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綜述國內(nèi)外太陽能電池種類及行業(yè)發(fā)展狀況
一、太陽能電池的種類及發(fā)展進程
太陽能電池的主要原理是通過使用半導體材料，將較薄的N型半導體置于較厚的P型半導體上，當光子撞擊該裝置的表面時，P型和N型半導體的接合面有電子擴散產(chǎn)生電流，可利用上下兩端的金屬導體將電流引出?，F(xiàn)在制成的太陽電池有硅電池、砷化鎵電池、硫化鎘電池、碲化鎘電池、硅—碲化鎘電池、磷化銦電池等多種，而以硅電池發(fā)展得最為成熟。銅銦硒(CIS)薄膜太陽電池性能優(yōu)異，但目前技術(shù)尚不成熟，被稱為下一代的廉價太陽能電池。
目前太陽能電池主要種類有：結(jié)晶硅太陽能電池、砷化鎵太陽能電池、薄膜太陽能電池。結(jié)晶硅太陽能電池分為多晶硅太陽能電池和單晶硅太陽能電池。薄膜太陽能電池又分為多晶硅薄膜太陽能電池、微晶硅薄膜太陽能電池、非晶硅薄膜太陽能電池、色素增感太陽能電池、銅銦硒薄膜太陽能電池等。市場上以結(jié)晶硅太陽能電池為主，占太陽能電池總需求量的88%。結(jié)晶硅太陽能電池中又以多晶硅太陽能電池占比例較大，約占近2/3；單晶硅太陽能電池占1/3。
結(jié)晶硅太陽電池是用地球上富有的元素硅制造的，其工藝比一般晶體管的制造工藝簡單。硅電池光—電轉(zhuǎn)化效率一般為9～12%，也就是在地面陽光強度為1千瓦/平方米的條件下，每平方厘米的硅電池，能發(fā)出10毫瓦的電能。目前，硅太陽電池是人造衛(wèi)星、宇宙飛船上的主要能源裝置，在地面上則與蓄電池配合，作為特殊電源使用。白天有光照時，硅電池一方面給儀器或設(shè)備供電，同時將剩余的電能貯存在蓄電池里，到夜晚或陰雨天再由蓄電池供電。在一些無電或少電的邊遠地區(qū)，硅太陽電池——蓄電池組作為小功率獨立電源，可以發(fā)揮很大的作用。例如可為無人燈塔、海上航標燈、山地無人氣象站、地震觀測站、無線電中繼站、沙漠里的抽水機等固定的永久性設(shè)備供電，也可以作為半導體收音機、鐘表、打火機、家用照明燈、鐵路信號燈等的電源。
硅太陽能電池主要有單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池、非晶硅薄膜太陽能電池。硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的成熱的加工處理工藝基礎(chǔ)上的。現(xiàn)在單晶硅的電地工藝己近成熟，在電池制作中，一般都采用表面結(jié)構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù)，開發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的，在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導地位，但由于受單晶硅材料價格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困難的。多晶硅薄膜電池由于所使用的硅遠較單晶硅少，又無效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備，其成本遠低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池，因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電地市場上占據(jù)主導地位。非晶硅太陽能電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的成本及重量輕等特點，有著極大的潛力。但同時由于它的穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實際應(yīng)用。如果能進一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅大陽能電池無疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。
銅銦硒(CuInSe2簡稱CIC)薄膜太陽電池性能優(yōu)異，被國際上稱為下一代的廉價太陽能電池。吸引世界眾多的光伏專家進行研究開發(fā)。由于銅銦硒電池是多元化合物半導體器件，復雜的多層結(jié)構(gòu)和敏感的元素配比，要求其工藝和設(shè)備極其嚴格。太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率是代表材料性能、器件結(jié)構(gòu)、制備技術(shù)、工藝設(shè)備和檢測手段等綜合性整體水平的標志性指標。銅銦硒薄膜太陽電池雖然單位面積發(fā)電率比硅型太陽能電池低2%，但因原料價格低、生產(chǎn)工藝簡單，平均每瓦價格要低10%，所以具有很強的競爭力。
