太阳能电池行业对锗的需求分析.doc

!-太阳能电池行业对锗的需求现状分析及展望2010-02-23一、太阳能电池行业发展现状 能源是国民经济和社会发展的基础，是人类社会赖以生存和发展的重要物质保障。纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替，能源技术的进步极大地推进了世界经济和社会的发展。能源安全问题始终是国际社会关注的焦点。 近十年来，世界太阳能光伏发电产业和市场在技术进步、严峻的能源替代形势、人类生态环境（地球变暖）压力和世界各国发起的大规模国家光伏发展计划和太阳能屋顶计划的刺激和推动下，世界光伏产业呈20-50%快速发展，光伏产业成为全球发展最快的新兴行业之一。详见欧盟联合研究中心2008年光伏现状报告，图1（1990年-2007年全球太阳能电池产量图）、图2（2006-2012年全球太阳能电池产量及产能增长预测图）。但较高的发电成本及原材料的缺乏制约了其大规模发展。以高转换效率和低电池材料消耗为核心的薄膜光伏技术研究，越来越受到人们的重视，降低光伏发电成本被人们寄予厚望。详见图3（2006-2012年薄膜技术比例快速增长图）。 图1 1990年-2007年全球太阳能电池产量图 图2 2006-2012年全球太阳能电池产量及产能增长预测图图3 2006-2012年薄膜光伏技术比例快速增长图二、高效率太阳能电池技术的发展和现状 自六十年代第一代晶体硅太阳电池研制成功，经过各国光伏工作者的不懈努力，到目前为止，第一代晶体硅太阳电池的实验室效率达到了24.7，大规模生产商用产品的效率为17以上。尽管如此，由于受单晶硅材料价格及繁琐的加工工艺限制，致使单晶硅太阳电池成本居高不下。 自八十年代第二代GaAs、CuInSe2和CdTe等太阳电池也取得了令人瞩目的成就，GaAs 、CuInSe2和CdTe等薄膜电池的实验室效率目前分别为25%、16.5%和18.5，虽然仍有望在效率上进一步突破，但前者稳定性差，后者又较难制作。非晶硅及氢化非晶硅的来源较广，但是转换效率较低且大面积薄膜制作也存在价格高的问题。 自九十年代以来，第三代化合物半导体叠层电池因其高效率、高电压和高温特性好等优点，可实用的转换效率为28%32%，聚光后最高达到42.8%，被广泛应用于空间卫星太阳能电池、国防边远山区雷达站、微波通讯站，在未来光伏发电领域具有现实而广阔的应用潜力。但是锗和砷化镓的材料成本远大于硅电池的材料成本，而电池片的价格是光伏系统成本最主要的部分。因此，高额成本成为制约光伏发电大规模应用的主要障碍。 聚光技术是通过采用廉价的聚光系统将太阳光汇聚到面积很小的高性能光伏电池上，从而大幅度降低电池片的消耗量和光伏发电成本的最有效方案。早在1989年，GaAs/GaSb机械叠层双结太阳电池的效率已达32.6（AM1.5，100-suns）。1995年Fraunhofer ISE和Calibration实验室研制的Ga0.51In0.49P/GaAs整体级联双结太阳电池，效率为31.1（AM1.5，300suns）。2005年5月，美国可再生能源实验室报道其三结太阳电池在10倍聚光条件下的效率为37.9。2005年6月，美国Spectrolab公司报道其多结太阳电池在236倍聚光条件下的效率为39。2006年12月，该项世界纪录被其刷新为40.7，这次突破可使安装成本降至3美元/瓦，发电成本约8-10美分/千瓦时，这在利用太阳光发电方面树立了新的里程碑。2007年6月，该项世界纪录又被刷新，美国特拉华大学和工业界组成的联盟最近宣布已研发出全球光电转换效率最高（42.8%）的太阳能电池，比其他类型太阳能电池高出大约30%，是目前最好的硅太阳能电池的2倍。表1给出了截止到2008年底报道的各种地面应用聚光太阳电池和模块的效率。 