光伏产业系列分析之八：工艺创新

我国光伏产业的产能和成本从2008年起就已经领先世界。但是，绝大多数工艺，尤其是主流的太阳电池工艺，都是从国外泊来，鲜有自己创新的。鉴于光伏产业作为一个新兴产业，技术更新很快，如果不能在核心的工艺技术上领先于世界，我国的光伏产业就得始终被人牵着鼻子走，只能靠廉价的劳动力和资源赚取微薄的利润，而缺乏可持续的核心竞争力。

8.1 看来有趣实则无用的“新技术”

首先要说明“工艺”与“技术”的区别，这两个词在英文中都可以用technology代替，但工艺指的是可以进行商业化生产的技术，而技术则不一定。实际上，用technology来指我们通常所说的工艺，而用technique来指我们所说的技术，应当更准确一些。不是所有的技术都可以成为工艺的，不能发展成为工艺的技术，是无法进行大规模生产的，而企业需要的是工艺。

由于光伏是一个新的产业，因此，会有不少层出不穷的新技术出来，但其中，只有极少数能够成为产业的主流生产制造技术，也就是工艺。大部分新技术虽然有创新性，但因为不具备实用性，只能作为实验室的小玩意儿，给大家启发启发智力，绝不能作为产业投资的主要方向。因此，企业对于光伏业内的“新技术”一定要慎重。不少技术虽然在科学上是正确的，但是却没有应用价值，也没有应用的可能。而这些技术，往往会由一些德高望重的科学家作为研究成果提出来，企业家对此必须有清醒的认识。

但由于那些所谓的“新技术”往往带有新颖性，而且常常是由重量级的科学家提出来的，因此诱惑性很强，会让人错误地投资。

这里举出两例这种“中看不中用”的新技术，大家可以引以为鉴，并触类旁通。

（一）微光发电

也叫低光度发电。有人推出了一种新技术，号称能够在星光下发电。这样的技术看来似乎很好，可以在晚上发电，但实际上，毫无用处。正午阳光直射时每平方米的光强约为1000瓦，星空下每平方米的光功率则只有3微瓦，也就是说，在效率相同的情况下，白天1平方米的光照相当于星空下3亿平方米的光照总和，也就是300平方公里的面积的光照总和。换句话说，以3亿倍的投资，获得同样的电量，这样的技术有意义吗？

同样地，在月光下、甚至白天的室内发电的技术都没有太大意义。倒是在阴雨天可以考虑，因为，阴雨天的照度相当于阳光直射时的大约10%，这样的光强如果能够收集起来，是有经济意义的。但是，一般的光伏电池在阴雨天的较低照度下都能够发电，因此，没有必要去专门研究任何“微光发电”技术。

这里衍生一下，“微风发电”也是同样“中看不中用”的记述。因为，单位面积的风能与风速的立方成正比，而现在常用的风力分级，每相差一级，风速相差约1.4倍。如2级风的风速为1.6~3.3米/秒，4级风为5.5~7.9米/秒，6级风为10.8~13.8米/秒。常用的风力发电机如果在6级风的额定风速下的额定功率为1000千瓦的话，那么，在2级风时，功率仅有8千瓦，相差一百多倍，因此，研究微风下的风力发电，是绝对没有经济性的。

（二） 硅基薄膜太阳能电池技术

2008年以前，由于多晶硅价格很高，人们对于硅基薄膜电池技术进行了大量的投入。但随着多晶硅的价格从500美元/公斤降到了现在的20美元/公斤，硅基薄膜电池的技术不再有任何的价格优势。反之，由于硅基薄膜太阳能电池的转换效率较低，因此，导致支架、电缆、面板等材料的用量增加，现在，硅基薄膜光伏电站的装机成本反而比晶硅电池更高。例如，目前晶硅光伏电站的装机成本约为人民币7元/瓦，而薄膜电池光伏电站的装机成本至少要8元/瓦以上。