CIS材料的能降為1.leV，適于太陽光的光電轉(zhuǎn)換,另外，CIS薄膜太陽電池不存在光致衰退問題。因此，CIS用作高轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽能電池材料也引起了人們的注目。CIS電池薄膜的制備主要有真空蒸鍍法和硒化法。真空蒸鍍法是采用各自的蒸發(fā)源蒸鍍銅、銦和硒，硒化法是使用H2Se疊層膜硒化，但該法難以得到組成均勻的CIS。CIS作為太陽能電池的半導體材料，具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。
2005年8月底，南開大學在天津保稅區(qū)開建中國第一條銅銦硒薄膜太陽能電池中試線，使我國成為繼德、美、日之后的第四個開展這種電池中試開發(fā)的國家。目前世界上只有四個國家開發(fā)出這種單體電池和集成組件，美、日、德三國完成了中試線的開發(fā)，尚未實現(xiàn)商品化。目前昭和殼牌石油公司計劃于2007年初推出這一新型太陽能電池。該公司將是全球首個批量生產(chǎn)CIS型太陽能電池的企業(yè)，它計劃利用現(xiàn)有的加油站和液化氣銷售網(wǎng)來推廣這一新產(chǎn)品。
二、太陽能電池新技術(shù)突破情況
目前有將近90%的太陽能或光電電池是由提煉的純凈硅制成的。嘗試使用資源豐富而且便宜的充滿金屬雜質(zhì)和缺陷的普通硅，由此制成的太陽能電池性能差強人意而一度失敗。此外，用于去除雜質(zhì)的制造技術(shù)也非常昂貴，抵消了采用便宜材料而帶來的成本效益。美國加州伯克利大學研究人員研制出基于“非純凈硅(dirty silicon)”的新技術(shù)，有可能幫助降低太陽能電池的成本。該大學材料科學與工程系教授兼Lawrence Berkeley國家實驗室(LBNL)先進單位材料中心首席調(diào)查員Eicke Weber表示。“我們不去除雜質(zhì)，而是留下它們，但是我們采用了減少它們對太陽能效率產(chǎn)生有害影響的處理方法。”研究人員發(fā)現(xiàn)，他們能夠通過改變硅冷卻速率來控制金屬雜質(zhì)的分布。研究人員聲稱，如果研究者和制造商能進一步降低電池成本，太陽能工業(yè)將得到更快速發(fā)展。
SunPower公司2005年8月透露，在高效率硅太陽能電池內(nèi)觀測到一種被稱為“表面極化(surface polarization)”的新性能效應(yīng)，有望大幅度增加太陽能系統(tǒng)的發(fā)電量。這家公司表示，表面極化現(xiàn)象在高效率太陽能電池表面產(chǎn)生非破壞性的可逆靜電荷積聚。當微小電流通過太陽能電池表面泄漏并在表面上累積時，出現(xiàn)這種現(xiàn)象。這種類型的電流泄漏出現(xiàn)于所有太陽能系統(tǒng)，但在太陽能電池表面積聚或耗散取決于系統(tǒng)接地極性和配置。表面電荷的存在或消逝能減少或增加太陽能電池發(fā)電，類似于可編程存儲晶體管的開關(guān)。該公司發(fā)現(xiàn)，采用高效率太陽能電池的系統(tǒng)發(fā)電能通過改變系統(tǒng)布線和接地配置而被大幅減少或增加，這些性能變化相對快速且完全可逆。
通用電氣公司全球研究中心(GE Global Research)是通用電氣公司專門進行科技研究的機構(gòu)。2005年8月，該中心透露其正在開發(fā)將碳納米二極管技術(shù)用于廉價太陽能電池的新技術(shù)。通用電氣公司全球研究中心表示，不同于傳統(tǒng)的二極管，通用電氣公司開發(fā)的碳納米二極管能夠執(zhí)行多種功能，一個二極管和二個不同類型的晶體管能夠發(fā)射和偵查陽光。通過一個P型和一個n型半導體材料的連接構(gòu)成了二極管。在通用電氣公司開發(fā)的碳納米二極管裝置中，采用靜電摻雜技術(shù)構(gòu)成了二個區(qū)域。使用二個分離的柵極連接二個等分的碳納米管，通過一個陰極偏壓和其他使用的陽極電壓，碳納米管的P-n結(jié)就可構(gòu)成。通用電氣公司全球研究中心指出，在光能量轉(zhuǎn)換成電流的過程中，通過測試碳納米管的參數(shù)、科學家進一步詳細闡述了理想二極管的性能，盡管提供的能量比光的波長小1000倍，但由于提高了理想二極管的參數(shù)，碳納米管顯示了重要的能量轉(zhuǎn)換效率。
中國科學院物理研究所納米物理與器件實驗室光機能材料研究組的孟慶波研究員和陳立泉院士等合作開展了一系列有機加成化合物電解質(zhì)的研究，研制的納晶太陽能電池效率分別達到4.3%和4.9%。他們合成了一種新型的具有單碘離子輸運特性的有機加成化合物固態(tài)電解質(zhì)，并系統(tǒng)研究了該電解質(zhì)的光譜性質(zhì)、輸運性質(zhì)，并測定了其單晶結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，在有機晶體中彌散納米尺度的SiO2顆粒后可以形成納微尺度的復合固體電解質(zhì)，由于表面增強解離效應(yīng)，電解質(zhì)的離子電導率得到了明顯提高，同時電解質(zhì)在多孔電極上的填充以及電極/電解質(zhì)界面接觸狀態(tài)都有極大改善，研制的固態(tài)復合電解質(zhì)納晶染料敏化太陽能電池效率達到了5.48%。這一研究成果使固態(tài)納晶染料敏化太陽能電池朝著實用器件邁出了重要一步。
