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  首页:圣耀娱乐:首页欧亿3娱乐本着“以人为本”的原则,24小时全天候为广大会员提供专业的、全方位的盛仁娱乐注册、登录、测速、投诉等服务!平台主管:【QQ:90511】欧亿3娱乐世界光伏发电产业的现状及原料的发展趋势_能源/化工_工程科技_专业资料。世界光伏发电产业的现状及原材料的发展趋势 朱相丽 (中国科学院国家科学图书馆 总馆) 随着社会经济的迅速发展和人口的不断增加,以石油、天然气、煤等为主的 化石能源日益枯竭。根据世界能源机构分析数据,世

  世界光伏发电产业的现状及原材料的发展趋势 朱相丽 (中国科学院国家科学图书馆 总馆) 随着社会经济的迅速发展和人口的不断增加,以石油、天然气、煤等为主的 化石能源日益枯竭。根据世界能源机构分析数据,世界石油、天然气、煤、铀的 剩余可开采年限仅为 45 年、61 年、230 年和 71 年,图 1 给出了世界与我国常规 能源的预测[1]。与此同时,化石能源造成的环境污染和生态失衡制约了世界经济 的可持续发展,世界对能源的需求有增无减,能源资源已经成为重要的战略物质。 太阳能资源是最丰富的可再生资源之一,光伏发电是直接应用太阳能的一种 形式。据计算,太阳在 1 s 内发出的能量就相当于 1.3 亿 t 标准煤燃烧时所放出 的热量,而到达地球表面的太阳能大约相当于目前全世界所有发电能力总和的 20 万倍。与其他能源相比,太阳能有许多优点,如安全可靠、无噪声、无污染、 无需消耗燃料、可以方便地与建筑物相结合等,这些优点都是常规能源无法比拟 的;因此,以太阳能为代表的可再生能源成为当代新能源开发的重要方向之一。 世界各国竞相出台发展太阳能的扶持政策、法令、法规和路线图,光伏发电系统 正在全球范围内逐步得到应用。 图 1 世界和中国主要常规能源储量预测 一、国外光伏产业及技术发展的现状 1.世界太阳能电池的产量增加迅速 随着光伏技术的进步,世界光伏产量有了很大的提高,20 世纪 90 年代的年 平均增长率达到 20%,从 1991 年的 55 MW 增长到 2000 年的 287 MW;2001 年 以来,光伏电池产量快速增长,光伏组件的年平均增长率更是高达 30%以上。2005 年世界太阳电池产量达到 1656 MW,比 2004 年增加了 38%;日本光伏电池产量 再次领先增长到 762 MW,增长率为 27%;欧洲产量增加 48%,达到 464 MW; 美国增加 12%,达到 156 MW;世界其他地区增加 96%,达到 274 MW[2]。根据 欧洲可再生能源委员会《可再生能源状况 2040》(Renewable Energy Scenario to 2040)报告,太阳能占世界总发电量的比例在 2010 年将达到 0.1%,2020 年达到 1.1%,2030 年将达到 8.3%[3]。日本新能源产业技术开发机构(NEDO)对太阳 能组件的未来预测以及从费用角度绘制的路线 所示,根据日本估计,到 2030 年,太阳能电池的发电量将达到 100 GW。 图 2 世界太阳能组件的未来预测以及从费用角度绘制的太阳能发电路线图 (注:图中 yen 为日元) 2.德、日、美依然是世界上三个最主要的光伏应用市场,中国异军突起产量跃居 世界前列 图 3 给出了全球太阳能电池的产量变化情况,图 4 给出了 2007 年各国太阳 能电池产量情况,从图 4 可以看出,随着全球太阳能电池产量的逐年快速增加, 2007 年中国太阳能产量占了 29%,跃居世界第一位,一举超过了日本在此领域 的霸主地位;日本的产量占了总量的 22%,其次是德国占了总发电量的 20%。 图 3 世界太阳能电池的产量[4] 图 4 2007 年各国太阳能电池的产量 在太阳能电池的应用方面,自 1998-2007 年,太阳能电池安装的平均增长率 超过了 35%,2007 年全球安装太阳电池量达到了 9200MW,其中前 5 名的国家 分别是德国安装了 3800 MW,占世界总安装量的 41.3%;日本安装了 1938 MW, 占世界总安装量的 21%;美国安装量为 814 MW,占世界总安装量的 8.9%;西 班牙安装了 632 MW,占世界总安装量的 6.9%;意大利安装量为 100 MW,占世 界总安装量的 1%,世界其它地区安装了 1916 MW,占总安装量的 20.8%。由此 可见,德、日、美依然是世界上的光伏主要应用市场。 3.