表1 2008年底各种地面应用聚光太阳电池和模块效率 分类 效率（%） 面积（cm2） 强度聚光比（suns） 测试中心 （和时间） 单结电池 GaAs 27.81.0 0.203 216 Sandia（08/1988） Si 26.80.8 1.60 96 FhG-ISE(10/1995) Si 27.61.0 1.00 92 FhG-ISE(11/2004) CIGS（薄膜） 21.51.5 0.102 14 NREL(02/2001) 多结电池 GaInP/GaAs/Ge（2端） 34.71.7 0.267 333 NREL(09/2003) GaInP/GaInAs/Ge（2端） 39.32.3 0.378 179 NREL(08/2006) GaInP/GaInAs/Ge（2端） 40.7 236 Spectrolab (12/2006) GaInP/GaInAs/Ge（2端） 42.8 - - 特拉华大学（06/2007） GaInP/GaInAs/Ge（2端） 40.0 - - ISE/RWE（10/2008） 子组件 GaInP/GaAs/Ge 27.01.5 34 10 NREL(05/2000) 组件 Si 20.30.8 1875 80 Sandia(04/1989) 聚光太阳电池、模块的效率成本预测见表2。 表2 聚光太阳电池、模块的效率成本预测 参数 当前成本 （2007） 目标成本 （2015） 安装费用 7-10美元/W <2美元/W 发电成本 >30美分/度 <7美分/度 系统可靠性-IEC质量标准 5年 20年 商业系统效率 17% 29%-36% 一流设备效率 40.7%(-)；26.8%(Si) 48%(-)；28%(Si) 商业设备效率 35%-37%(-)；20%-26%(Si) 42%(-)；22-26%(Si) 光学效率 75%-85% 80%-90% - 电池成本 10-15美元/cm2 3-5美元/cm2 聚光光伏技术如能切实降低成本，并付诸应用，将在世界范围内改变电力的产生方式，进而改变世界的能源结构。 三、全球太阳能电池用锗晶片生产情况及产量预测 锗是典型的稀散金属，是一种极为重要的战略资源，在保障国家安全和国民经济建设中具有重要作用。全世界可供开采的锗资源比较缺乏，已探明的锗资源储量8600吨，我国锗资源储量6100吨居世界第一。 目前，全球太阳能电池用锗晶片最大生产商是比利时优美科(Umicore)公司和美国的AXT公司。现在国际上锗衬底化合物半导体叠层电池生产线均为4英寸生产线。为了降低成本和提高成品率，比利时优美科公司（直拉CZ法）和美国的AXT公司（垂直梯度凝固VGF法）均已研制成功六英寸太阳能电池用锗单晶。未来太阳能锗单晶主流产品也将由4英寸向6英寸转变。 2008年优美科公司销售四英寸太阳能电池用锗晶片约50万片。美国AXT公司2008年销售四英寸太阳能电池用锗晶片约30万片。随着三结太阳能电池技术的高速发展，预计全球高效率太阳能电池用锗晶片未来五年的年增长率将达到30%。为此优美科公司和美国的AXT公司在2008年先后计划扩大生产能力一倍，比利时优美科(Umicore)公司计划年产能力四英寸太阳能电池用锗晶片100万片。美国AXT公司计划年产四英寸太阳能电池用锗晶片60万片。 在中国，云南临沧鑫圆锗业股份有限公司和中科院半导体研究所联合投资成立云南中科鑫圆晶体材料有限公司，重点开发高效率太阳能电池用锗单晶及开盒即用锗晶片，项目一期于2008年底已经建成年产0.5-1.5万片的中试生产线，产品已送国内外客户认证并销售。项目二期计划于2011年底建成年产4英寸太阳能电池用锗晶片30万片生产线。预计未来几年全球太阳能电池用4英寸锗晶片产量以年增长率30%增加，如下表3。 表3 2009-2015年全球太阳能电池用4英寸锗晶片产量/产能预测 2009年 2010年 2011年 2012年 2013年 2014年 2015年 150万片 195万片 253.5万片 329.55万片 428.42万片 556.94万片 724.02万片 10.5吨 13.65吨 17.75吨 23.07吨 29.99吨 38.99吨 50.68吨 四、太阳能电池行业对锗的需求展望 （一）空间的应用 以锗衬底的化合物半导体叠层电池在空间的应用将进一步加强，聚光技术的应用将使未来需求趋于稳定。 第三代化合物半导体叠层电池因其高转换效率、高电压和高温特性好，而越来越被各国运用到空间供电电源中。目前全球在空间供电电源中已超过80%的比例采用了以锗衬底化合物半导体叠层电池。