至于其它的薄膜技术，例如碲化镉、CIGS、有机薄膜等，现在效率是否能够提高，成本能否下降，还有待于观察。

光伏产业中类似上面两种“中看不中用”的技术还很多，例如“太阳能聚焦提纯多晶硅”、 “射线辐照切片技术”，等等，这里不一一列举；这种技术如果纯粹作为科学研究，或者作为智力游戏，可能是有其价值的，但不具备实用价值。值得指出的是，在光伏应用领域，也有许多这样似是而非的应用，如“太阳能发电服”，“太阳能汽车”等，这些产品只能作为小玩意儿和噱头，当作礼品送送玩玩可以，想推广，是门都没有的。

其实，这样的技术并不难鉴别，大家只要运用基本的常识，再用心深入思考一下，就很容易明白，千万不要因为看见某某专家的一篇论文或听见某名人的一次讲座就盲从盲信。

8.2 光伏产业有应用前景的工艺技术

下面列出的，是一些在不远的将来，可能成为光伏产业主流工艺的革命性的工艺技术。

多晶硅提纯环节

现有的多晶硅提纯工艺就是所谓的西门子法。在最近的将来，冶金法将成为替代西门子法的主流技术。随着近年来有关机构的不断努力，冶金法的成本不断降低，而纯度则不断提高，目前已经能够满足光伏电池的需要。但由于目前光伏电池对于硅的纯度要求也在不断提高，可能有很长一段时间冶金法会与西门子法融合共存。

关于硅烷法多晶硅工艺，在技术上和经济性上都没有问题，但是，安全性则是硅烷法难以避免的致命短板。所谓的“新硅烷法”，在这方面也进行了很多探索，但实际的工厂还有待实践检验。

铸锭切片环节

铸锭工艺的改进是两个方向，质量和成本。

质量指的是长晶质量，主要是向大晶粒发展，工艺改进的要点也主要是提高晶粒尺寸。

晶粒尺寸增大的极限就是单晶，由铸锭衍生出来的铸造单晶技术，也叫“准单晶”或者“类单晶”在2011年热了一段时间后，又冷了下来。原因是单晶成品率不稳定，但随着热场技术的改进，铸造单晶技术会重新兴起，而且会成为晶体硅的主流结晶工艺。配合N型衬底电池技术所需的N型单晶铸造技术，随着N型电池工艺的进步，也将是未来的重点研发方向。

成本方面，铸锭的热场改造和真空度的合理变化，能够提高单台设备的产能，并且兼具除杂功能，提高硅锭的可切片率，从而提高企业的经济效益。在降低能耗方面，上海普罗推出的一炉四锭的铸锭技术，单位铸锭能耗降到了4千瓦时/公斤，是有前景的铸锭技术。

硅片切割技术

硅片切割是进展和创新最慢的环节。无论人们如何努力，都很难用其它的革命性技术代替现在的多线切割。在能够看得到的未来，也很难有革命性的技术。

但是，在现有技术的框架下，有不少小的创新可以给切片企业带来巨大的效益。例如，更细的线径，粒度更小的金刚砂，更合理的浆料配比，可以减少切片厚度从而提高单位重量的硅片数量，能够降低硅片表面损伤层，提高成品率；金刚线技术以提高产能；新型导轮减少厚度的不均匀性；等等。这些技术虽然不起眼，甚至只能算是小革新，但能够这些小技术或技巧的采用，可将每公斤的成品硅片数量提高3~5片，这将给切片企业带来巨大的经济效益。

光伏电池生产环节

（一）新型高效光伏电池工艺

有一些革命性的光伏电池生产工艺正在酝酿中，这些工艺由大学和研究所开展，并在一些企业中取得了量化生产的突破，有希望成为近十年的主流工艺。这些工艺的主要目的是提高光伏电池的转换效率，但必须是在成本不显著增加的基础上。

光伏电池效率的提高主要途径有两个，一个是表面钝化技术，主要是为了降低表面复合率。第二是高陷光效应电池，通过减反膜、表面制绒、合理的发射结设计以及合理的金属接触和栅线设计，提高电池的陷光效应，从而提高转换效率。

围绕上述两个途径，有望在不远的将来实现大规模量产的工艺有如下几种。

PERL（钝化发射极、背面局部扩散）工艺，是澳大利亚新南威尔士研究的，实验室转换效率已经达到了24.7%。该工艺采用低阻单晶硅片，正背面都有热生长氧化层钝化，金属接触区域也被钝化以减少复合损失。该工艺目前还没有被量化生产，仅小规模试制过。

