中国太阳能网 - 中国太阳能网,太阳能行业门户网站 !

商业资讯: 国内动态 | 国际动态 | 新品·专利 | 市场观察 | 企业动态 | 技术交流 | 太阳能建筑 | 访谈 | 热水工程 | 科普知识

你现在的位置: 首页 > 商业资讯 > 太阳能知识 > 绿色淘金热延烧──太阳能电池技术探析

绿色淘金热延烧──太阳能电池技术探析

信息来源:nooeoo.com  时间:2008-12-04  浏览次数:200

  2007年12月,来自产业、学术界、军方和政府机构的一千五百多位代表在日本福冈参加了第17届‘国际太阳光电科学与工程大会’(PVSEC)。与会者对于太阳光电(photovoltaic;PV)技术可为环境和政治上带来的诸多利益深感兴奋。从众多公司涉足太阳光电领域来看,该技术也将为经济方面带来诸多优势。无疑地,太阳光电产业所允诺的无限商机再次振奋了整个半导体产业链。
  太阳光电技术可提供稳定可靠的本土能源,它不受石油产业的制约、维护成本低、模块化且可扩展性高。它是目前唯一可满足全球长期能源需求、而不排放温室气体的技术。事实上,一颗150x150km的太阳能电池数组在理论上已可满足北美的所有能源需求。但太阳光电技术目前仍比采用电力网格的电能昂贵,并缺少合适的负载均衡方案,同时也还需要相当大的空间来产生电能。
  太阳能电池种类
  一般的太阳能电池共有4种类型,其中的前三种都已完全量产。
  ?采用III-V族材料的聚光型多接面太阳能电池是一种直接能隙复合物,它具有最高转换效率(与成本)。它们主要针对卫星和军事应用,而且通常需要轻聚光型光学组件与复杂的追踪系统,以实现40%以上的转换效率。
  ?采用单晶硅(cSi)或多晶硅(mcSi)的块状硅(bulk-silicon)太阳能电池,在某些场合下的转换效率可达22%以上。
  ?薄膜太阳能电池的转换效率大约介于采用非晶硅太阳能电池时的(aSi)10%,以及采用II-VI族材料时的18%之间。这些II-VI族材料包括碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CIGS)等物质。由于采用这种薄膜方式可望为现有制程导入全新或改良的材料,长期看来最有可能大幅降低成本。
  ?最后一类则囊括了各种新技术;例如业已表现出高转换效率的染料敏化薄膜太阳能电池,以及到目前为止转换效率仍低的有机太阳能电池等。
  转换效率
  太阳光电转换效率的最简单定义是:撞击太阳能电池数组上可被转换成可用电流的光子比例。事实上,效率的计算更复杂;只吸收光并产生自由载子是不够的。为了产生可用的能量,电子和电洞载子必须要达到电池的电极。如果由入射光子形成的电子-电洞对在向电极运动的过程中太快重组在一起,那么它们就无法为光电电流带来任何帮助。
  诸多问题均可能降低载子的迁移率(或者增加重组的可能性)。对于单接面电池来说,块状晶硅太阳能电池的问题最少,效率却很高。这是因为流动的载子从其产生的接面流至为其提供负载的电池电极过程较简单:电子-电洞对各自分开,并通过相称的n型(n-type))或p型(p-type)材料。
  多晶硅太阳电池以同样的方式运作;但由于存在晶界问题,导致电子-电洞对的重组现象增加,迁移率与转换效率也降低至与采用CIGS的薄膜电池接近的水平(约15到18%)。
  虽然薄膜电池使用的硅较少(或根本不用),未来还可能以降低成本而提供实现‘太阳能发电成本与购买现有电力成本相同’(grid parity)的最佳途径,但它所具有的转换效率却比块状硅电池更低。虽然采用CIGS的电池在转换效率上接近于多晶硅电池,但采用CIGS的太阳能电池制程比采用块状硅的制程具有更高的变异性。虽然原因目前尚不明朗,但一般均认为对于CuIn3Se5的p型α相位和富含铟的n型β相位进行奈米级隔离控制,可说是形成太阳能电池一致能隙的关键。
  市场展望