可以预计在未来35年，这一比例还将会提高到95%。但应用聚光光伏技术可以大幅度降低电池芯片的消耗，使空间未来需求将趋于稳定。因地球同步卫星轨道的限制，未来五年人造卫星的发射量将会趋于稳定，每年大致在5060颗左右，根据卫星大小的不同，每颗普通卫星大约需要高效太阳能电池用锗晶片约600015000片，每颗大型卫星的太阳能用锗晶片将达到数万片，空间站的建立及维护所需要的太阳能用锗晶片数量更为巨大。预测2010年达到90采用以锗晶片为基板的三结太阳能电池，2010年后预计以每年近15%的增长，经测算，20102015年空间卫星年需太阳能电池用锗晶片数量见下表4： 表4 2010-2015年空间卫星太阳能电池用锗晶片年需求预测 2010年 2011年 2012年 2013年 2014年 2015年 55.2万片 63.5万片 73.0万片 84.0万片 96.6万片 111.0万片 新浪科技讯 北京时间6月20日消息，近日美国国防部太空安全局向政府要求拨款100亿美元用于筹建宇宙太阳能发电实验卫星计划；而第一步是在10年内发射一颗输出功率为1万千瓦级的小型实验卫星，在外太空做实证研究。根据项目研究报告，如果能建成宇宙太阳能发电站，它一年内采集的太阳能相当于地球上已探明储量的常规能源总和。其计划内容是在轨道空间站装备一个近千米长的太阳能电池板来吸收太阳的能量，将这些能量转化为激光束或微波传递到地面，为美国在全球各地的战场提供电能。 新浪科技讯 北京时间9月17日消息，据美国物理学家组织网报道，日本打算开发一个耗资2万亿日元(约合210亿美元)的太空太阳能工程，该工程将在30年时间里实现以微波或激光的形式，把电从太空传送到日本的大约30万个家庭。据来自日本政府能源经济研究所的消息，该工程将由包括三菱重工业株式会社 (MHI)在内的16家公司的科研人员组成的一个研究组实施，这个科研组的目的是用未来4年时间研发把电传送到地球所需的技术。日本正在筹划的太阳能电站拥有4平方公里的太阳能阵列，该阵列可以产生10亿瓦特的电，根据目前的使用量计算，这足以给东京30万个家庭供电。由于该太阳能阵列位于距离地球大约36000公里的轨道里，因此它不会受到天气状况的影响，能持续产生电能。日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)-让该计划变成现实的第一步是在大约2015年发射一颗装配有太阳能阵列，可以把电发送到地球的卫星。上述项目均已启动地面试验研究，使未来空间需求将大幅增长。 （二）地面光伏市场对太阳能电池用锗晶片有着较大的需求潜力 在各国政府的大力支持下，以及光伏市场的需求和聚光光伏技术迅猛提高的趋势下，高效、低廉、可靠、稳定的聚光光伏发电系统正在逐步走向产业化，太阳能产业的持续发展，对转换效率和成本必将提出更高的要求。而这些要求只能通过第三代太阳能技术来实现。从图3所给出的三代太阳能电池的成本和转换效率区间图可以看出，第三代太阳能电池转换效率最高可以接近60%，而成本只在10美分/瓦到50美分/瓦之间，相当于目前主流技术的1/30到1/6。 图4 三代太阳能电池的成本和转换效率区间对于光伏发电，太阳电池芯片的价格决定了聚光系统中约5055的成本。低电池芯片消耗是推动聚光光伏技术进入光伏市场的最主要动力。国内外许多光伏工作者都对聚光技术使光伏发电成本的降低做了研究，图4给出了聚光太阳电池、薄膜太阳电池以及晶体硅太阳电池发电成本的对比关系。由图4可见，聚光太阳电池在降低光伏发电成本方面具有极大的潜力。 图5 聚光太阳电池、薄膜太阳电池与晶体硅太阳电池发电成本预测对比图聚光光伏发电技术以其高转换效率，低成本等优势在地面光伏发电系统中倍受瞩目。国际著名光伏巨头大公司美国Spectrolab公司、Emcore公司、德国弗朗霍夫太阳能研究所、西班牙Isofoton太阳能公司、澳大利亚GreenandGoldEnergy公司、日本夏普公司、日本能源公司、三菱株式会社 (MHI)、韩国ESSystem公司均已开展聚光太阳能电池地面电站开发建设。 2009年10月7日，欧盟委员会公布了能源研究投资方案，计划在未来十年内将欧盟能源研究预算增加到500亿欧元，以支持资金向低碳技术的转移。