摘要： 随着关键技术的不断突破，光电将成为一种可行的能源，同时在价格上相比传统能源也极 具竞争力。本文详细探讨了太阳能技术的发展现状。
关键词： 太阳能；PV；多晶硅；太阳能电池
随着关键技术的不断突破，光电将成为一种可行的能源，同时在价格上相比传统能源也极具竞争力。可再生能源的重要性日益凸显，这源于人们希望减少二氧化碳排放以及对化石类能源强烈的依赖性的迫切需求。光电技术蕴含着巨大的环境效益和政治利益。光电是唯一一种能够满足全球长期能源需求又不会排放温室效应气体的能源技术。到达地球表面的这一部分太阳光提供的能量相当于目前全球能源需求的1万倍。而且，我们几乎随处都可以使用太阳能。平均而言，地球上暴露在太阳光下的每一平方米面积每年都能够接收到1700kWh的能量。据欧洲能源研究中心预测，到2050年，太阳能电池将为人类提供总电能需求的20%~30%。
但是，PV(Photovdtaics，光伏)技术的成本仍然高于传统电网能源的成本，而且需要占用很大的空间来发电。虽然来自于太阳的能量非常丰富，但是却非常分散，利用太阳能发电需要很大面积的硅光板。太阳的能量是免费的，但是将其能量转换成电能却不是免费的。高成本依然是太阳能开发利用的最大问题。相比住宅用电的价格，太阳能电力的费用平均要高2～5倍。但是，随着关键技术不断突破，太阳能发电的成本也不断降低。太阳能电池模块的价格已经从1982年的峰值功率每瓦27美元降低到今天的每瓦4美元。此外，由于很多国家推出了强制上网电价(一种政府承诺以预定价格购买PV电能的补贴)，全球太阳能发电量在过去5年内以每年50%以上的速度快速增长，并有望继续高速增长。
图 1 全球光电市场的装机容量(来源自SolarBuzz)
根据地球政策研究会(Earth Policy Institute)—一个旨在推动可持续发展技术的国际化组织的研究结果，在过去15年内，光电模块的价格降低了一半：从1990年的每瓦7.47美元，降低到2006年的每瓦3.84美元。根据这一趋势，太阳能发电的成本应该在2012年达到与传统发电成本相同的水平，这要归功于多种因素的综合作用，包括硅光板成本的降低、太阳能电池模块转换效率的提高、大规模节能措施的推广以及化石类燃料(如天然气和汽油)成本的增加。由于需求量的增加，太阳能发电的成本将在2010年降低到每瓦2美元。
在高经济回报的吸引之下，越来越多的公司正在涉足光伏(PV)市场。全球的光电行业在新的发电设备与技术改造方面正加大投资。光电领域飞速发展的一个明显迹象出现在2006年，这一年，全球生产的多晶硅第一次有一半以上被应用于光电领域而不是半导体IC生产。其中还包括众多半导体厂商。例如，半导体设备供应商应用材料组建了一个新的太阳能集团SunFab，专门开发生产太阳能电池和薄膜光电模块所需的制造工具。此外，赛普拉斯半导体创办了一个从事太阳能开发的子公司SunPower；美国国家半导体也开始涉足太阳能市场，最近发布了几款能够增强太阳能电池板效率的芯片。
遍及全球的太阳能市场
太阳能电力市场正逐步走向繁荣。到2006年底，全球太阳能光电(PV)系统累计装机容量已经达到了6500MW以上，2000年底这一数字仅为1200MW。根据美国分析家Solarbuzz观点，尽管面临着多晶硅短缺的问题，但是仅在2007年，全球太阳能光电市场的装机容量就达到了2826MW，比2006年增长了62%。这一数字在2010年将可能增长到6～8GW。在经营收入方面，2007年全球PV行业产值为172亿美元，德国咨询公司Photon Consulting预测，到2011年这个数字将超过310亿美元。到2030年，每年太阳能电力系统装机容量将达到179GW，电池和模块的生产实现每年翻一番的发展速度。