2005年8月，韓國科學家開發(fā)出全球效率最高的柔性太陽能電池的原型產(chǎn)品。據(jù)韓國電子和電信研究所太陽能電池研究人員介紹說，這種柔性太陽能電池的造價相當?shù)?，但是，這種太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的性能是目前傳統(tǒng)的基于硅的太陽能電池的一倍，而厚度只有0.4毫米。該電池適用于可穿戴式手機和掌上電腦以及汽車行業(yè)的玻璃中，同時還能制成項鏈，利用陽光為便攜式設(shè)備供電。
日本東京理科大學的荒川裕則教授等人領(lǐng)導的研究小組，成功地開發(fā)出了“色素增感型”太陽能電池，這種電池將光電轉(zhuǎn)換效率提升到11%。“色素增感型”太陽能電池在材料中使用了色素和氧化鈦。為了提高光電轉(zhuǎn)換效率，研究人員將氧化鈦的大小控制在納米級，使色素能夠更加有效地吸收光。如果改變色素的種類，轉(zhuǎn)換效率有可能更高。
三、世界各國積極推動太陽能電池的發(fā)展
據(jù)Dataquest的統(tǒng)計資料顯示,目前全世界共有136個國家投入普及應(yīng)用太陽能電池的熱潮中,其中有95個國家正在大規(guī)模地進行太陽能電池的研制開發(fā),積極生產(chǎn)各種相關(guān)的節(jié)能新產(chǎn)品。2004年世界太陽能電池生產(chǎn)企業(yè)總產(chǎn)能達到1000MW以上，同比增長35%。在2005年眾多企業(yè)紛紛擴產(chǎn)，與2004年的產(chǎn)能相比，計劃增加1倍左右，達到約2000MW。
20世紀90年代以來，美國先后制定和出臺了包括國家光伏發(fā)展計劃、百萬太陽能屋頂計劃、光伏先鋒計劃等在內(nèi)的眾多光伏發(fā)展計劃，以推動光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。其中比較著名的是1997年美國前總統(tǒng)克林頓提出的“百萬太陽能屋頂計劃”。它規(guī)劃到2010年美國將為100萬個家庭安裝太陽能屋頂，每個光伏屋頂將有3k～5kW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，有太陽時使用太陽能屋頂?shù)墓╇姺绞剑粺o太陽時電網(wǎng)向家庭供電。僅此計劃，美國到2010年將用太陽能供電至少可達到3000MW以上。美國能源部曾宣布：計劃到2010年累計安裝的太陽能發(fā)電裝置所能達到的容量會超過4600MW，這勢必會大大刺激美國太陽能電池行業(yè)的發(fā)展。
日本的“能源和環(huán)境領(lǐng)域綜合技術(shù)開發(fā)推進計劃”(簡稱“新陽光計劃”)是在能源和環(huán)境保護這兩個領(lǐng)域內(nèi)進行高技術(shù)開發(fā)的重要規(guī)劃。“新陽光計劃”的精髓是通過各行業(yè)的共同攻關(guān)，克服在能源開發(fā)方面遇到的各種難題。其中，太陽能屬于七大部分之一的可再生能源部分，支持力度很大。日本政府提出在2010年實現(xiàn)全國太陽能發(fā)電裝機總?cè)萘?000MW的新能源工程，截至2004年累計安裝量已達到1900MW，而且近兩年來發(fā)展速度驚人，增長率達到70%以上。2005年8月底，日本矢野經(jīng)濟研究所對日本太陽能電池市場動向相關(guān)調(diào)查結(jié)果進行了匯總，并發(fā)表了截至2008年度(包括2008年度)該市場將以30～40％的年增長率擴大的預(yù)測。據(jù)該公司推算，估計到2008年度將達到大約2350萬kW。住宅用太陽能電池系統(tǒng)2004年度的推算市場規(guī)模方面，按套數(shù)計算為5萬8600套(新住宅為1萬1364套，原住宅4萬7236套)；按金額計算為3595億日元(新建住宅為2471億日元，原建住宅為1124億日元)。在總套數(shù)中原建住宅大約占8成。屋頂一體型由于成本比架設(shè)型(安裝在屋頂上)高，所以目前主要以新建住宅為對象，市場規(guī)模還較小。從單戶住宅的市場動向來看，預(yù)計市場今后還將繼續(xù)以原建住宅為中心不斷增長。矢野經(jīng)濟研究所此前曾預(yù)測2008年度的市場規(guī)模將達到共計14萬7600套，其中，新建住宅為2萬4600套，原建住宅為12萬3000套。如按金額計算，預(yù)測將達到6989億日元。