PERC+LFC（钝化发射极及背面电池+激光点接触）工艺。该工艺是PERL的前身，由德国夫琅和费太阳电池研究中心采用激光扫面打点烧穿背面氧化层形成点状铝硅共熔接触，因此激光扫描速度较快，适合进行工业化生产。

N型衬底电池工艺。N型材料的少子是电子，而不是P型材料的空穴，因此少子扩散长度比常规的P型高出很多。该工艺涉及到磷的均匀掺杂、N型单晶的扩硼工艺、P型发射区钝化、去硼硅玻璃等多项工艺。该技术可在不增加成本的前提下将电池片的转换效率从现在的18%提高到24%。

美国SUN POWER公司在N型电池的技术上加上了背面接触技术（IBC）实现了量产，量产的平均转换效率达到了23.6%。日本三洋公司则采用非晶硅异质结钝化N型硅片的两面，即HIT工艺，并进行量产，实验室效率达到了24.7%，量产的平均效率达到了22%。

（二）现有常规光伏电池的新技术

目前，主要的高效电池工艺研究都在国外。在国内也有人在研究，例如中国科学院微系统所就针对HIT工艺进行研究，但目前还主要是跟踪，没有达到领先的程度。鉴于上述新的技术现在大规模生产尚需时日，对于我国现在的光伏企业来说，针对现有的工艺设备，可能以下革新性的技术和工艺更加实用，也更有效益。

干法制绒技术，不仅省去了普通湿法制绒的污染和废酸处理环节，降低了生产成本而且还提高了转换效率。该技术可以将电池片效率提高约1个百分点，而成本却下降了30%。

正面金属化技术，主要是减少栅线的遮光面积，同时又不影响栅线的电阻。相关的技术有新型电极（栅线）材料、叠层丝印技术、喷墨印刷技术、电镀技术等。

选择性发射极（SE）电池技术。主要目的是减少金属接触表面的少数载流子复合率。相关的技术主要次扩散SE电池结构，Etch Back SE电池结构，激光扩散SE电池结构，硅墨SE电池结构等。此外，还有丝印磷浆法、InkJet Doping等。

离子注入发射极电池技术。是为了减少热扩散带来的表面复合损失，提高结的均匀性。

MWT电池技术。将主栅线转移到背面，降低金属的遮光损失。该技术还可以降低表面负荷，而且在背面的局部pn结也可与正面同时收集光生载流子，降低了对硅片质量的要求。

关于一度引起极大关注的薄膜太阳电池工艺，因为无论是硅基薄膜还是化合物薄膜，都很难看到工业化的前景。硅基薄膜效率难以突破，即便是采用叠层工艺，也无法在效率和成本上取得超过晶硅电池的技术。化合物薄膜，无论是CdTe还是CIGS，衰减是个难以避免的问题，此外，工艺中涉及的剧毒原料，铟、碲等稀有材料有限的储量，以及昂贵的装备，都是阻碍薄膜电池工业化的原因。可以肯定地说，薄膜电池绝对不是有些人所认为的“第三代电池”，只不过由于其柔性化的特点，可以在一些特殊的应用场合，占据一定的缝隙市场。

光伏组件生产工艺

组件生产工艺主要围绕减少叠片损失、降低焊接温度减少焊接时的损失、减少封装造成的工艺损失，以及研究如何减少应用中的PID和LID损失为主要研究方向。还有，组件是光伏制造所有环节中用人最多的环节，如何减少人工成本，也是组件生产工艺要研究的方向。

另外，有两种新型的组件制造工艺值得关注，而且已经开始了量产。

1）多层层压技术

用于现有组件制造技术的升级。由于组件厂用工较多，人工成本占有较大比例，该技术可一次性实现6~20层组件的层压，大大减少组件生产环节的工人，提高效率和均匀性，降低能耗。

