太陽電池組件相關(guān)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展

來倩

摘 要：隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，太陽能資源的開發(fā)利用已受到世界各國的高度重視。采用太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，主要由光伏方陣、并網(wǎng)逆變器、遠(yuǎn)程監(jiān)測通信系統(tǒng)及配電系統(tǒng)組成。太陽電池組件在光伏發(fā)電系統(tǒng)中是最重要的環(huán)節(jié)之一，因此本論文專門針對太陽電池組件及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展進(jìn)行調(diào)查研究，以利于整個太陽能發(fā)電專業(yè)的教學(xué)研究。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；太陽電池組件；現(xiàn)狀與發(fā)展

人類活動的加劇，自然生態(tài)環(huán)境在不斷惡化。如何實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，從而保證經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為世界各國必須解決的問題?；诔Ｒ?guī)能源枯竭和環(huán)境保護(hù)的考慮，目前世界各國都已經(jīng)把開發(fā)新能源和利用可再生能源作為未來能源發(fā)展的方向。太陽能資源是無污染的清潔能源，在各種發(fā)電能源中對環(huán)境影響最小。因此，太陽能資源的開發(fā)利用已受到世界各國的高度重視，各國政府通過經(jīng)濟(jì)手段，鼓勵扶持個人和企業(yè)發(fā)展太陽能，大大推進(jìn)了太陽能技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和商品化進(jìn)程。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國政府提出了建設(shè)節(jié)約型社會的號召，2005年《可再生能源法》頒布，政府對太陽能發(fā)電項目進(jìn)行稅收優(yōu)惠和補(bǔ)貼上網(wǎng)電價，促進(jìn)了我國太陽能能源開發(fā)利用的快速發(fā)展。此外，建設(shè)大型光伏發(fā)電并網(wǎng)項目可向世界太陽能有關(guān)組織申請經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼。因此，在我國建設(shè)大型光伏并網(wǎng)電站在經(jīng)濟(jì)上是可行的。

近年來，發(fā)達(dá)國家在建和已投產(chǎn)的大型并網(wǎng)光伏電站已超過100個。上海崇明島1MWp光伏并網(wǎng)項目自07年竣工并網(wǎng)以來運(yùn)行良好，實現(xiàn)了無人值守。因此，在我國建設(shè)大型光伏并網(wǎng)電站在技術(shù)上是成熟可行的。

大型和超大型并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)不僅建設(shè)規(guī)模可以達(dá)到MWp甚至GWp級別，發(fā)出的電能可直接并入中高壓輸電網(wǎng)絡(luò)，可參與電力的輸送和調(diào)配。大型光伏電站的系統(tǒng)集成是一項技術(shù)性很強(qiáng)的工作，設(shè)計和工程施工不當(dāng)會增加光伏發(fā)電系統(tǒng)造價和發(fā)電成本。隨著光伏系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜性的增加，大型光伏并網(wǎng)項目一般都需升壓并入中高壓電網(wǎng)，對光伏系統(tǒng)設(shè)計要求和技術(shù)服務(wù)要求日趨嚴(yán)格。目前國內(nèi)沒有專業(yè)的光伏發(fā)電施工單位，因此，需培育光伏發(fā)電專業(yè)技術(shù)人才。

1太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，主要由光伏方陣、并網(wǎng)逆變器、遠(yuǎn)程監(jiān)測通信系統(tǒng)及配電系統(tǒng)組成。光伏方陣將太陽能轉(zhuǎn)化為電能（直流電），并通過匯流箱（配電箱）傳遞到與之相連的逆變器上，逆變器采用MPPT（最大功率跟蹤）技術(shù)最大限度將直流電（DC）轉(zhuǎn)變成交流電（AC），輸出符合電網(wǎng)要求的電能，經(jīng)過升壓站與中壓電網(wǎng)（110kV）連接。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的原理示意如圖1-1所示。其中，太陽電池組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心元件之一。

太陽電池組件是將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿牟考枪夥娬镜暮诵牟考?，科技含量非常高。要求具有非常好的耐侯性，能在室外?yán)酷的環(huán)境下長期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，同時具有高的轉(zhuǎn)換效率和廉價。

因此本論文專門針對電池組件做了一些調(diào)查研究，以利于整個太陽能發(fā)電專業(yè)的教學(xué)研究。

2太陽電池組件的技術(shù)現(xiàn)狀

太陽電池組件是指把太陽電池串、并聯(lián)，經(jīng)過封裝后工廠生產(chǎn)的可以直接出廠的最小單元。光伏方陣是由若干個太陽電池組件串、并聯(lián)而成。而各個廠家太陽電池組件的參數(shù)各有不同，設(shè)計光伏方陣時，不同特性的組件所需數(shù)量也不同。

太陽能光伏發(fā)電的最核心器件是太陽電池。太陽電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體p－n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。