晶体硅电池占市场的绝对主流 2006 年市场上的太阳能电池模块有 90%以硅为原材料,其中有 50%为多晶 硅、38%为单晶硅、其它形式的硅仅占 2%,预计这一现状还将持续一段时间, 表 1 给出了 2001-2006 年各类太阳能电池产量的市场份额[5]。就目前来看,晶体 硅光伏电池拥有最低的成本,并已拥有最高的可靠性,其研发重点是降低成本。 主要通过以下几种途径来降低成本:(1)降低原材料成本,特别是硅衬底;(2) 提高转化效率;(3)改进制造工艺,提高生产能力;(4)提高可靠性(减少晶圆 破损)。 表 1 2001-2006 年各类太阳能电池产量的市场份额 % 2001 2002 2003 2004 2005 2006 单晶硅 34.6 36.4 32.2 36.2 38.3 38.0 多晶硅 50.2 51.6 57.2 54.7 52.3 52.0 带硅/片硅 5.6 4.6 4.4 3.3 2.9 3.0 非晶硅 8.9 6.4 4.5 4.4 4.7 4.0 锑化镉 0.5 0.7 1.1 1.1 1.6 2.7 铜铟化锡 0.2 0.2 0.6 0.4 0.2 0.3 4.并网光伏发电及光伏建筑一体化(BIPV)前景广阔 目前,以光伏建筑一体化(BIPV)为核心的光伏屋顶并网发电应用占据了 绝对的光伏市场份额,尤其日本和德国近几年的光伏年度安装几乎全部是光伏屋 顶并网应用。光伏建筑一体化具有诸多优点,如建筑物能为光伏系统提供足够的 面积,不需另占土地;能省去光伏系统的支撑结构和输电费用;光伏阵列可代替 常规建筑材料,节省材料费用;安装与建筑施工结合,节省安装成本等,因而具 有广阔的应用前景。 5.各国纷纷制定光伏发电的路线图,对光伏产业进行规划和指导 日本 NEDO 在 2004 年 6 月发表的“面向 2030 光伏路线图的概述”(Overview of PV Roadmap Toward 2030)中提出:到 2010 年日本国内累计安装太阳电池组 件容量将为 482 GW;到 2030 年累计安装太阳电池组件容量要达到 1000 GW, 届时日本所有住宅所消费的电力中将有 50%是太阳能光伏发电提供的。通过大规 模应用和技术进步,使太阳电池组件的价格从 2003 年的 250 日元/W 逐年下降, 到 2010 年降为 100 日元/W,2020 年降到 75 日元/W,到 2030 年要小于 50 日 元/W。目前硅材料的消耗是 10~13 g/W,到 2030 年要达到 1 g/W;逆变器目前 的价格是 3 万 日元/kW,到 2020 年要降到 1.5 万 日元/kW;蓄电池价格要从目 前的 40 日元/Wh 降到 2020 年的 10 日元/Wh。这样,太阳能光伏发电的成本也 可以逐渐下降,预计 2010 年太阳能发电的电价约为 23 日元/kWh,到 2020 年降 为 14 日元/kWh,2030 年可进一步降到 7 日元/kWh。 2004 年 3 月,欧盟联合研究中心发表了名为“欧洲光伏研发路线图”(PVNET European Roadmap for PV R&D EUR21087EN)的研究报告,指出大约在 2030 年 太阳能发电将发挥显著的作用,2050 年将约占能源供应总量的 24%,到 21 世纪 末将占全球总能源供应的统治地位。 在 1999 年以前,美国的太阳能光伏发电研究和开发一直处于世界领先地位, 后来由于种种原因,太阳电池组件的产量落到了日本和欧洲的后面。美国在 2004 年 9 月发表了“我们太阳电力的未来:2030 及更久远的美国光伏工业路线图”(Our Solar Power Future:The U.S. PV Industry Roadmap Through 2030 and Beyond), 对此进行了分析,提出要恢复美国在光伏市场的领导地位,为此要采取税收优惠、 提高上网电价、增加政府及当地投入、在 2010 年以前每年投入 2.5 亿美元用于 研发等措施,并提出以下目标:在 2025 年新增加发电容量的一半由太阳能发电 提供[6]。 二、世界光伏发电技术研究热点 光伏发电系统是由光伏电池板、控制器和电能储存及变换环节构成的发电与 电能变换系统。太阳光辐射能量经由光伏电池板直接转换为电能,并通过电缆、 控制器、储能等环节予以储存和转换,提供负载使用。光伏电池板是太阳能光伏 发电系统中的基本核心部件,它的大规模应用需要解决 2 大难题:一是提高光电 转换效率;二是降低生产成本。 目前太阳能电池的发展已经历了 3 代。