歐盟立法要求，2010年之前歐盟成員采用新能源的比重要從6%增加至12%，加上嚴格限制二氧化碳排放量的國際協(xié)議《京都議定書》在2005年2月16日生效，這極大刺激了歐盟對太陽能電池板的需求。歐盟的可再生能源白皮書及相伴隨的“起飛運動”是驅(qū)動歐洲的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的里程碑。它的總目標是：2010年，歐盟內(nèi)的光伏發(fā)電裝機容量要達到3700MW，并同時出口3000MW。2003年，由歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會EPIA發(fā)起了名為“PV Catapult”的新歐洲光伏計劃在比利時首都布魯塞爾制定，來自產(chǎn)業(yè)界、研究機構(gòu)和政府相關(guān)財政主管部門的70多家單位代表參與，體現(xiàn)出歐盟對光伏產(chǎn)業(yè)的重視程度。歐洲的德國、丹麥、意大利、英國、西班牙也開始制定本國的可再生能源法案，通過給予大量補貼和政策優(yōu)惠，加速驅(qū)動光伏工業(yè)的發(fā)展。
由于世界各國都對太陽能光伏產(chǎn)業(yè)給予了前所未有的重視，預(yù)計到2010年時，太陽能光伏累計量將增加到18000MW以上。這勢必會給太陽能電池產(chǎn)業(yè)帶來高速的發(fā)展。
四、我國太陽能電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展情況
在我國，1995年，當時的國家計委、科委和經(jīng)貿(mào)委制定了《新能源和可再生能源發(fā)展綱要》。綱要明確提出了我國在1996～2010年間新能源和可再生能源的發(fā)展目標任務(wù)以及相應(yīng)的對策和措施。1996年9月，“世界太陽能高峰會議”提出了在全球無電地區(qū)推行“光電工程”的倡議時，我國政府立即做出積極響應(yīng)，制定并實施了“中國光明工程”的計劃。2005年3月，正式頒布了《中華人民共和國可再生能源法》，并將于2006年開始實施。該政策的出臺，促進了太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使太陽能光伏發(fā)電量上升到一個新的水平。
今年我國生產(chǎn)企業(yè)的訂單比去年增長百分之幾百，尤其德國的訂單增長更快。盡管今年以來，歐盟對我國太陽能電池板等新能源產(chǎn)品的訂單量翻了幾個跟頭，且電池板的售價也高漲了20～40%，然而我國企業(yè)卻喜憂參半。由于原材料的供不應(yīng)求，日本等主要的核心材料供應(yīng)商大大削減了對我國的供應(yīng)量，我國太陽能電池板生產(chǎn)商面臨“無米為炊”的窘迫局面。太陽能電池板所需要的核心原材料主要依靠日本、德國、瑞典等國家的進口。我國太陽能電池板的售價卻遠低于日本等國的出口產(chǎn)品。在此背景下，日本等國家削減了對中國的供應(yīng)量，以維護自身的市場。
目前，國內(nèi)多晶硅僅有峨嵋半導體材料廠和洛陽單晶硅有限公司能少量供應(yīng)，2004年兩家企業(yè)多晶硅的產(chǎn)量不到60噸。洛陽中硅高科技有限公司300噸多晶硅項目于2005年9月投產(chǎn)。而國內(nèi)僅無錫尚德太陽能電力有限公司和保定英利新能源有限公司兩家生產(chǎn)太陽能電池的大廠，在2005年多晶硅需求量就已達到1000噸左右。可見現(xiàn)在國內(nèi)所生產(chǎn)的多晶硅數(shù)量遠遠不能滿足市場的需求。另一方面，國外主要多晶硅生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)已形成了企業(yè)聯(lián)盟，嚴格控制技術(shù)轉(zhuǎn)讓并壟斷全球硅材料市場，抬高多晶硅價格。這使得國內(nèi)有的太陽能電池生產(chǎn)廠在當前遭遇了即使出高價也購買不到多晶硅的“無米下鍋”局面。多晶硅短缺已經(jīng)成為制約我國太陽能電池行業(yè)發(fā)展的瓶頸。
上海交大南洋股份有限公司依托上海交大強大的科研能力，太陽能業(yè)務(wù)發(fā)展迅速，2005年第一季度公司與上海交通大學在大功率太陽電池組件封裝技術(shù)的突破，得到國家科研部門的認證。事實上，上海太陽能科技有限公司、上海交大泰陽綠色能源公司在2004年采用此技術(shù)，封裝太陽電池組件約6MW，實現(xiàn)產(chǎn)值近2億元人民幣，出口創(chuàng)匯1000多萬美元，創(chuàng)造利稅約4000萬人民幣。大功率太陽電池組件是實現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)利用太陽能、興建各種獨立光伏電站、并網(wǎng)太陽能屋頂電站及太陽能沙漠電站的關(guān)鍵部件。本項目完成過程中采用5種技術(shù)，其中的互聯(lián)條預(yù)折彎技術(shù)屬于國內(nèi)首創(chuàng)，國際先進，其他幾項技術(shù)也屬于國際先進水平。2005年一季度季報顯示，交大南洋以交大泰陽為主的新能源業(yè)務(wù)快速增長，完成主營業(yè)務(wù)收入2350萬元，占當期主營業(yè)務(wù)收入的14.9%，主營業(yè)務(wù)利潤同比大增400%，已經(jīng)超過2004年全年的收益。
