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        2015-2016年中国太阳能电池行业发展概述分析

        2015-2016年中国太阳能电池行业发展概述分析

            中国太阳能电池发展历程

            1958年中国开始研制第一片晶体硅光伏电池以来,到现在已走过半个多世纪。中国的太阳能电池也经历了从无到有、从空间到地面、由军到民、由小到大、由单品种到多品种以及光电转换效率由低到高的艰难而辉煌的历程。

            1958,中国研制出了首块硅单晶

            1968年至1969年底,半导体所承担了为“实践1号卫星”研制和生产硅太阳能电池板的任务。在研究中,研究人员发现,P+/N硅单片太阳电池在空间中运行时会遭遇电子辐射,造成电池衰减,使电池无法长时间在空间运行。

            1969年,半导体所停止了硅太阳电池研发,随后,天津18所为东方红二号、三号、四号系列地球同步轨道卫星研制生产太阳电池阵。

            1975年宁波、开封先后成立太阳电池厂,电池制造工艺模仿早期生产空间电池的工艺,太阳能电池的应用开始从空间降落到地面。

            1998年,中国政府开始关注太阳能发电,拟建第一套3MW多晶硅电池及应用系统示范项目,这个消息让现在的天威英利新能源有限公司的董事长苗连生看到了一线曙光。可是,当时太阳能产业发展前景尚不明朗,加之受政策因素制约,令不少人对这一新能源项目望而却步。在合作伙伴退出的情况下,苗连生毅然逆势而上,争取到了这个项目的批复,成为中国太阳能产业第一个“吃螃蟹”的人。

            2001年,无锡尚德建立10MWp(兆瓦)太阳电池生产线获得成功,20029月,尚德第一条10MW太阳电池生产线正式投产,产能相当于此前四年全国太阳电池产量的总和,一举将我国与国际光伏产业的差距缩短了15年。

            20032005年,在欧洲特别是德国市场拉动下,尚德和保定英利持续扩产,其他多家企业纷纷建立太阳电池生产线,使我国太阳电池的生产迅速增长。

            2004年,洛阳单晶硅厂与中国有色设计总院共同组建的中硅高科自主研发出了12对棒节能型多晶硅还原炉,以此为基础,2005年,国内第一个300吨多晶硅生产项目建成投产,从而拉开了中国多晶硅大发展的序幕。

            2007,中国成为生产太阳电池最多的国家,产量从2006年的400MW一跃达到1088MW

            2008年,中国太阳电池产量达到2600MW

            2009年,中国太阳电池产量达到4000MW

            太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位,将成为世界能源供应的主体。预计到2030年,可再生能源在总能源结构中将占到30%以上,而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上;2040年,可再生能源将占总能耗的50%以上,太阳能光伏发电将占总电力的20%以上;21世纪末,可再生能源在能源结构中将占到80%以上,太阳能发电将占到60%以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。

            中国太阳能电池行业发展面临问题

            1、产业结构畸形,上游原料和下游应用市场严重依赖海外

            尽管过去几年我国太阳能电池产业发展迅速,但仍没有改变上游原料和下游应用市场严重依赖海外的“两头在外”畸形产业结构。

            1)产业链上游在外,国内企业无技术

            由于科技水平制约,我国至今尚无法自主生产太阳能电池产业的核心器件—高纯度多晶硅,近90%需要进口,上游的多晶硅产业的提纯核心技术主要掌握在美国、挪威、德国、日本等七大企业手中。他们垄断了全球多晶硅料供应,抬高了太阳能电池企业的生产成本,削弱了中国产品在国际市场的竞争优势。

            2)产业链下游在外,国内企业无市场

            我国太阳能电池产业的产能快速增长,但国内市场需求的“原动力”不足,90%以上的产品销往国外。目前国内对太阳能电池的市场需求,主要依靠国家“无电县送电”、“送电到乡”等大型工程,且大多集中在中西部地区,消费能力有限。由于缺少政策的支持,国内市场开发严重滞后。