2）无膜无焊组件制造技术

这是一种全新的组件制造技术，制造过程中，省去了EVA膜和焊接工艺，不仅可把光伏组件生产成本降低30%，而且还比现有工艺提高了转换效率。此外，由于EVA膜的老化是光致衰减和电势诱导衰减的主要因素之一，该技术还可以大大降低组件的衰减，延长组件寿命，提高发电量。

光伏微电网的相关技术

（一）电力传输与调度环节

光伏电站除了与组件的性能高度相关外，电站系统是否合理，也是决定发电量的关键因素。目前，主要值得关注的电站系统的新的技术有：

转换效率可达99%以上的高效低损耗逆变器；

POM功率优化模块，该模块通过使每一片电池始终工作在最大发电量的条件下，同时减少并联损失，可在同等装机容量的基础上，提高发电量15%。

STS追日系统。采用机械联动的技术，以低成本实现地面电站的追日系统，可提高发电量15%以上。

智能微电网信息与控制技术

可对大面积光伏电站进行电力监测，对组件运行情况进行诊断，同时检测负荷情况。在突发情况发生时，实现微电网的智能调度功能，保证供电和用电的负荷平衡。

（二）储能技术

光伏电站储能具有容量大、放电时间长的特点，因此，对于储能技术的成本有苛刻的要求，现有的铅酸虽然成本尚可接受，但由于放电次数少，加上重金属污染的问题，需要替代。而新型的镍镉、锂电池包括铁锂电池，成本过高，容量也难以做到数万千瓦时的量级。目前，针对光伏电站和微电网的应用，比较有前景的储能技术有如下几种：

低成本低自放电飞轮储能技术。不仅成本低、寿命长、无污染，而且能够做到大容量和功率自动平衡技术，适合作为分布式电网的储能技术。

钒流体电池技术。能够达到单体100MW级的储能能量，适合作为区域主干电网的储能和调峰电站，寿命可达20年以上，而且没有污染。需要指出的是，现在的钠硫电池不适合电站的储能。

超级电容技术。可将超级电容的续航时间在现有水平上延长数十倍，并且将成本降低50%以上，同时保持超级电容的充放电次数多、效率高、能量密度大的特点，不仅使超级电容适于微电网的负荷或供电在发生瞬间变化时稳定电力用，也可作为常规的储能。

针对具备条件的地方，可以充分利用地形条件采用高低位水库的抽水蓄能，针对废弃矿井采用压缩空气储能等，但这些技术需要比较苛刻的自然条件或环境，可遇不可求。

（三）多种能源综合发电应用系统和组网技术

针对光伏大棚、智能温室、农业灌溉、渔业等农业生产开发了地源热泵、沼气发电等农业新能源技术，针对新城镇开发的光伏、风力发电、小水力发电、微型燃气轮机等多种新能源发电技术与装备，这些方面目前还都在探索阶段，目前的重点应当关注那些真正适合光伏和新能源发电特点的应用，以及针对新能源的不足如何弥补，而不是“泛光伏化”，到处都搞光伏发电。

光伏、风能、沼气、小水电这些新能源或可再生能源，有个共同的弱点就是不够稳定，因此，要研究相应的保护、控制、调度系统，保证新能源电力供应的稳定性。这些方面目前的研究还很稚嫩，但是不少现有的技术可以稍加改造就能移植过来，这也同样需要创造性和大胆实践。

8.3 我国光伏企业的创新战略

作为一个新兴产业，光伏产业的技术更新换代很快。因此，对于光伏企业来说，不仅要密切跟踪国际最新的技术，而且要具备较强的自我研发和创新能力，才能保持自己的技术领先优势，延长设备的生命周期，提高资产回报率。企业的自身研发团队必须长期坚持研发，针对所从事的产业链中的环节，要具有述多专业、全方位的创新优势，能够保证企业能够始终以最低的成本和最高的效率，来进行光伏全产业链项目的实施。而且，企业的管理团队和技术团队要有较强的不断创新和不断改善的能力，使企业能够适应任何市场形势的变化，适应任何技术革命，在各种经济技术条件下，都能够保持超强的竞争力。