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太陽能電池的主要原理是通過使用半導體材料，將較薄的N型半導體置于較厚的P型半導體上，當光子撞擊該裝置的表面時，P型和N型半導體的接合面有電子擴散產(chǎn)生電流，可利用上下兩端的金屬導體將電流引出?，F(xiàn)在制成的太陽電池有硅電池、砷化鎵電池、硫化鎘電池、碲化鎘電池、硅—碲化鎘電池、磷化銦電池等多種，而以硅電池發(fā)展得最為成熟。銅銦硒(CIS)薄膜太陽電池性能優(yōu)異，但目前技術(shù)尚不成熟，被稱為下一代的廉價太陽能電池。
目前太陽能電池主要種類有：結(jié)晶硅太陽能電池、砷化鎵太陽能電池、薄膜太陽能電池。結(jié)晶硅太陽能電池分為多晶硅太陽能電池和單晶硅太陽能電池。薄膜太陽能電池又分為多晶硅薄膜太陽能電池、微晶硅薄膜太陽能電池、非晶硅薄膜太陽能電池、色素增感太陽能電池、銅銦硒薄膜太陽能電池等。市場上以結(jié)晶硅太陽能電池為主，占太陽能電池總需求量的88%。結(jié)晶硅太陽能電池中又以多晶硅太陽能電池占比例較大，約占近2/3；單晶硅太陽能電池占1/3。
結(jié)晶硅太陽電池是用地球上富有的元素硅制造的，其工藝比一般晶體管的制造工藝簡單。硅電池光—電轉(zhuǎn)化效率一般為9～12%，也就是在地面陽光強度為1千瓦/平方米的條件下，每平方厘米的硅電池，能發(fā)出10毫瓦的電能。目前，硅太陽電池是人造衛(wèi)星、宇宙飛船上的主要能源裝置，在地面上則與蓄電池配合，作為特殊電源使用。白天有光照時，硅電池一方面給儀器或設(shè)備供電，同時將剩余的電能貯存在蓄電池里，到夜晚或陰雨天再由蓄電池供電。在一些無電或少電的邊遠地區(qū)，硅太陽電池——蓄電池組作為小功率獨立電源，可以發(fā)揮很大的作用。例如可為無人燈塔、海上航標燈、山地無人氣象站、地震觀測站、無線電中繼站、沙漠里的抽水機等固定的永久性設(shè)備供電，也可以作為半導體收音機、鐘表、打火機、家用照明燈、鐵路信號燈等的電源。
硅太陽能電池主要有單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池、非晶硅薄膜太陽能電池。硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的成熱的加工處理工藝基礎(chǔ)上的。現(xiàn)在單晶硅的電地工藝己近成熟，在電池制作中，一般都采用表面結(jié)構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù)，開發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的，在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導地位，但由于受單晶硅材料價格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困難的。多晶硅薄膜電池由于所使用的硅遠較單晶硅少，又無效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備，其成本遠低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池，因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電地市場上占據(jù)主導地位。非晶硅太陽能電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的成本及重量輕等特點，有著極大的潛力。但同時由于它的穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實際應(yīng)用。如果能進一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅大陽能電池無疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。
銅銦硒(CuInSe2簡稱CIC)薄膜太陽電池性能優(yōu)異，被國際上稱為下一代的廉價太陽能電池。吸引世界眾多的光伏專家進行研究開發(fā)。由于銅銦硒電池是多元化合物半導體器件，復雜的多層結(jié)構(gòu)和敏感的元素配比，要求其工藝和設(shè)備極其嚴格。太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率是代表材料性能、器件結(jié)構(gòu)、制備技術(shù)、工藝設(shè)備和檢測手段等綜合性整體水平的標志性指標。銅銦硒薄膜太陽電池雖然單位面積發(fā)電率比硅型太陽能電池低2%，但因原料價格低、生產(chǎn)工藝簡單，平均每瓦價格要低10%，所以具有很強的競爭力。
