下降，甚至面临严重亏损的境地。但从长远来看，光伏产业仍处于上升期，产业规模仍将扩大。光伏发电在世界能源体系中才刚刚崭露头角，平价上网是光伏发电的最终目标。14我国太阳电池的发展现状与趋势在国际上大力发展可再生新能源的背景下，围绕“提高效率、降低成本”的目标，国内有大量研究机构投入到各种太阳电池的研发中。传统晶硅太阳电池的量产水平与国际水平相当，但在新结构高效硅电池方面与国际水平存在一定的差距。各类薄膜太阳电池与国际水平相差较远，缺乏制备高性能太阳电池的关键技术和设备。ⅢⅤ族化合物砷化镓基太阳电池的制备水平与国际水平相差不大，能够满足我国的空天应用需求。染料敏化电池、有机太阳电池，以及下一代超高效太阳电池的研究也基本与国际同步。在西方光伏应用市场的拉动下，我国太阳电池产业发展迅速，几乎遍地开花。自2007起，我国太阳电池产量一直位居世界第一。2010年，全国总产量超过了12GW，占世界总产量的59%，但出产的基本是晶硅太阳电池。无锡尚德和河北晶澳太阳电池产量都超过了14GW，成为全球第一和第二大电池生产企业。河北保定英利、江苏常州天合的产量也突破了1GW，排进了世界前十大太阳电池生产商行列。同期，我国相应的多晶硅料产能也迅速扩大，2010年产量达到约40 000t(1t=1000kg)，占世界总产量的近31%，其中保利协鑫旗下的徐州中能硅业公司产能达到21 000万t，位居世界第三。保利协鑫提供的硅片产能达35GW，位居世界首位，江西赛维LDK的硅片产能也达到了3GW。尽管我国已是太阳电池生产大国，但电池制造过程中的高端设备，尤其是硅材料制备设备、硅片切割设备等，以及各种高性能的基础材料大部分从国外进口。由于在我国光伏发电的成本比化石发电成本高，光伏电站的建设在国内并不多，储能技术和智能化并网等配套建设也准备不够。我国的光伏发电激励政策一直以补贴政策为主，补贴范围有限，光伏应用市场拓展缓慢。相比于巨大的太阳电池产量，国内过小的光伏应用市场只能消费掉不到5%的电池，95%以上的电池份额均销往国外。2009年我国光伏发电装机量只有约228MW，2010年也只提升到了约520MW，仅占当年全球装机总量的大约3%。可见，我国只是太阳电池的制造大国，既不是光伏技术大国，也不是光伏应用大国。这样的结果是生产的能耗和可能的污染留在了国内，而最终的清洁能源却供给了国外。近来，西方政府正逐渐减弱对光伏市场的扶持力度，我国太阳电池的外销市场正面临挑战，“保增长、拉内需、促发展”的呼声日渐高涨。目前，经过光伏业界的创新拼搏以及国内光伏材料的产能释放，太阳电池成本已经大幅下降，我国大力发展光伏应用市场的契机正在呈现。2008年，温家宝总理在斯德哥尔摩对CO2减排作出承诺，光伏发电有望成为实现我国节能减排目标的可靠途径。2011年7月24日，《关于完善太阳能光伏发电上网电价政策的通知》出台。光伏上网标杆电价的出台有利于国内市场的逐渐打开，但新的上网标杆电价在细节上还有待完善。对不同地区不同类型电站的上网电价实行同一价格，并且价格偏低，这导致只有在日照资源充沛的西藏、青海等省份才有可能盈利。大规模拓展我国的光伏应用市场仍需要有更加灵活和开放的扶持政策。15光伏能源的发展态势化石能源危机引发的因素有两个。首先它是消耗性能源，地球上的蕴藏量有限，世界各国尤其是美国都在不断增大储备量。另一个因素是这种资源地区分布极不均衡，国际形势的动荡随时可能影响甚至切断它的供应，能源供应的安全性受到紧迫威胁。而且，化石能源燃烧排放的CO2、SO2等气体已严重破坏了地球的人居环境。因此，在全球范围内，人们都已经认识到了开发可再生、无排放、清洁新能源的紧迫性。太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源。技术进步将使光伏发电成本逐年下降，首先在终端消费侧实现平价上网，进而在发电上网侧实现平价上网。德意志银行经过细致的成本测算认为，光伏发电在2015年将达到15美分/kWh，达到终端消费侧的平价上网。欧洲光伏工业协会（EPIA）认为，2020年光伏发电将在76%的发电市场中成为最有竞争力的发电技术。2011年发布的“中国光伏发电平价上网路线图”认为，我国在2015年光伏发电电价可以达到1元人民币/
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