欧洲，尤其是德国在太阳能市场中具有较强的实力，这得益于以强制入网电价为基础的良好政策，这一政策已经成为全球效仿的范例。德国已经达到了1328MW的光电装机总量，占全世界装机总量的47%。德国国内生产的太阳能电池只能满足50%的国内需求，因此德国不得不大量进口太阳能电池，主要进口来源是亚洲尤其是中国。西班牙是2007年最具活力的太阳能市场，其装机容量增长了480%，达到了640MW。意大利也是一个极具吸引力的市场，当地政府效仿德国的模式，为太阳能的应用提供了补贴。由于意大利的光照水平比德国高1.5倍，而且传统发电的成本更高，因此即使没有政府补贴，太阳能在意大利相比在其他国家有可能更快地凸显出竞争力。美国市场实现了57%的增长率，达到了220MW的装机容量。这些系统中有大约75%安装在加州。曾经处于世界领先地位的日本厂商发展缓慢，总共只有26%的市场份额。相反，2007年中国厂商的市场份额却从20%增长到35%，今年的太阳能发电量将超过欧洲和日本。中国市场的增长速度是非常惊人的：2003年，中国的太阳能发电量只占全球的1%。
图2 瑞士伯尔尼范可多夫体育场安装了迄今为止最强大的光电转换系统
太阳能的商业化应用是否取得成功取决于三个判断标准：效率、使用寿命和成本。与半导体和显示器行业一样，光电电池的制造与它们有很多共同之处，工艺技术是提高太阳能电池效率确保长期稳定的关键。当前的光电市场主要由价格昂贵的晶体硅占主导地位，这一局面很快将被成本更低的新工艺技术所打破。
中国的巨大机遇
2006年和2007年，欧洲是全球最大的区域性太阳能光电市场，中国同样面临着巨大的机遇，因为中国存在着庞大的半导体基础架构。今年，中国光电电池的生产规模超过了德国，在产量方面处于世界领先地位，德国的Q-Cells和中国无锡尚德分别是处于第二位和第四位的电池生产厂商。江西赛维(LDK)与德国奇梦达公司签订了一份为期5年的合同，将从2009年到2013年向其供应装机容量约540MW的多晶太阳能晶圆。德国公司Aleo太阳能与孚日集团签订了合作协议，打算在中国山东新建一个太阳能模块生产工厂，以满足亚洲市场对太阳能模块不断增长的应用需求。该公司估计，到2012年韩国、日本和中国的市场产值至少将达到120亿美元。意大利PV电池与模块制造商Silfab公司将向常州的天合光能提供足以在6年内生产约225MW太阳能模块的纯多晶硅。
图3 晶体硅是最便捷的PV技术，它能够借鉴微电子业发展的工艺技术
太阳能市场对于中国而言也十分具有战略意义，到2015年中国将超过美国成为全球主要的CO2排放国。这是中国经济年均两位数惊人增长率的必然结果。此外，将在2008年8月举办的北京奥运会和之后的残奥会也是推动光电技术发展的一次难得机遇，包括在体育场馆和奥运村内安装光电模块在内，中国政府在环保措施上的投入已经超过了120亿美元。例如，丰台棒球馆拥有装机容量为27kW的光电系统。即将举办田径项目和足球赛的国家体育场也采用了130kW的光电系统。此外，为奥运村中的路灯供电的电力也来自于太阳能。2008年欧洲足球锦标赛也采取了类似的太阳能应用措施。安装在瑞士伯尔尼范可多夫体育场内的1.35兆瓦光电系统是迄今为止安装在大型体育场内最强大的光电系统。
现有的与新兴的光电技术
一直以来，晶体硅(c-Si)都被用作太阳能电池中吸收光的半导体材料，但是这种材料吸收光的能力相对较弱，是一种间接禁带半导体材料。用晶体硅制作太阳能电池板需要相当厚的材料：太阳能级晶圆的直径高达150mm，厚度需要350微米。但实际情况表明，晶体硅是最便捷的PV技术，因为借鉴微电子领域的工艺技术，能够利用晶体硅制造出稳定而高效的太阳能电池。该技术拥有约90%的市场份额；光电转换效率可达22%以上。多晶硅(简称mcSi或多晶硅)PV单元的转换效率通常更低，这是由于大块材料中存在的晶界增加了电子-空穴对的复合，降低了电荷移动性和能量转换效率。
表2 常用的光电转换技术对比