  块状硅太阳能电池约占目前全球产能的94%,其中日本和德国拥有最大的占有率。中国正迅速成为全球太阳能生产强国,并可能在未来几年内超越目前占第一的日本。虽然大多数公司主要关注于增加电池和模块生产产能,但许多新进入该领域的公司则希望紧抓住目前市场供需不平所带来的机会。然而,由于缺乏经验和引进新技术所带来的高度风险,因此并非所有新兴公司都能如愿以偿。
  随着许多国家导入了强制收购价格(feed-in tariff)制度(政府承诺以事先约定的价格购买由太阳光电产生能源的一种补贴制度),过去5年来,全球太阳光电产能一直以每年超过50%的速度增长,并预计将持续高速增长。
  太阳光电产业营收从2006年的100亿美元增长到2007年已超过130亿美元;同一时期在产能扩充和研发方面的投入也将近160亿美元。对于许多公司来说,供应链的重要性一直是最深刻的经验教训;电池和模块的持续性和可靠性取决于原始材料的一致性与组成成分。从硅原料到晶圆,全球硅材料的短缺一直冲击着极需硅材料的太阳光电市场,并推动其寻找解决方案的动力,这一努力有时也会带来意想不到的结果。
  对于中国尚德太阳能电力(Suntech Power)公司来说,扩张供应链以满足需求的作法一开始导致了硅采购和质量方面的问题,使得该公司以专有的基底处理制程来解决杂质变异问题。这些制程使得效率提升,并增强了太阳能电池稳定性。
  尽管中国太阳光电产业的发展将使其成为全球太阳能电池和模块供应的主导国,但德国和日本也仍持续迅速地扩张其产能。虽然美国目前尚未成为太阳能电池和模块的供应重镇,但它已宣布计划在2012年时,实现太阳能发电成本与购买现有电力成本并驾齐驱的目标。美国对于探索突破性技术以实现‘grid parity’的目标显现出强烈兴趣。但值得注意的是,美国并未专注于块状硅技术(如Sunpower公司制造具有全球最高转换效率的单晶硅电池,预计将在2008年将带来约12亿美元收入)。
  随着强制收购电价系统的导入,德国太阳光电系统的安装率也更为普及。德国国内的太阳能电池和模块生产每年都成倍增长。德国最主要的太阳能电池制造厂商Q-Cell公司正为德国国内和全球市场提供了块状硅模块。但由于体认到非块状硅技术的重要性后,该公司也透过合并与收购,致力于为各种薄膜太阳光电技术进行投资。
  日本宣称其目标在于成为一个能源独立且能持续自给自足的国家,同时也期望成为全球太阳光电发电领域的主导国。日本所生产的太阳能电池已占全球一半的产量,执全球产能之牛耳。虽然日本主要生产的是块状硅太阳能电池(夏普和三洋是主要供货商),但日本也生产薄膜电池产品,并计划扩充钟渊化学(Kaneka)制造的非晶薄膜电池和壳牌石油(Showa Shell)公司所制造的CIGS太阳能电池产能。
  关注IP议题
  由于业界主要的关注焦点都在增加产能以创造营收,因而目前鲜少顾及知识产权(IP)方面的议题。不过也有一些研究领域展开了研发相关IP的行动,包括改善初始材料以增加迁移率,以及改进接口工程来强化光散射与反射(增加吸收)。同时,也改善了组成薄膜的各层间之附着力,以增加迁移率和转换效率。
  强制收购电价系统和其它形式的补贴已逐年减少,创新技术将以更快速度出现,并因而形成不同技术之间的差异化。届时,这些差异化技术对于一家公司的成功扮演着举举足轻重的作用。
  藉由仔细的评估与研究专利申请,可在某种程度上衡量创新行动与关注焦点;目前最普遍采用的观点是‘专利速度’(patent velocity),或谓IP提交速率。在太阳光电领域,过去十年来大量的薄膜专利申请数目正清楚地说明了薄膜太阳光电技术是一项重要的关注焦点。
  就像半导体产业一样,为了因应新进的财团们为该领域的先驱厂商提出更多挑战,保护并强化一己的竞争优势将是当务之急。
  可以确定的是,几乎每家大型半导体制造商都拥有着某方面的太阳能计划,并正评估充份利用其制造经验和精简资产的相关策略。随着业界厂商们以更稳健的发展蓝图迈向‘grid parity’的目标,并累积IP资产作为后盾,以强化其技术优势,太阳光电产业发展可望更为稳健与巩固。
  同时,太阳光电产业将在未来几年体验蜜月期所带来的各种好处。

    ——本信息真实性未经中国太阳能网证实,仅供您参考