第 1 代光伏电池以硅片为基础,虽然 其技术已经发展成熟,但高昂的材料成本在全部生产成本中占据主导地位,不仅 消耗了过多的硅材料,而且制作全过程中要消耗很多能源。第 2 代光伏电池基于 薄膜技术,将很薄的光电材料铺在非硅材料的衬底上,大大减少了半导体材料的 消耗,并且易于形成批量自动化生产,从而大大降低了光伏电池的成本,国际上 已经开发出了电池效率在 15%以上、组件效率在 10%以上和系统效率在 8%以上、 使用寿命超过 15 年的薄膜电池工业化生产技术。第 3 代高转换效率的薄膜光伏 电池通过减少非光能耗,增加光子有效利用以及减少光伏电池内阻,使光伏转换 效率的上限有望获得新的提升[7]。 另外,多晶硅光伏电池比单晶硅光伏电池的材料成本低,是世界各国竞相开 发的重点,目前它的研究热点包括:开发多晶硅生产技术,开发快速掺杂和表面 处理技术,提高硅片质量,研究连续和快速的布线工艺,多晶硅电池表面织构化 技术和薄片化,开发高效率电池工艺技术等。非晶硅电池仍处在发展之中,每年 的新增产量在 10 MW 以上。化合物太阳电池(如铜铟镓硒等)正以其转换效率 高、成本低、弱光性好及寿命长等优点成为新一代光伏电池的发展方向。 三、各种太阳能电池板原材料的问题及其转化效率 以制作光伏电池板的原材料来分,太阳能电池可大致划分为硅材料太阳能电 池、化合物半导体材料太阳能电池以及有机材料太阳能电池。表 2 给出了目前实 验室中各种太阳能电池最好的转化率情况,表 3 给出各种太阳能电池模块的转化 效率以及每种材料的特点及问题。 表2 各类太阳能电池实验室最好的转化率[8] 类型 转化效率/% 实验室 单晶硅电池 24.7±0.5 South Wales University, 注释 电池面积4cm2 Australia 表面接触支撑单晶硅电池 26.8±0.8 SunPower, US 96次聚光 GaAs异质结电池 40.7±1.7 Spectrolab 聚光太阳能电池 多晶硅电池 InGaP/GaAs(磷化铟镓/砷 化钾) 非晶硅电池 铜铟化锡电池 锑化镉电池 多晶硅薄膜电池 Na-Si太阳能电池 染敏基光电化学电池 非晶硅锗混合型异质结 (HIT)电池 20.3±0.5 30.28±1.2 14.5(初始值)±0.7 12.8(稳定值)±0.7 19.5±0.6 16.5±0.5 16.6±0.4 10.1±0.2 11.0±0.5 21.5 Fraunhofer Institute, Germany Japan Energy Company USSC, US National Renewable Energy Laboratory, US National Renewable Energy Laboratory, US Stuttgart University, Germany Kaneka, Japan EPFL Sanyo, Japan 电池面积 1.002cm2 电池面积4cm2 电池面积0.27cm2 电池面积 0.410cm2 电池面积 1.032cm2 电池面积 4.017cm2 薄膜厚度为 0.002mm 电池面积0.25cm2 — 代表类型 硅系统 化合物半 导体材料 表3 各种材料的转化效率和主要特点[2] 太阳能电池模块的转 换效率/% 现在 NEDO 主要特点和问题 2030目标 块 多晶硅 13~17 22 已经大批量生产 体 单晶硅 硅 硅棒 16~18 16 — 转化率高 — 不需要切片 薄膜类型 (非晶硅,晶体硅) 7~12 — 适用于低温、大面积和多层制 造,费用低。 单晶型 (GaAs 系统) 30~40 — 转化率高,但是费用高,含环 境污染物质。 多晶型 (CIGS, CdTe) 有机材料 染敏型 13 18 需要铟资源,要减少铟的消 费、扩展铟的代替物,需要提 高系统的稳定性。 6 15 — 有机薄膜型 4 — 1.块体硅材料 按结晶形态和器件结构分,硅太阳能电池可分为 4 种类型:块体、薄膜、单 晶硅和多晶硅,在这些类型当中,块体硅太阳能电池是市场产品的主流,这种情 形还将持续一段时间。单晶硅的光电转换效率为 16%~18%,多晶硅为 13%~ 17%。 太阳能电池硅的纯度虽高,但相比用于半导体的硅材料,其纯度则要低几个 数量级。不过,太阳能电池对硅材料的需求相当庞大,因此低成本原料的制造开 发已经引起了人们的关注;特别地,针对晶体硅太阳能电池,现行技术的关注点 在于削减厚度(从 100 μm 减为 50 μm)以及减少加工过程中的边角料损耗。 