CIS材料的能降為1.leV，適于太陽光的光電轉(zhuǎn)換,另外，CIS薄膜太陽電池不存在光致衰退問題。因此，CIS用作高轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽能電池材料也引起了人們的注目。CIS電池薄膜的制備主要有真空蒸鍍法和硒化法。真空蒸鍍法是采用各自的蒸發(fā)源蒸鍍銅、銦和硒，硒化法是使用H2Se疊層膜硒化，但該法難以得到組成均勻的CIS。CIS作為太陽能電池的半導體材料，具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。
2005年8月底，南開大學在天津保稅區(qū)開建中國第一條銅銦硒薄膜太陽能電池中試線，使我國成為繼德、美、日之后的第四個開展這種電池中試開發(fā)的國家。目前世界上只有四個國家開發(fā)出這種單體電池和集成組件，美、日、德三國完成了中試線的開發(fā)，尚未實現(xiàn)商品化。目前昭和殼牌石油公司計劃于2007年初推出這一新型太陽能電池。該公司將是全球首個批量生產(chǎn)CIS型太陽能電池的企業(yè)，它計劃利用現(xiàn)有的加油站和液化氣銷售網(wǎng)來推廣這一新產(chǎn)品。
二、太陽能電池新技術(shù)突破情況
目前有將近90%的太陽能或光電電池是由提煉的純凈硅制成的。嘗試使用資源豐富而且便宜的充滿金屬雜質(zhì)和缺陷的普通硅，由此制成的太陽能電池性能差強人意而一度失敗。此外，用于去除雜質(zhì)的制造技術(shù)也非常昂貴，抵消了采用便宜材料而帶來的成本效益。美國加州伯克利大學研究人員研制出基于“非純凈硅(dirty silicon)”的新技術(shù)，有可能幫助降低太陽能電池的成本。該大學材料科學與工程系教授兼Lawrence Berkeley國家實驗室(LBNL)先進單位材料中心首席調(diào)查員Eicke Weber表示。“我們不去除雜質(zhì)，而是留下它們，但是我們采用了減少它們對太陽能效率產(chǎn)生有害影響的處理方法。”研究人員發(fā)現(xiàn)，他們能夠通過改變硅冷卻速率來控制金屬雜質(zhì)的分布。研究人員聲稱，如果研究者和制造商能進一步降低電池成本，太陽能工業(yè)將得到更快速發(fā)展。
SunPower公司2005年8月透露，在高效率硅太陽能電池內(nèi)觀測到一種被稱為“表面極化(surface polarization)”的新性能效應(yīng)，有望大幅度增加太陽能系統(tǒng)的發(fā)電量。這家公司表示，表面極化現(xiàn)象在高效率太陽能電池表面產(chǎn)生非破壞性的可逆靜電荷積聚。當微小電流通過太陽能電池表面泄漏并在表面上累積時，出現(xiàn)這種現(xiàn)象。這種類型的電流泄漏出現(xiàn)于所有太陽能系統(tǒng)，但在太陽能電池表面積聚或耗散取決于系統(tǒng)接地極性和配置。表面電荷的存在或消逝能減少或增加太陽能電池發(fā)電，類似于可編程存儲晶體管的開關(guān)。該公司發(fā)現(xiàn)，采用高效率太陽能電池的系統(tǒng)發(fā)電能通過改變系統(tǒng)布線和接地配置而被大幅減少或增加，這些性能變化相對快速且完全可逆。
通用電氣公司全球研究中心(GE Global Research)是通用電氣公司專門進行科技研究的機構(gòu)。2005年8月，該中心透露其正在開發(fā)將碳納米二極管技術(shù)用于廉價太陽能電池的新技術(shù)。通用電氣公司全球研究中心表示，不同于傳統(tǒng)的二極管，通用電氣公司開發(fā)的碳納米二極管能夠執(zhí)行多種功能，一個二極管和二個不同類型的晶體管能夠發(fā)射和偵查陽光。通過一個P型和一個n型半導體材料的連接構(gòu)成了二極管。在通用電氣公司開發(fā)的碳納米二極管裝置中，采用靜電摻雜技術(shù)構(gòu)成了二個區(qū)域。使用二個分離的柵極連接二個等分的碳納米管，通過一個陰極偏壓和其他使用的陽極電壓，碳納米管的P-n結(jié)就可構(gòu)成。通用電氣公司全球研究中心指出，在光能量轉(zhuǎn)換成電流的過程中，通過測試碳納米管的參數(shù)、科學家進一步詳細闡述了理想二極管的性能，盡管提供的能量比光的波長小1000倍，但由于提高了理想二極管的參數(shù)，碳納米管顯示了重要的能量轉(zhuǎn)換效率。
中國科學院物理研究所納米物理與器件實驗室光機能材料研究組的孟慶波研究員和陳立泉院士等合作開展了一系列有機加成化合物電解質(zhì)的研究，研制的納晶太陽能電池效率分別達到4.3%和4.9%。他們合成了一種新型的具有單碘離子輸運特性的有機加成化合物固態(tài)電解質(zhì)，并系統(tǒng)研究了該電解質(zhì)的光譜性質(zhì)、輸運性質(zhì)，并測定了其單晶結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，在有機晶體中彌散納米尺度的SiO2顆粒后可以形成納微尺度的復合固體電解質(zhì)，由于表面增強解離效應(yīng)，電解質(zhì)的離子電導率得到了明顯提高，同時電解質(zhì)在多孔電極上的填充以及電極/電解質(zhì)界面接觸狀態(tài)都有極大改善，研制的固態(tài)復合電解質(zhì)納晶染料敏化太陽能電池效率達到了5.48%。這一研究成果使固態(tài)納晶染料敏化太陽能電池朝著實用器件邁出了重要一步。