            3)我国光伏产业议价、抗风险能力低

            “两头在外”畸形产业结构是导致我国光伏产业议价能力低的重要原因。在产业上游,掌握核心技术的国外七大晶体硅材料供应商,在产业链中处于主导地位;在产业下游,近年来尽管我国加快了太阳能发电市场的开发,但全球主要市场仍集中在欧美和日本。西班牙市场的急剧萎缩,以及德国政策的趋冷化,造成了全球太阳能发电市场增速放缓.直接冲击中国太阳能电池产业。

            2、原料产地对多晶硅价格没有发言权

            多晶硅产业的弱势地位,始终困扰着我国光伏电池产业。最大的原因是国外技术壁垒。但是国内多晶硅产业并非没有优势,多晶硅上游原料冶金硅80%产自我国。近年来,我国金属硅的产能大幅度扩张,从上世纪70年代的2万多吨,增长到目前的200多万吨。现有500多家金属硅生产企业中,能正常生产的只有200多家,产能利用率50%左右。我国虽然拥有巨大的资源优势,却没有把优势转化为胜势,反而完全受制于国际大企业。根本原因在于没有形成铁矿石领域 “三巨头”那样的规模化优势,而是一些中小企业各自为战,且存在恶性竞争。

            中国太阳能电池行业技术发展现状及趋势

            产业信息网发布的《2016-2022年中国太阳能电池产业调研现状及投资咨询战略研究报告》显示,太阳能利用主要有光伏发电和光热发电两种形式,其中光伏发电相对比较成熟,近几年光伏市场装机量保持着稳定的增长态势。光伏发电以太阳能电池技术为核心,目前太阳能电池从技术上主要分为3类:以晶硅电池为代表的第1代太阳能电池,以硅基薄膜、CdTeCIGS电池等为代表的第2代薄膜电池和以GaAs叠层电池为代表的第3代太阳能电池。光伏市场主要是以第1代和第2代电池为主。

            然而,晶硅电池成本较高,且由于硅材料本身性质的限制,其光电转换效率很难再有提高。薄膜电池本身效率偏低、投资成本较高,因此,开发高效低成本的第3代太阳能电池不仅必要而且紧迫。

            1、晶硅太阳能电池

            晶硅电池是第l代太阳能电池的典型代表,它是以多晶硅材料、硅晶片为基础制备得到的,主要包括单晶硅电池和多晶硅电池两种类型。前者以单晶硅片为基础材料来制备,后者则是以多晶硅片为基础。由于多晶硅太阳能电池存在杂质问题,光电转换效率比单晶硅电池低一些,晶硅太阳能电池转换效率产业化水平单晶为18%22%、多晶16%18%,其产业化技术主工艺流程如图所示。

        产业化晶硅电池的工艺流程图

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            1)晶硅太阳能电池

            在硅系太阳能电池中,单晶硅太阳能电池的转换效率最高,技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成熟加工处理工艺基础上的。现在的单晶硅电池生产工艺已近成熟。在电池制作中,一般采用表面结构化、发射区钝化、分区掺杂等技术,开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。

            目前,单晶硅太阳能电池实验室光电转换效率最高纪录是赵建华小组于1999年在澳大利亚新南威尔士大学创造的PERL(发射层钝化,局部扩散背电极)结构太阳能电池25%,电池结构如图所示。

        南威尔士大学研制的PERL单晶硅太阳能电池结构

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            在已商业化的太阳能电池中,单晶硅电池的效率无疑是最高的,在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响,致使单晶硅成本价格居高不下,要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料,寻找单晶硅电池的替代产品,现在发展了薄膜太阳能电池,其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。

            2)晶硅太阳能电池

            多晶硅太阳能电池的出现主要是为了降低成本,其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭,设备比较简单,制造过程简单、省电、节约硅材料、对材质要求也较低。由于杂质和晶界的影响,电池效率较低。电池工艺主要采用吸杂、钝化、背场等技术。