2.薄膜硅材料 薄膜硅太阳能电池对原料需求较小,因此被视为适于未来大规模生产的低成 本太阳能电池,然而这种电池的光电转换效率远低于晶体硅太阳能电池,如果是 非晶薄膜,则电池的光电转化效率更低,为 7%~10%。因此,如果这种太阳能 电池的光电转换效率得到提升,它很可能是未来的主流技术。 薄膜硅技术中至少有 2 种正处于开发中的技术路径,第 1 种技术路径是非晶 硅太阳能电池,其面积成本(area-costs)显著降低,同时效率也有适度提升;如 果非晶硅的产量继续按目前的速度增长,到 2020 年将达到 2 kMW/年,在这样 的产量水平下,工艺简化与高产量将带来巨大的规模经济。第 2 种高风险、高收 益技术路径是在玻璃、玻璃-陶瓷、冶金硅或不锈钢等可候选的、低成本的衬底 上制作晶体硅薄膜。晶体硅的这种替代技术有望在维持非晶硅薄膜低成本结构的 同时,将效率提升到可与多晶硅技术相竞争的水平,需要进一步研究活性材料的 高沉积速率工艺和制备单晶硅、大颗粒、双轴织构颗粒及良好钝化颗粒晶界的机 制[9]。 3.化合物半导体与有机材料 化合物半导体和有机体有望成为下一代太阳能电池材料,已有相关研发活动 围绕它们展开且得到了实际应用,但在近期,它们尚难以取代硅材料。理论上, 化合物半导体的光电转换效率要比硅材料高,但仍存在缺陷,例如,化合物多晶 薄膜 CIGS(Cu-In-Ga-Se)的转换效率为 13%,但铟(In)却十分稀缺;GaAs 化合物薄膜中砷(As)的大量使用则会带来不少环境问题,因此,目前化合物 半导体材料的太阳能电池仅适合于特殊情况下的应用。虽然有机材料太阳能电池 具有原料成本低廉的压倒性优势,但仍受到户外模块效能、稳定性、寿命和可靠 性等问题的制约。量子点太阳能电池的光电转换效率高达 60%,但该领域的研究 才刚起步[10]。 四、未来的发展方向 现今市场上的太阳能电池模块有 95%以硅为原材料,其中有 60%为多晶硅, 30%为单晶硅,预计这一现状还将持续一段时间。对未来太阳能发电系统的发展 而言,如何降低电池模块的成本是关键,是因为它占据了发电系统成本的 60%, 而模块成本中的 20%取决于硅原材料成本,所以,如果保持如今的趋势发展下去, 则原材料硅的短缺终将成为制约太阳能发展的瓶颈。预计未来发展的方向可能集 中在以下几个方面: 1.改善原有的制备工艺并开发新工艺,提高硅原料的产量; 目 前 有 研 究 报 道 了 一 些 新 的 工 艺 方 法 : 熔 融 析 出 法 ( Vapor to Liquid Deposition,VLD)和熔硅提纯法(Molten Silicon Refinement)。在 VLD 法中, 将三氯氢硅(SiHCl3)和氢气(H2)一起注入 1500 ℃的石墨管中,形成硅熔融 沉积,沉积速度比传统西门子方法快[10]。未来的研究将开发更多新工艺,提高 硅的产量。 2.开发新材料和新技术,降低硅的使用量; 通过重新评估材料技术并使用新的电池技术以提高能源效率,从而尽可能降 低单位能量所消耗的硅,同时通过扩展设备和引入新的制备工艺来努力提高生产 能力。 3.第 3 代高效光伏电池具有潜在前景。 第 1 代晶体硅太阳电池对材料的需求限制了成本降低的潜力,长期以来人们 一直试图用薄膜太阳电池取代第 1 代电池,然而,薄膜太阳电池的转换效率是要 解决的主要问题,此外,薄膜电池的性能稳定性和生产成本也必须要达到大规模 应用的要求。目前从材料、工艺与理论研究等方面来看,太阳电池的光电转换效 率还可以有很大提高,薄膜电池的发展也还有充足的发展空间。第 3 代光伏电池 主要是要解决电池能量的损失问题,第 3 代电池的理论概念及其工艺方法成为了 太阳能电池研究领域的最前沿问题,若第 3 代光伏电池能够获得成功,将会对整 个太阳电池领域的发展起到里程碑式的贡献。 参考文献 [1]昌金铭.国内外光伏发电的新进展,2007. 杨金焕等.各国光伏路线图与光伏发电的进展.中国建设动态(阳光能源),2006(4):51-54. [7]Conibeer,G..Third-generation photovoltaics.2007,10(11):42-48. [8]China solar PV report. 2007. [9]美国太阳能光伏技术及材料发展规划.科学动态监测快报—先进制造与材料科学专 辑,2007(23):1-8. [10]高纯硅原材料技术发展趋势.科学研究动态监测快报—先进制造与材料科技专辑, 2007(22):1-8.