我国光伏企业可在内部设立研发中心（研究所/研究院）。光伏企业的研发中心应坚持以下研发原则作为企业创新战略：

1） 坚持自主研发、自主创新。自主研发是实现光伏企业研发中心的技术引领作用的必要条件，只有自主研发才能使企业的研发机构成为企业的技术源泉。一个企业的研发中心不可能在整个产业链的技术全面领先，但至少可以做到在某一个局部有人所不能的“绝招”，也必须这么做。企业的研发中心绝不能仅仅行使“引进、消化、吸收”的角色，不能满足于仅仅能够使企业的引进设备正常运转，那样的话，研发中心就成了“技术服务中心”了。

2） 注重业界间的合作。企业的研发中心在自主研发地同时必须要积极与国内外研究机构、甚至同行业的其它企业进行合作。自主研发不是排斥合作，绝不意味着闭关自守与夜郎自大。我国的企业往往有些“绝活”后，希望捂在自己的怀里不愿示人，生怕其它企业学了去。这是一种狭隘的小农经济的思想。作为新兴产业的光伏企业，现在超过十年的企业很少。这样短期的任何一个企业都不可能在 研究开发的技术条件和技术积淀上与大学或者专业研究相比。企业对于研发的投入、尤其是研发仪器和设备的投入终究是有限的。我国光伏企业首先应当与全球的研发机构进行密切合作，通过配套一些研发资助委托专业研究机构承担一些研发任务，同时，与业内的同行公司保持密切合作，进行科学的分工，甚至可以几个企业共同对某一关键技术的研发进行合作研究开发，这样不仅能够分担研发经费，也可以分享研发成果，使自己能够不断汲取新的技术养分，互相取长补短，对于每个企业的发展都是利大于弊。与同行的研究能够使企业站在较高的起点上进行技术研发，避免“闭门造车”形成的低水平重复，也能够保持对国际上最新技术的了解和跟踪，同时保持自身技术的领先地位。

3）坚持研发为生产服务、为应用服务的原则。我国光伏企业的研发中心与专业院校和研究所不同，企业的研发机构要着力于各项先进技术在光伏生产制造上的产业化应用，为企业的生产提供坚实的技术保障和支撑，实现光伏企业在工艺、装备、制造技术上的自立和自强。这对于提高我国光伏企业的应变能力，适应新技术和各种不利的市场变化有着莫大的好处。而对于一些基础理论性的研究工作，可以与院校和研究所合作进行，但不应成为企业研发中心的主要工作。

4）研发中心要重视新技术的成果转化、产业化和规模化，实现技术与商业应用的完美结合，起到引领企业技术发展的作用。一个新技术从实验室到工厂化生产，所要花费的投入可能比研究成果还要大，面临的问题也更多。有的技术只有开始实施工业化生产才能发现其中的问题，因此，研发中心要将工作重点放在技术的产业化方面。企业也要大胆在这个环节予以投入，才有可能实现突破。

5）企业的研发中心可以考虑通过技术转让与服务实现自身造血功能。技术转让方面，考虑到可能会与企业的生产有冲突，可在新一代技术研发成功后，将前一代但尚有使用价值的技术进行转让，这样不仅可提前收回研发成本，还可提高企业在市场中的竞争力。技术服务方面，一方面考虑针对内部的生产制造和运营服务，同时，研发机构也可以考虑在业内为其它用户服务。例如，企业出资建立国家级的检测平台，申报权威认证资质并争取与国际著名检测机构达到互认后，可开展检测业务。从事光伏电站运营的企业，其研发中心可关注发电项目设计技术和光伏电站工程咨询业务，并办理有关咨询资质，这样，可以为用户开展设计和咨询业务。

对于光伏产业的制造企业来说，自主研发、自主创新，不是企业门面上的装饰，而是光伏企业能否长期生存、发展的必要条件，是能够实实在在为企业的生产作出实际贡献的。企业应当重视对研发的投入，并做好新技术的跟踪和判断，使研发投入能够真正的创造出效益。

我国的光伏企业如果能够开发大量的新技术，并在关键工艺上取得革命性的突破，能够引领光伏产业的技术革命的变化，中国才能从现在的光伏制造大国，真正变成光伏制造强国。

责任编辑：carol