这个方案是配合于2007年11月欧盟“战略能源技术计划”（SET-PLAN）而提出的，在这个最终方案里，太阳能将获得160亿欧元投资，主要发展新概念光伏发电。到2020年太阳能发电将占欧盟电力供应的15%。 美国能源部2009年10月投资8700万美元资助太阳能技术研发，重点发展新概念光伏发电。（http:/www.energy.gov/news2009/8115.htm） 按照目前地面太阳能光伏市场发展趋势，锗衬底化合物半导体叠层电池在整个地面光伏市场运用的比例哪怕提高1%，都有可能带来几十万片到百万片的需求量。 据化合物半导体与光电技术2007年5月刊太阳能电力:无限商机的太阳能一文指出，目前非硅技术在地面光伏市场的应用仅为9，在2010年可望达到20。据估计目前在地面光伏市场中，高效三结太阳能电池约占非硅技术的40左右，即目前三结太阳能电池约占地面光伏市场的3.6，2010年有望达到8。按此增长趋势，则20102015年地面光伏市场使用锗晶片的三结太阳能电池发电容量估计如下，见表5： 表5 2010-2015年地面光伏市场锗晶片三结太阳能电池发电容量估计 2010年 2011年 2012年 2013年 2014年 2015年 0.83GW 1.28GW 1.92GW 2.21 GW 2.54GW 2.92GW 按聚光500倍GW级高效三结电池的材料需求测算，则20102015年地面高效太阳能电池用锗晶片需求量估计如下，见表6： 表6 2010-2015年地面高效太阳能电池用锗晶片需求量估计 2010年 2011年 2012年 2013年 2014年 2015年 199.2万片 307.2万片 460.8万片 529.9万片 609.4万片 700.8万片 综上所述，空间和地面20102015年全球高效太阳能电池用锗晶片的估计需求量见表7： 表7 2010-2015年地面高效太阳能电池用锗晶片需求量估计 2010年 2011年 2012年 2013年 2014年 2015年 254.4万片 370.7万片 533.8万片 613.9万片 706万片 811.8万片 比较未来五年的高效率太阳能电池用锗晶片的生产量与需求量可看出，未来五年的锗晶片市场需求旺盛，在除卫星外，暂不考虑其它军事用途的情况下，从2010年起，高效率太阳有电池用锗晶片的生产量只有达到年增产70，才能满足全球的需要。发展高效率太阳能电池用锗晶片具有较好的市场前景。 （三）我国未来五年高效率太阳能电池用锗晶片需求量预测 1、空间人造卫星供电电源用三结太阳能电池用锗晶片需求量预测 据中国航天科技集团公司副总经理马兴瑞曾在中国国际航空航天高峰论坛上透露，“十一五”、“十二五”期间，中国将研制近100颗空间飞行器，包括通信广播卫星、地球资源卫星、返回式卫星、气象卫星、导航卫星和科学试验卫星六大系列。考虑到因卫星研制周期较长的因素，20102015年我国年发射卫星数量大约在1015颗。根据卫星大小的不同，每棵普通卫星大约需要高效太阳能电池用锗晶片约600015000片，每棵大型卫星的太阳能用锗晶片将达到数万片，空间站的建立及维护所需要的太阳能用锗晶片数量更为巨大，预测2010年采用以锗晶片为基板的三结太阳能电池达到90，按年增长率20.0%测算，20102015年国内空间年需太阳能电池用锗晶片见下表8： 表8 2010-2015年国内空间年需太阳能电池用锗晶片估计 2010年 2011年 2012年 2013年 2014年 2015年 10.0万片 12.0万片 14.4万片 17.28万片 20.74万片 24.88万片 2、地面光伏市场用三结太阳能电池用锗晶片需求量预测 根据2007年9月发布的我国可再生能源中长期发展规划，2005年底，我国光伏发电的总装机容量为7万千瓦，到2010年，太阳能发电总容量达到30万千瓦，到2020年达到180万千瓦。2009年3月份，国家财政部和住房和城乡建设部联合出台“太阳能屋顶计划”，对在建筑上安装太阳能发电装置的业主给予20元/瓦不等的财政补贴。财政部目前正在制定“金太阳”工程计划，将采取财政补贴的方式，加快启动国内光伏市场。