2005年8月，韓國科學家開發(fā)出全球效率最高的柔性太陽能電池的原型產(chǎn)品。據(jù)韓國電子和電信研究所太陽能電池研究人員介紹說，這種柔性太陽能電池的造價相當?shù)?，但是，這種太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的性能是目前傳統(tǒng)的基于硅的太陽能電池的一倍，而厚度只有0.4毫米。該電池適用于可穿戴式手機和掌上電腦以及汽車行業(yè)的玻璃中，同時還能制成項鏈，利用陽光為便攜式設(shè)備供電。
日本東京理科大學的荒川裕則教授等人領(lǐng)導的研究小組，成功地開發(fā)出了“色素增感型”太陽能電池，這種電池將光電轉(zhuǎn)換效率提升到11%。“色素增感型”太陽能電池在材料中使用了色素和氧化鈦。為了提高光電轉(zhuǎn)換效率，研究人員將氧化鈦的大小控制在納米級，使色素能夠更加有效地吸收光。如果改變色素的種類，轉(zhuǎn)換效率有可能更高。
三、世界各國積極推動太陽能電池的發(fā)展
據(jù)Dataquest的統(tǒng)計資料顯示,目前全世界共有136個國家投入普及應(yīng)用太陽能電池的熱潮中,其中有95個國家正在大規(guī)模地進行太陽能電池的研制開發(fā),積極生產(chǎn)各種相關(guān)的節(jié)能新產(chǎn)品。2004年世界太陽能電池生產(chǎn)企業(yè)總產(chǎn)能達到1000MW以上，同比增長35%。在2005年眾多企業(yè)紛紛擴產(chǎn)，與2004年的產(chǎn)能相比，計劃增加1倍左右，達到約2000MW。
20世紀90年代以來，美國先后制定和出臺了包括國家光伏發(fā)展計劃、百萬太陽能屋頂計劃、光伏先鋒計劃等在內(nèi)的眾多光伏發(fā)展計劃，以推動光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。其中比較著名的是1997年美國前總統(tǒng)克林頓提出的“百萬太陽能屋頂計劃”。它規(guī)劃到2010年美國將為100萬個家庭安裝太陽能屋頂，每個光伏屋頂將有3k～5kW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，有太陽時使用太陽能屋頂?shù)墓╇姺绞剑粺o太陽時電網(wǎng)向家庭供電。僅此計劃，美國到2010年將用太陽能供電至少可達到3000MW以上。美國能源部曾宣布：計劃到2010年累計安裝的太陽能發(fā)電裝置所能達到的容量會超過4600MW，這勢必會大大刺激美國太陽能電池行業(yè)的發(fā)展。
日本的“能源和環(huán)境領(lǐng)域綜合技術(shù)開發(fā)推進計劃”(簡稱“新陽光計劃”)是在能源和環(huán)境保護這兩個領(lǐng)域內(nèi)進行高技術(shù)開發(fā)的重要規(guī)劃。“新陽光計劃”的精髓是通過各行業(yè)的共同攻關(guān)，克服在能源開發(fā)方面遇到的各種難題。其中，太陽能屬于七大部分之一的可再生能源部分，支持力度很大。日本政府提出在2010年實現(xiàn)全國太陽能發(fā)電裝機總?cè)萘?000MW的新能源工程，截至2004年累計安裝量已達到1900MW，而且近兩年來發(fā)展速度驚人，增長率達到70%以上。2005年8月底，日本矢野經(jīng)濟研究所對日本太陽能電池市場動向相關(guān)調(diào)查結(jié)果進行了匯總，并發(fā)表了截至2008年度(包括2008年度)該市場將以30～40％的年增長率擴大的預(yù)測。據(jù)該公司推算，估計到2008年度將達到大約2350萬kW。住宅用太陽能電池系統(tǒng)2004年度的推算市場規(guī)模方面，按套數(shù)計算為5萬8600套(新住宅為1萬1364套，原住宅4萬7236套)；按金額計算為3595億日元(新建住宅為2471億日元，原建住宅為1124億日元)。在總套數(shù)中原建住宅大約占8成。屋頂一體型由于成本比架設(shè)型(安裝在屋頂上)高，所以目前主要以新建住宅為對象，市場規(guī)模還較小。從單戶住宅的市場動向來看，預(yù)計市場今后還將繼續(xù)以原建住宅為中心不斷增長。矢野經(jīng)濟研究所此前曾預(yù)測2008年度的市場規(guī)模將達到共計14萬7600套，其中，新建住宅為2萬4600套，原建住宅為12萬3000套。如按金額計算，預(yù)測將達到6989億日元。