如圖2-1所示，當(dāng)光照射到半導(dǎo)體光伏器件上時，在器件內(nèi)產(chǎn)生電子－空穴對，在半導(dǎo)體內(nèi)部p－n結(jié)附近生成的載流子被復(fù)合而能夠到達(dá)空間電荷區(qū)，受內(nèi)建電場的吸引，電子流入n區(qū)，空穴流入p區(qū)，結(jié)果使n區(qū)儲存了過剩的電子，p區(qū)儲存了過剩的空穴。它們在p－n結(jié)附近形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場。光生電場除了部分抵消勢壘電場外，還使p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負(fù)電，在n區(qū)和p區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生了電動勢，此時，如果外電路接通，就會有與入射光能量成正比的光電流通過?，F(xiàn)在商用的太陽電池主要有：單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅薄膜電池、銅銦硒和碲化鎘薄膜電池等。以下是幾種電池的基本情況：

1）單晶硅電池

單晶硅電池是最早發(fā)展起來的太陽電池，由單晶硅片來制造。與其他電池相比，單晶硅電池的效率最高，目前太陽電池組件的效率在15%-17%之間。現(xiàn)在單晶硅電池的技術(shù)發(fā)展動向是向超薄、高效發(fā)展。德國的研究已經(jīng)證實40μm厚的單晶硅電池的效率可達(dá)到20%，有可能借助改進(jìn)生產(chǎn)工藝實現(xiàn)超薄單晶硅電池的工業(yè)化生產(chǎn)，并可能達(dá)到已在實驗室達(dá)到的效率。

2）多晶硅電池

多晶硅電池由多晶硅片來制造。由于硅片由多個不同大小，不同的晶粒組成，而在晶粒界面處光電轉(zhuǎn)化容易受到干擾，因而多晶硅的轉(zhuǎn)化相對較低，同時，多晶硅的電學(xué)、力學(xué)和光學(xué)性能一致性不如單晶硅。目前多晶硅電池組件的效率在14%-16%之間，與單晶硅電池組件的效率相差不大。

3）非晶硅薄膜電池

非晶硅薄膜電池是采用化學(xué)沉積的非晶硅薄膜，其特點是材料厚度在微米級。非晶硅為準(zhǔn)直接帶隙半導(dǎo)體，吸收系數(shù)大，可節(jié)省大量硅材料。商業(yè)化的非晶硅薄膜電池組件產(chǎn)品穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換效率在5%～7%左右。保證壽命為10年。

非晶硅薄膜電池是至今最為成功的薄膜電池，目前非晶硅薄膜電池之所以沒有大規(guī)模使用，主要原因是光致衰減效應(yīng)。

4）銅銦硒薄膜電池

銅銦硒(CuInSe2)薄膜是一種Ｉ-Ⅲ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體，銅銦硒薄膜太陽電池屬于技術(shù)集成度很高的化合物半導(dǎo)體光伏器件，由在玻璃或廉價的襯底上沉積多層薄膜而構(gòu)成。CIS 薄膜電池具有以下特點：光電轉(zhuǎn)換效率高，效率可達(dá)到17%左右，成本低，性能穩(wěn)定，抗輻射能力強(qiáng)。目前，CIS太陽電池實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的主要障礙在于吸收層CIS薄膜材料對結(jié)構(gòu)缺陷過于敏感，使高效率電池的成品率偏低。這種電池的原材料銦是較稀有的金屬,對這種電池的大規(guī)模生產(chǎn)會產(chǎn)生很大的制約。

5）碲化鎘薄膜電池

碲化鎘是一種化合物半導(dǎo)體，其帶隙最適合于光電能量轉(zhuǎn)換。用這種半導(dǎo)體做成的太陽電池有很高的理論轉(zhuǎn)換效率。碲化鎘的光吸收系數(shù)很大，對于標(biāo)準(zhǔn)AM0太陽光譜，只需0.2微米厚即可吸收50％的光能，10微米厚幾乎吸收100％的入射光能。碲化鎘是制造薄膜、高效太陽電池的理想材料。碲化鎘薄膜太陽電池的制造成本低，是應(yīng)用前景最好的新型太陽電池，它已經(jīng)成為美、德、日、意等國研究開發(fā)的主要對象。目前，已獲得的最高效率為16.5%。但是有毒元素Cd對環(huán)境的污染和對操作人員健康的危害是不容忽視的。目前各國均在大力研究加以克服。

6）具有聚光和跟蹤的太陽電池組件

為提高太陽能電池組件的轉(zhuǎn)換效率，可采用太陽能跟蹤和聚光系統(tǒng)，也可以同時采用聚光和跟蹤兩種系統(tǒng)。

采用聚光太陽電池的好處是光電轉(zhuǎn)換效率高，聚光太陽電池轉(zhuǎn)換效率為18 %～30 % ，比普通太陽電池高得多，1cm2 的聚光電池在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下聚光度為400～600 倍聚光后,輸出功率達(dá)6～10W以上，而同等面積的平板式太陽電池輸出功率僅12 ～14MWp 。由于聚光電池的受光面只有同功率的普通光電池幾百分之一，因此可以大大節(jié)約單晶硅的用量，即同面積的單晶硅片若制成聚光電池，發(fā)電量將提高數(shù)百倍。聚光方式可采取凹面鏡等光學(xué)聚光器件。