不仅如此，现在正在制定中的新能源振兴规划中规定，2020年，光伏发电安装量将要达到2000万千瓦，是可再生能源中长期发展规划中规定的180万千万的10倍以上。国家政府不论是从支持力度上还是从规模上都是空前的。国家的频频政策利好会极大地刺激和鼓舞光伏产业，更是成为指引地方政府布局当地产业发展方向的信号。我国20102015年太阳能发电量年按增长率40%估计如下表9： 表9 我国2010-2015年太阳能发电量年增长估计 2010年 2011年 2012年 2013年 2014年 2015年 0.531GW 0.744GW 1.04GW 1.46 GW 2.04 GW 2.86GW 综合各类研究及考虑到以锗晶片作为基板的三结太阳能电池价格较高以及国内企业的承受能力，我国地面光伏市场三结太阳能电池发电量所占比例约为2，按10MW聚光光伏电站系统共需要4英寸锗单晶片2万片，预测所需锗晶片数量如下表10： 表10 2010-2015我国地面光伏市场三结太阳能电池需锗晶片量 2010年 2011年 2012年 2013年 2014年 2015年 21.24万片 29.76万片 41.6万片 58.4万片 81.6万片 114.4万片 综上所述，20102015年我国空间和地面对高效率太阳能电池用锗晶片的需求量预测见表11： 表11 2010-2015年我国空间和地面共需高效率太阳能电池用锗晶片预测 2010年 2011年 2012年 2013年 2014年 2015年 31.24万片 41.76万片 56.0万片 75.68万片 102.34万片 139.28万片 3、中国地面光伏市场快速发展 天津市政府与中国电子科技集团公司、电子十八所投资10亿元人民币注册成立天津蓝天太阳科技有限公司，开展新一代地面高效光伏产品研究开发及生产。目前正在建设一条20MW 500倍聚光光伏系统的生产线，预计2009年底实现生产定型。20MW聚光光伏系统共需要40000片4英寸高效率太阳能电池用锗单晶片。 三安光电股份有限公司（上市公司，目前国内规模最大LED外延及芯片产业化生产基地，是国家发改委批准的“国家高技术产业化示范工程”、国家科技部及信息产业部认定的“半导体照明工程龙头企业”、航天航空部确认的“战略合作伙伴”）与青海省电力公司签署战略合作框架协议，双方决定2009年在青海省境内投资1亿元建设并网型高倍聚光太阳能光伏发电站前期示范项目。争取“十一五”末在青海省太阳能丰富地区建设太阳能电站容量超过百万千瓦，共需要20万片4英寸高效率太阳能电池用锗单晶片。 预计我国今后几年随着国家军事现代化的进程，随着商用科技领域的快速发展。到2012年对4英寸高效率太阳能电池用锗单晶片的需求将达到56万片，到2015年需求将达到140万片。 （四）高效太阳能电池有望在军事装备中得到大面积应用 目前各国锗衬底化合物半导体叠层电池成本较高，主要仍是提供人造卫星使用，地面上主要为国防军工使用。 由美国国防部高级研究计划局（DARPA）资助“超高效率太阳能电池（Very High Efficiency Solar Cell，VHESC）” 项目，是有史以来规模最大的太阳能研究项目，DARPA资助该项目5300万美元。美国特立华大学等二十几个单位组成的超高效太阳能电池开发集团，于2007年研发的20倍聚光太阳能电池用锗单晶片转换效率已突破了42.8%，比其他类型太阳能电池高出大约30%，是目前最好的硅太阳能电池的2倍。 DARPA意在开发实用的便携式太阳能电池充电器，并首先将研究成果应用于高科技军事上。未来士兵们将携带VHESC项目所研发的太阳能电池组，在白天时为无线电、GPS装置、夜视镜和其它设备充电。这些太阳能电池组大小不到现有太阳能电池的1/30，士兵可以将之安装在随身背包的顶端以便在行动时充电，或者固定安装在军事设施的顶部。 这一研究成果也同样适用于大规模商业应用。基于研究的成功，下一阶段DARPA将资助由美国杜邦公司（DuPont）和特拉华大学联合组成的VHESC开发集团，将实验室产品转化为工业制造原型，到2012年实现商业化生产。狮子的博客：http:/blog.sina.com.cn/stormtroop