歐盟立法要求，2010年之前歐盟成員采用新能源的比重要從6%增加至12%，加上嚴格限制二氧化碳排放量的國際協(xié)議《京都議定書》在2005年2月16日生效，這極大刺激了歐盟對太陽能電池板的需求。歐盟的可再生能源白皮書及相伴隨的“起飛運動”是驅(qū)動歐洲的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的里程碑。它的總目標是：2010年，歐盟內(nèi)的光伏發(fā)電裝機容量要達到3700MW，并同時出口3000MW。2003年，由歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會EPIA發(fā)起了名為“PV Catapult”的新歐洲光伏計劃在比利時首都布魯塞爾制定，來自產(chǎn)業(yè)界、研究機構(gòu)和政府相關(guān)財政主管部門的70多家單位代表參與，體現(xiàn)出歐盟對光伏產(chǎn)業(yè)的重視程度。歐洲的德國、丹麥、意大利、英國、西班牙也開始制定本國的可再生能源法案，通過給予大量補貼和政策優(yōu)惠，加速驅(qū)動光伏工業(yè)的發(fā)展。
由于世界各國都對太陽能光伏產(chǎn)業(yè)給予了前所未有的重視，預(yù)計到2010年時，太陽能光伏累計量將增加到18000MW以上。這勢必會給太陽能電池產(chǎn)業(yè)帶來高速的發(fā)展。
四、我國太陽能電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展情況
在我國，1995年，當時的國家計委、科委和經(jīng)貿(mào)委制定了《新能源和可再生能源發(fā)展綱要》。綱要明確提出了我國在1996～2010年間新能源和可再生能源的發(fā)展目標任務(wù)以及相應(yīng)的對策和措施。1996年9月，“世界太陽能高峰會議”提出了在全球無電地區(qū)推行“光電工程”的倡議時，我國政府立即做出積極響應(yīng)，制定并實施了“中國光明工程”的計劃。2005年3月，正式頒布了《中華人民共和國可再生能源法》，并將于2006年開始實施。該政策的出臺，促進了太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使太陽能光伏發(fā)電量上升到一個新的水平。
今年我國生產(chǎn)企業(yè)的訂單比去年增長百分之幾百，尤其德國的訂單增長更快。盡管今年以來，歐盟對我國太陽能電池板等新能源產(chǎn)品的訂單量翻了幾個跟頭，且電池板的售價也高漲了20～40%，然而我國企業(yè)卻喜憂參半。由于原材料的供不應(yīng)求，日本等主要的核心材料供應(yīng)商大大削減了對我國的供應(yīng)量，我國太陽能電池板生產(chǎn)商面臨“無米為炊”的窘迫局面。太陽能電池板所需要的核心原材料主要依靠日本、德國、瑞典等國家的進口。我國太陽能電池板的售價卻遠低于日本等國的出口產(chǎn)品。在此背景下，日本等國家削減了對中國的供應(yīng)量，以維護自身的市場。
目前，國內(nèi)多晶硅僅有峨嵋半導體材料廠和洛陽單晶硅有限公司能少量供應(yīng)，2004年兩家企業(yè)多晶硅的產(chǎn)量不到60噸。洛陽中硅高科技有限公司300噸多晶硅項目于2005年9月投產(chǎn)。而國內(nèi)僅無錫尚德太陽能電力有限公司和保定英利新能源有限公司兩家生產(chǎn)太陽能電池的大廠，在2005年多晶硅需求量就已達到1000噸左右。可見現(xiàn)在國內(nèi)所生產(chǎn)的多晶硅數(shù)量遠遠不能滿足市場的需求。另一方面，國外主要多晶硅生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)已形成了企業(yè)聯(lián)盟，嚴格控制技術(shù)轉(zhuǎn)讓并壟斷全球硅材料市場，抬高多晶硅價格。這使得國內(nèi)有的太陽能電池生產(chǎn)廠在當前遭遇了即使出高價也購買不到多晶硅的“無米下鍋”局面。多晶硅短缺已經(jīng)成為制約我國太陽能電池行業(yè)發(fā)展的瓶頸。
上海交大南洋股份有限公司依托上海交大強大的科研能力，太陽能業(yè)務(wù)發(fā)展迅速，2005年第一季度公司與上海交通大學在大功率太陽電池組件封裝技術(shù)的突破，得到國家科研部門的認證。事實上，上海太陽能科技有限公司、上海交大泰陽綠色能源公司在2004年采用此技術(shù)，封裝太陽電池組件約6MW，實現(xiàn)產(chǎn)值近2億元人民幣，出口創(chuàng)匯1000多萬美元，創(chuàng)造利稅約4000萬人民幣。大功率太陽電池組件是實現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)利用太陽能、興建各種獨立光伏電站、并網(wǎng)太陽能屋頂電站及太陽能沙漠電站的關(guān)鍵部件。本項目完成過程中采用5種技術(shù)，其中的互聯(lián)條預(yù)折彎技術(shù)屬于國內(nèi)首創(chuàng)，國際先進，其他幾項技術(shù)也屬于國際先進水平。2005年一季度季報顯示，交大南洋以交大泰陽為主的新能源業(yè)務(wù)快速增長，完成主營業(yè)務(wù)收入2350萬元，占當期主營業(yè)務(wù)收入的14.9%，主營業(yè)務(wù)利潤同比大增400%，已經(jīng)超過2004年全年的收益。
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