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太阳能行业近期发展状况

   发布日期:2008-08-01 来源:网络 作者:网络 阅读: [ 字体选择: ]    
   晶体硅电池仍为主流市场
    晶体硅电池,包括单晶硅(sc-Si)电池、多晶硅(mc-Si)电池两种,它们占据约93%的市场份额;薄膜电池,主要包括非晶体硅太阳能电池、硒光太阳能电池、化合物(砷化镓GaAs、硫化镉CdS、硒铟铜CuInSe、碲化镉CdTe、铜铟镓硒CIGS)太阳能电池,有机半导体太阳能电池等,这类电池占据7%的市场份额。
    太阳能市场巨大
    据世界能源组织(IEA)、欧洲联合研究中心、欧洲光伏工业协会预测,2020年世界光伏发电将占总电力的1%,到2040年光伏发电将占全球发电量的20%,按此推算未来数十年,全球光伏产业的增长率将高达25%-30%。可以预言,在21世纪中叶,太阳能光伏发电成为人类的基础能源之一,在世界能源构成中占有一定的地位。
    多晶硅生产技术不断发展和完善
    改良西门子法技术的不断完善与发展,使原辅材料及能耗大为降低,产品成本也随之降低,每公斤多晶硅成本为20~25美元。新硅烷法技术不断取得进展,除保证多晶硅的纯度较高的特点外,直径也从原来的不足100mm增大至140mm,晶粒多晶硅已规模生产,产能达2700t/a。多晶硅生产均采用闭路循环工艺流程,使副产物得以合理、充分的利用。
    多晶硅供应日趋紧张
    目前全球太阳能生产为1GW,预计2010年将达到4.6GW。目前太阳能电池的生产主要以晶体硅太阳能电池为主,占其世界总产量的83.8%,世界各国政府对太阳能发电充满了浓厚兴趣,制定了"新阳光计划"或"太阳能百万屋顶计划",阳光工程将促进太阳能电池硅片及多晶硅的用量大幅增加。
    太阳能利用方式
    世界太阳能资源在地球表面有820万亿MW辐射功率,81万亿MW照射到人类聚居的地区,这是可以真正可以利用的太阳能资源。
    中国地处温带和亚热带,具有比较丰富的太阳能资源。除四川盆地及其毗邻地区,中国绝大部分地区的太阳能资源都相当于或超过外国同纬度的地区。约占全国总面积的2/3以上地区,具有利用太阳能的良好条件。
    太阳能主要发生在光-热、光-电、光-化学、光-生物质等几种转换方式。太阳能光-热转换主要采用太阳集热器来实现。主要分为平板集热器、真空管集热器和聚焦集热器等三类。太阳能光-电转换主要采用太阳能电池来实现。太阳能电池是一种可以把光能直接转换为电能的半导体器件。目前常用的半导体材料多为单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜,此外还有硫化镉、砷化镓等。太阳能光-化学转换主要通过可逆的化学反应来实现太阳能转换成化学能的过程。由于吸热或放热可逆的化学反应所需要的温度较高,所以也可以用于太阳能热发电,未来利用太阳能制氢作为无污染的稳定能源,也是十分可取的。
    太阳能的热利用:低温热利用有塑料大棚,玻璃温室,太阳能游泳池,热水器等。中温热利用有致冷器,用于空调、制冰,开水器,消毒器,太阳灶等。高温热利用有焊接机,高温炉。
    太阳能直接电利用就是太阳能电池,用于电子手表,电子仪器,人造地球卫星,太阳能动力卫星站,太阳能光伏发电站。
间接电利用就是太阳能热发电站。
    太阳能电池的主要优点是:光能转换为电能,而电能的应用面最广和最方便,工作寿命长,结构简单而紧凑,比功率高,运行方便可靠,不需运行和维修费用。主要缺点是:效率较低,每平方米太阳能电池所发出的功率约为100W,因而需要大面积的太阳能电池阵列,初始投资高,当无阳光而仍要求用电时,需配备蓄电池。
    同一种半导体材料制成的PN结太阳能电池,理论效率不超过30%,而采用不同禁带宽度的材料制成多个PN结的太阳能电池,理论效率可高达不超过60%以上。
    太阳能光电转换电池主要分为两类,一类是晶体硅电池,包括单晶硅(sc-Si)电池、多晶硅(mc-Si)电池两种,它们占据约93%的市场份额;另一类是薄膜电池,主要包括非晶体硅(a-Si,使用的是硅,但以不同的形态表现)太阳能电池、硒光太阳能电池、化合物(砷化镓GaAs、硫化镉CdS、硒铟铜CuInSe、碲化镉CdTe、铜铟镓硒CIGS)太阳能电池,有机半导体太阳能电池等,这类电池占据7%的市场份额。
    利用太阳能电池的光伏发电系统一般由太阳能电池方阵及支架、蓄电池、控制器、逆变器等部分组成。太阳能电池组件是最小的、可直接供电的单元,组件功率一般为几十至几百瓦不等。许多组件进行串、并联可组成太阳能电池方阵,目前电池方阵功率超过10千瓦,面积大于100平方米。数百个太阳能电池方阵串、并联,构成10MW以上的光伏电站。
    目前,太阳能电池基本上以高纯度硅料作为主要原材料,简称硅基太阳能电池。硅基太阳能电池又分为晶体硅太阳能电池与非晶硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池一直是主流产品,其中多晶硅太阳能电池自1998年开始成为世界光伏市场的主角。但是由于晶体硅太阳能电池所需的原材料高纯多晶硅价格飙升,制造晶体硅类太阳能电池能耗大,要大幅度地降低太阳电池的制造成本,还必须发展非晶硅太阳能电池。晶体硅与非晶硅太阳能电池及其产品的优缺点见下表1:
    从上表可以看出,非晶硅太阳能电池虽然在转换效率方面略逊于晶体硅太阳能电池,但制造成本低廉、能耗小是晶体硅太阳能电池不能比的。
    非晶硅太阳能电池特点是节省硅材料,厚约1μm的非晶硅薄膜,可吸收阳光中的大部分可见光,对可见光灵敏。制造玻璃硅的能耗小,设备比较简单。容易制成联式复合结薄膜太阳能电池,以提高效率。易于形成连续的大规模生产线。非晶硅太阳能电池效率已达14.6%。目前面积大于1平方米,光电转换接近9%的大型非晶硅太阳能组件已研制出来。非晶硅太阳能电池的自然衰降率与电池的材料、工艺和结构有关,呈现指数型衰降,第一年效率约衰降10%-20%不等,以后逐年减少。克服或者减少非晶硅太阳能电池的自然衰降,是世界光伏器件领域一个亟待解决的难题。
    单晶硅太阳能电池是目前最成熟、最稳定、最可靠、应用最广的太阳能电池。从冶金硅制备到多晶硅,用直拉法和区熔法都可以得到纯度较高的单晶硅锭。单晶硅太阳能电池的理论效率高于25%。
    多晶硅太阳能电池的大量采用是因为拉制单晶硅需要消耗大量能源以及昂贵的高纯石英坩锅。薄膜多晶硅太阳能电池效率已大于10%。铸锭多晶硅太阳能电池用石墨坩锅把熔融硅定向冷却获得多晶硅锭,铸锭多晶硅太阳能电池效率已达17-18%。
与拉制单晶硅相比,铸锭多晶硅生产周期短、产量大、价格低。片状多晶硅太阳能电池是用滴转法制成的,效率已突破10%。带状多晶硅太阳能电池是直接从硅液中拉出多晶带作为电池的基体材料,然后用激光切割成方形太阳能电池基片。带状多晶硅常称为半晶硅,平均效率已突破10%,采用硅筒法带状多晶硅太阳能电池效率已达到12-15%,具备产业化条件。
    化合物半导体(砷化镓、硫化镉、硒铟铜、碲化镉)太阳能电池,既可以制成高效或超高效太阳能电池,又可制成低成本大面积薄膜太阳能电池。目前,世界上光电转换效率最高的是化合物半导体太阳能电池,如砷化镓太阳能电池效率为24-28%,或者是化合物作为重要成分的太阳能电池,如砷化镓和硅叠合聚光太阳能电池效率为32-37%,薄膜硒铟铜/非晶硅太阳能电池效率为14-17%。
    非晶硅太阳能电池工艺流程图比较如下:硅矿-采矿-硅矿石-提纯-冶金级硅($1.7/kg)-硅烷气体-玻璃镀膜-非晶硅电池。
    单晶硅太阳能电池工艺流程图比较如下:硅矿-采矿-硅矿石-提纯-冶金级硅($1.7/kg)-西门子法($25-35/kg)、硫化床法($15-25/kg)、冶金法($5-15/kg)、其他方法-提纯-多晶硅-区域熔化提纯法、直拉单晶硅-单晶硅棒-切片-单晶硅片-单晶硅电池。
    非晶硅与晶体硅太阳能电池工艺流程图比较如下:硅矿-采矿-硅矿石-提纯-冶金级硅($1.7/kg)-西门子法($25-35/kg)、硫化床法($15-25/kg)、冶金法($5-15/kg)、其他方法-提纯-多晶硅-铸造法-多晶硅碇锭-切片-多晶硅片-多晶硅电池。
    太阳能生产状况
    21世纪世界能源将发生巨大变革,由以资源有限、污染严重的化石能源为主的能源结构,逐步转变为以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的多样化、复合型的能源结构。
    太阳能光伏发电被誉为世界十种能源中发展最快的能源,国际光伏工业在80年代-90年代中期,年平均年增长率为15%左右。90年代后期,世界市场出现了供不应求的局面,发展更加迅速。1997年世界太阳电池光伏组件生产达122MWp,比1996年增长了38%,是4年前的2倍,是7年前的3倍,超过集成电路工业发展速度,超出光伏界专家最乐观的估计。1998年光伏组件生产达到157.4MWp,市场份额为晶硅电池87%,非晶硅电池12%,CdTe电池1%。光伏发电累计总装机容量达到800MWp。
    太阳能电池主要生产国和地区及全球太阳电池产量的变化见表3,2006年全球太阳能电池产量几乎是2001年太阳能电池产量的7倍,2006年太阳能电池产量2,500MW较2005年增长40%,高速增长态势不变。
    由补充能源逐步向替代能源过渡,世界各国都在制定光伏产业的市场发展规划,除政府计划外,世界各大公司也纷纷制定扩大规模的计划,在今后10年,光伏组件的生产将以每年30%以上甚至更高的递增速度发展,在应用范围上,将逐步由作为边远地区农村的补充能源,向全社会替代能源过渡。
    据世界能源组织(IEA)、欧洲联合研究中心、欧洲光伏工业协会预测,2020年世界光伏发电将占总电力的1%,到2040年光伏发电将占全球发电量的20%,按此推算未来数十年,全球光伏产业的增长率将高达25%-30%。
可以预言,在21世纪中叶,太阳能光伏发电成为人类的基础能源之一,在世界能源构成占有一定的地位。
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