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上海太阳能电池产业发展目标研究(1)

供稿人:陈晖  供稿时间:2012-1-20   关键字:太阳能电池  产业发展目标  上海  

1. 引言

太阳能光伏发电因其充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、长寿命和免维护性、资源的充足性,以及日益显现的实用性等优点而受到普遍的重视,被认为是最有潜力的新兴能源产业之一。2007年9月,国家发展和改革委员会发布的《可再生能源中长期发展规划》中,上海地区被列为屋顶光伏发电的重点试点城市。2007年以来大型数个光伏发电示范项目相继建成投产,2010年7月还建成了全球最大的单体建筑光伏一体化项目——京沪高铁虹桥站光伏项目实现并网发电,其总装机容量6.688MW。
 
在政策层面上,上海市高度重视太阳能产业的发展,将太阳能技术被列入《上海高新技术产业化项目指南》,使之成为上海未来重点发展的领域之一。近年来,市委、市政府专门针对包括太阳能等新能源在内地新兴产业制定了相应的发展规划,对于优化上海新能源产业的创新和发展环境,增强上海新能源产业的创新能力和产业竞争力,推动上海新能源产业成为支撑和拉动经济发展的重点领域,将起到积极的作用。可以预见,政策的激励以及大面积的屋顶光伏发电项目的建设将直接构成上海地区对太阳能电池的需求。
 
近年来,我国太阳能电池产量已经处于世界前列,太阳能光伏制造产业链业已趋成熟,形成了多晶硅料、硅棒/硅片和电池/组件三大产业环节的相应企业群。针对上海的太阳能电池产业如何确定其发展目标是本文讨论的重点。本文首先阐述了太阳能电池技术现状与趋势;其次,分析了上海太阳能电池产业的现状;最后,结合技术发展趋势以及上海的情况,提出太阳能电池产业发展的目标。
 

2.  太阳能电池技术发展现状和趋势

2.1 太阳能电池技术发展现状

按照材料区分,太阳能电池可以大致分为硅系、化合物半导体、有机系太阳能电池三大类;按电池的物理形态分,太阳能电池粗略地分为晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池。
 
(1)晶硅太阳能电池:迄今,晶硅电池的实验室转化效率达到了24.7%,大规模生产商用产品的效率为17%以上。在高转化率薄型晶硅电池的研发与应用方面,欧洲已经取得显著进展,其中针对低成本、高效可靠的晶体硅片的研究项目CristalClear组织了包括德国、西班牙、法国、荷兰、比利时等多个国家的研发机构和企业进行研究,该项目取得的成果是晶体硅片的厚度降低到0.1~0.2mm,光电转换效率为17~18%,生产成本约为1欧元/W。
 
(2)薄膜太阳能电池:在薄膜电池的研发中,非晶硅、铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)以及掺杂聚合物材料的这几种薄膜电池的光电转换效率有很大区别,其中多晶薄膜电池CdTe和CIGS具有较大的优势,实现规模化生产时,这两种电池在成本方面也非常有竞争力。非晶硅薄膜电池是目前技术最成熟、商业化水平也最高的薄膜电池,其优越性主要体现在非晶硅薄膜材料在理论和制备技术上都发展较为成熟、易于实现组件面积上的集成并且便于工业化大规模连续生产,尤其是它的材料及制造成本非常低。但是,薄膜电池的缺点也较明显,即光电转换效率较低,且这些薄膜光伏组件的寿命变化无常、难以确定;与此相反,基于硅片的光伏电池却能在超过25年的时间里长期保持高水平的电力输出。近年来,针对薄膜电池的不足,很多研发机构从薄膜电池的材料、层形成技术等多方面入手展开研究,以提高薄膜光伏电池的光电转换率并降低其生产成本。目前,世界上至少有40个国家正在对下一代低成本、高效率的薄膜太阳能电池实用化进行研发,其中薄膜电池研发和制造能力最强的是日本、欧洲(如德国)和美国。表1简要地总结了量产情况下,常规的晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池的发展水平。
 
表1:晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池发展水平的比较
种类
材料
太阳能电池转换率
太阳能电池模块转换率
能量返还时间
优点
缺点
晶硅太阳能电池
单晶硅
14%~24%
10%~17%
2.1年
耐用、转换率高、技术成熟、寿命长
制造能耗高、成本高
多晶硅
11%~17%
9%~12%
2.3年
低成本、制作工艺简单、适合量产
效率低于单晶硅
薄膜太阳能电池
非晶硅
8%~13%
6%~9%
1.6年
成本较低、弱光下也可以工作
目前存在光致衰减问题
碲化镉
10%~15%
7%~10%
 
效率高、成本较单晶硅低、易于规模化生产
原材料镉有剧毒
铜铟硒
10%~12%
8%~10%
≤0.5年
价格低廉、性能良好、工艺简单
原材料来源比较有限
资料来源:信息产业部电子科学委员会(2008),其中,部分数据已根据最新研发进展作了修正

2.2 太阳能电池技术发展趋势

目前商业化应用的太阳能电池仍然以晶体硅电池为主流,而且单晶硅太阳能电池的转换率其实验室水平越来越接近极限转换率28%,多晶硅电池的转换率的实验室水平也达到20.4%,但是其生产成本仍然是其最大的障碍。自1970年代开始,多种类型的薄膜电池得到重视,如CuInSe(CIS)、CdTe薄膜、非晶硅(a-Si)薄膜和有机薄膜等。Gartner预测,薄膜电池正处于所谓的“期望膨胀期(Peak of Inflated Expectation)”,今后2~5 年内,薄膜太阳能电池将成为主流。另外,日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)也预测在未来的十年间薄膜太阳能电池将逐渐代替晶硅太阳能电池而成为主流(图1)。

图1:不同类型太阳能电池的生命曲线图

资料来源: NEDO(转引自“大和總研太陽能產業簡報資料060925”),根据Sharp的预测做了微调。

另外,利用专利分析可以发现太阳能电池技术热点的动态迁移趋势。图2以2001年为界线,将太阳能电池技术分为两个时间段。近期专利数量(蓝色)占专利总量的56%,再以56%为基准线,超过基准线代表近期技术热点向该技术转移。图2显示,染料敏化、有机材料、基板、电极、化合物薄膜、化合物结晶等技术是近期的技术热点,这是制定太阳能电池产业战略时必须重点关注的动向。
 
图2:太阳能电池技术热点变迁
 
资料来源:应用专利分析软件自行编制

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