            目前,多晶硅电池的实验室效率最高记录是由德国的弗朗霍夫研究所创造的204%,他们主要采用了等离子刻蚀和局部背场等技术,结构如图。

        德国弗朗霍夫研究所研制的多晶硅电池结构

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            2、薄膜太阳能电池

            日前,第2代薄膜太阳能电池的技术工艺也比较成熟,在薄膜市场上主要分为硅基薄膜电池、CdTe电池和CIGS电池等。

            1)硅基薄膜电池

            硅基薄膜电池技术的发展路线可归纳为:非晶硅单结电池。非晶硅/微晶硅(非晶硅/非晶硅)双结叠层电池。非晶硅/微晶硅/非晶硅锗三结叠层电池。多结叠层电池技术是提高硅基薄膜电池效率的发展趋势,叠层电池中各子电池的结构、组分、光电学匹配及子层薄膜的生长技术是硅基薄膜电池产业化技术研究的重点方向。一种硅基三结叠层薄膜电池结构如图所示,其产业化技术流程及相关设备如图所示。

        一种硅基三结盛层薄膜电池结构

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        硅基薄膜电池产业化技术流程及相关设备

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            国际上,美国的联合太阳能(United Solar)公司在实验室采用纳米硅薄膜技术将三结叠层电池转换效率提高到了15.4%,光衰减后稳定在12.4%左右。日本的柯尼卡公司和夏普公司通过三结叠层技术,光衰减后的实验室稳定效率也达到了12%。以瑞士的欧瑞康(Oerlikon)公司和美国的应用材料(Applied Materials)公司为代表的硅基薄膜设备生产商,通过设备升级的方式带动了硅基薄膜电池技术的发展,但产业化进程悲喜不一。国内少数公司采取关键设备、核心工艺自主研发或与高校合作的方式开发多结硅基薄膜电池技术,目前效率仅为8%10%左右,低于国际先进水平。多数公司采取购买国外的交钥匙生产线,工艺依赖性强,自主知识产权的产业化工艺包开发面临困难。

            2)碲化镉( CdTe)薄膜电池

            CdTe薄膜电池结构如图所示,主要有衬底、TCO层、NCdS层、PCdTe层和背接触层构成。

        CdTe薄膜电池结构

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            CdTe电池的实验室最高效率是美国国家可再生能源实验室(NERL)保持的16.7%(电池面积1. 032 cm2 )。产业化方面,采用蒸汽输运连续沉积技术的美国第一太阳能公司(First Solar)处于独家垄断阶段,产业化电池转换效率达到11%。但是,没有一项技术专利对中国企业转让,产业化设备和工艺包也并未向中国市场开放。国内,实验室最高效率是四川大学的13.4%(电池面积0. 5 cm2 ),采用的技术是近空间升华法,中试线效率达到8. 2%(组件面积30 cm x 40 cm )。涉足产业化技术的国内企业仅有3家,关键的蹄化锅薄膜连续沉积设备和产业化技术都属于自主研发阶段,技术水平有待市场检验。国内的实验室和产业化技术水平低于国际先进水平。

            目前,CdTe电池产业化技术的研究方向在于:进一步提高电池效率的技术研究(薄膜均匀性、光电性能、后处理工艺、p-n结的活化、电池结构的优化、前电极/背电极的接触特性研究等)、大面积啼化锅薄膜连续沉积设备的国产化设计制造、激光刻蚀处理技术在生产中的应用、CdTe太阳电池在恶劣(高温高湿、高压、强辐射)环境下的稳定性研究、含Cd废品的回收技术等。

            3)铜铟稼硒(CIGS )薄膜电池

            在化合物半导体材料中,除GaAs, CdTe以外,三元化合物半导体CuIn Ga Se2 CIGS)薄膜材料是另一种重要的光伏材料,占据了薄膜太阳能电池领域的很大比重。CIGS电池结构如图所示。