同功率的精確跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)比固定型光伏發(fā)電系統(tǒng)每天多發(fā)電30 %左右。跟蹤有單軸、雙軸或其它多向機(jī)械跟蹤系統(tǒng)。

目前的聚光和跟蹤太陽電池組件的問題主要是設(shè)備維護(hù)量比固定式太陽能電池組件大，并且設(shè)備投資較大，目前還不適合國內(nèi)大規(guī)模使用。

3 太陽電池組件相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r

目前太陽能光伏電池及其組件的生產(chǎn)工藝已很成熟，電池組件相關(guān)的輔助材料也能滿足工業(yè)化的生產(chǎn)質(zhì)量要求。經(jīng)過相關(guān)測試論證的生產(chǎn)廠家宣稱能保證晶體硅太陽能電池組件的壽命在20年以上。

3.1 我國太陽電池產(chǎn)業(yè)在世界上的位置

我國太陽電池及其組件產(chǎn)量2002年以前長期徘徊在全球產(chǎn)量的1%左右，但是，自2004年，在國際光伏市場尤其是德國、日本市場的強(qiáng)大需求的拉動下，我國光伏市場產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。2020 年前, 我國光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)將會得到不斷的完善和發(fā)展, 成本將不斷下降,2010—2020年,光伏發(fā)電由獨立系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),發(fā)電成本到2020年將約為0.60元/kWh。到2020年我國光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平有望達(dá)到世界先進(jìn)行列。

2006年世界太陽電池實際產(chǎn)量為2500MWp，其中日本為880MWp，歐洲為746MWp，中國為370MWp，美國175MWp。電池產(chǎn)量發(fā)展見圖2-2：

在太陽電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中，我國形成了一批具有國際競爭力和國際知名度的太陽電池生產(chǎn)企業(yè)。2010年我國的光伏發(fā)電產(chǎn)品產(chǎn)量突破1000MWp,成為世界最大的太陽電池生產(chǎn)國。

3.2中國太陽能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟待解決的幾個問題

盡管我國光伏產(chǎn)業(yè)快速增長，但在核心技術(shù)、基礎(chǔ)原料、關(guān)鍵專業(yè)設(shè)備、國內(nèi)應(yīng)用等方面仍存在制約因素，阻礙了產(chǎn)業(yè)國際競爭力的進(jìn)一步提升，其亟待解決的幾個問題如下：

1) 核心技術(shù)瓶頸：

目前，光伏產(chǎn)業(yè)上游的高純度多晶硅提煉、硅片切割等關(guān)鍵技術(shù)掌握在美、日等國少數(shù)企業(yè)手里，國內(nèi)高純度多晶硅原料提純技術(shù)遠(yuǎn)落后于西方發(fā)達(dá)國家（國內(nèi)最高提煉水平只能達(dá)到99.5%），我國幾乎100%的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備都依靠進(jìn)口。國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的太陽能組件的光電轉(zhuǎn)換效率平均在16%左右，而在發(fā)達(dá)國家超過20%。日本三洋利用晶體硅基板和非晶硅薄膜制成的混合型電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)22%。我國在晶體太陽能電池的后續(xù)研發(fā)，特別是薄膜太陽能電池的研發(fā)等方面與國外存在較大差距，落后5-10年。缺乏核心技術(shù)是我國處于全球光伏產(chǎn)業(yè)價值鏈低端的根本原因。

2）國內(nèi)市場瓶頸：

中國目前已成為全球最大的光伏電池生產(chǎn)國，去年占據(jù)全球市場55％的市場份額。不過因光伏發(fā)電成本高昂，中國本土的光伏裝機(jī)仍較為緩慢，報道稱，截至2010底全國光伏并網(wǎng)發(fā)電總裝機(jī)容量預(yù)計僅在600MW（兆瓦）左右。這種國內(nèi)市場嚴(yán)重落后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的情況既不利于我國能源的可持續(xù)發(fā)展，也不利于光伏產(chǎn)業(yè)的科學(xué)發(fā)展。

3）標(biāo)準(zhǔn)化與人才瓶頸：

與國外相比，我國還缺乏有關(guān)太陽能電池及其配套產(chǎn)品的檢測標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)市場不規(guī)范。目前，有些國外的電池沒有通過國內(nèi)任何機(jī)構(gòu)的檢測，以低于產(chǎn)品正常價值進(jìn)入我國市場，且進(jìn)口關(guān)稅為零，這對我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展很不利。同時，光伏技術(shù)人才培養(yǎng)較薄弱，中青年光伏技術(shù)人才緊缺。

參考文獻(xiàn)

[1]2008年中國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)分析及投資咨詢報.中國投資咨詢網(wǎng)，2008 年1月

[2]2006年中國太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)機(jī)會與風(fēng)險研究報告，2007年8月23日

[3]王霞.太陽能電池工作原理與種類.中國科技財富，2010年第六期

[4]劉科高.CIS太陽電池材料的研究進(jìn)展.動力材料,2009年第9期

[5]魏岳.薄膜硅太陽電池概述.科技傳播，2010年第9期