但是，硅电池制造的主流趋势仍然是采用多晶技术，因为结晶硅晶圆的成本非常高，占成品模块成本的40%~50%。去年，多晶硅的总产量增加了30%，但是它毕竟是一种产量有限的技术。2007年，有20多家新公司开始生产多晶硅。在中国，多晶硅工厂像雨后春笋一样涌现，成为一个新的经济热点。有20多家公司开始建立多晶硅制造厂。他们生产的多晶硅总产量将达到80,000~100,000吨，这比目前全球40000吨产量的两倍还要高。中国最大的PV产品厂商之一英利太阳能公司正力争在中国保定实现每年3000吨的多晶硅产量。
由III-V族元素构成的半导体材料是直接禁带化合物，因此具有最高的转换效率。但是，它们的价格非常昂贵，主要用于卫星和军事应用，通常采用光学聚光和复杂的跟踪系统，能够实现40%的转换效率。长期来看，薄膜技术对于降低太阳能光电系统的成本具有最大的潜力。薄膜太阳能电池中使用的材料，例如碲化镉(CdTe)和铟化铜(镓)的二硒化物(CIS或CIGS)都是较强的吸光材料，只需要1mm的厚度。这样一来，材料成本就可以大大降低了。薄膜太阳能电池也能够采用非晶硅(a-Si)来制造，非晶硅是第一种实现商用太阳能产品的薄膜材料。这种太阳能电池如果采用非晶体硅基材料或者CdTe 和CIGS时，能量转换效率在10%到18%之间。薄膜太阳能电池的产量从2006年的181MW增长到2007年的400MW，增长了一倍多，占据了约10%的市场份额。这些产品在低功耗(低于50W)和消费电子产品领域具有很好的应用前景。
图4技术的创新催生太阳能技术新发展
为了进一步提高太阳能电池的效率，自从上世纪70年代开始人们就在考虑采用聚集技术。通过特殊的光学系统将光线聚集到太阳能电池上，可以将太阳能的入射功率提高2000倍，从而可以使用更小尺寸的电池。但是，由于可靠性和空间问题，这一技术只取得了有限的成功，在太阳能发电市场中所占的份额不到1%。实际上，采用传统菲涅尔透镜(与灯塔上使用的透镜类似)的聚光模块厚度非常厚，体积笨重，性价比较低。而且，我们必须排出聚积在电池中的热能，以避免降低能量转换效率。太阳能聚集系统更适合于太阳能制热应用，用产生的热能驱动涡轮。意大利科学家Carlo Rubbia研究出了一种能够聚集太阳能形成高温产生能量的新方法，称为Archimedes项目，目前正在意大利阳光充足的西西里岛进行商业应用开发。日本的电子业巨人夏普公司展示了一种新系统，该系统能够通过菲涅尔透镜将太阳光聚焦在高效率的太阳能电池上，获得的效率是传统硅电池的两倍。总部设在西班牙马拉加的Isofoton公司开发出了一种专用光学系统，能够制造出厚度与传统太阳能模块相同的聚光式光电模块。IBM宣布在一平方厘米大小的太阳能电池上实现了捕捉230W太阳能的记录。这种聚光式光电转换技术(CPV)转换的电能密度是使用CPV技术的传统电池的5倍。全球越来越多的企业和院校正在研究有机光电转换技术。根据市场分析公司NanoMarket的预测，到2015年基于有机太阳能电池的光电转换技术市场将达到38亿美元的规模。
图5 有机太阳能电池技术可为小型移动设备供电
但是，有机太阳能电池本身无法与传统的硅材料电池相媲美，因为它们的效率比较低，只有5%。有机材料的排列不是十分规整，因此，电子就无法自由流动，能量转换效率十分有限。此外，一旦有机材料暴露在太阳光下，其性能就会下降。但是，由于它们十分柔软，可以用于很多新型应用；例如，它们可以为小型移动设备(例如MP3播放器)供电。有机电池还是一种成本非常低廉的技术，易于制造，生产能耗也大大降低，因为它们所需的处理温度低得多(20～200°C)。它们的质量很轻，相比传统的太阳能材料更加通用。我们还可以在有机材料上采用喷墨类型的工艺，或者采用对滚(roll-to-roll)工艺将其涂在柔软的衬底材料上。这一方式是与在大滚的纸张上面印刷报纸类似的。
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