            CIGS电池的实验室最高效率是德国乌尔姆太阳能与氢能研究中心(ZSW)得到的20.3%,所使用技术是共蒸发法。产业化方面,德国JohannaSolar,德国Wurth Solar、美国Global Solar、日本Showa Shell、日本Honda Solte。等公司技术相对成熟。德国Wurth Solar公司的15 MW生产线,采用的多元线性蒸发源技术和连续沉积大面积CIGS薄膜设备,是目前国际上较为成熟的产业化技术之一。国内实验室最高效率是南开大学的13.9% ,采用的技术是共蒸发法,中试线效率为7%(组件面积29 cm x 36 cm )。共蒸发法、溅射硒化法、电化学法都是铜锢稼硒薄膜的制备技术,但是成熟的产业化技术和核心设备制造技术国内尚未形成,与国际水平差距较大。

            目前,CIGS电池技术的主要障碍在于制备工艺复杂、重复性差、高效电池成品率低,产业化技术的研发方向应集中在提高电池效率和工艺稳定性(四元化合物各组分比率的精确控制、CdS缓冲层的替代材料、柔性衬底太阳电池研究等)以及大面积CIGS薄膜的制备技术及连续沉积设备制造上。

        CIGS薄膜电池结构

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            3、第3GaAs叠层太阳能电池

            3代太阳能电池主要包括叠层电池、多能带电池、热载流子电池和纳米结构新型电池等,其中GaAs叠层电池是第3代电池的典型代表,研究发展相对成熟。

            GaAs叠层太阳能电池的理论极限效率接近70%,远远高于以晶硅电池为代表的第1代太阳能电池和以非晶硅、CdTe电池等为代表的第2代薄膜太阳能电池(见图)。目前,在所有光伏电池中,GaA,系太阳能电池的转换效率是最高的,单结电池可达28%,多结电池的效率超过了43 %。这主要是由于GaA,材料本身具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,且抗辐照能力强,耐高温性能好。

        各代太阳能电池的效率与成本比较

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            基本原理

            目前,标准的单结太阳能电池的理论极限效率为31%,为了进一步提高太阳能电池的效率,新南威尔士大学对标准单结太阳能电池中能量损失的机理进行了研究。从图中可以看出,造成太阳能电池的能量损失主要是热损失,由高能光子激发产生的高能光生载流子对会将多余的能量以热能的形式损失掉。因此,为了减少电池中的热损失,可以设法使大部分入射光子的能量都刚刚大于电池材料的能带能量,使得光生载流子没有过多的能量可以损失。

        标准单结太阳能电池中的能,损失机理

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            ①低能光子损失②热弛豫损失③、④接触电压损失⑤载流子对的复合损失

            3GaAs叠层太阳能电池的发展是与CPV系统紧密相连的。与传统的晶硅电池发电系统相比,CPV产业还处于起步阶段,全球CPV装机容量还不是太大,目前全球装机容量不到200 MW。这主要是因为与晶硅等太阳能发电技术相比,CPV现在的建设成本并无太大优势,但作为一项新兴技术,随着生产规模的扩大、电池片效率的提高、跟踪系统、聚光模块和冷却模块设计的改进、生产技术的进步等等,其成本有着巨大的下降空间。未来CPV系统的成本和技术优势将逐步显现,届时也将获得巨大的市场空间。据资料分析预计,今后几年内CPV市场规模将有爆发式的增长,未来10年年均增速预计在40%以上,2015年新增装机容量将达到1. 8 GW , 2020年的安装量将达到6 GW

        晶硅、薄膜和CPV技术的特点对比

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            光伏市场在稳定发展,各种新技术层出不穷,总结了其中3种主流技术的指标及特点。从技术优点和环境利用优势来看,CPV技术因其光电转化效率高、规模化成本低、土地占用面积小等特点,是未来大规模建造大型高效光伏电站的理想技术。而晶硅和薄膜电池更适用于较小型的家用、商用发电系统和BIPV等。长远来看,CPV、晶硅、薄膜电池技术将不再仅仅局限于成本的比拼,它们将扬长避短,应用于不同方向并长期共存。

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