光伏发电与太阳能产业.doc

光伏发电与太阳能产业传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。我国地处北半球，南北距离和东西距离都在5000公里以上。在我国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。大多数地区年平均日辐射量在每平方米千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米千瓦时。年日照时数大于2000小时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多,因而有巨大的开发潜能。因此，如何发展中国的太阳能产业，成为了中国能源问题的当务之急。一光伏发电的原理光伏发电的基本原理是利用了光生伏特效应（Photo Voltage Effect）。光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。当PN结两端没有外加电场时，在PN结势垒区内仍然存在着内建结电场，其方向是从N区指向P区，当光照射到结区时，光照产生的电子空穴对在结电场作用下，电子推向N区，空穴推向P区；电子在N区积累和空穴在P区积累使PN结两边的电位发生变化，PN结两端出现一个因光照而产生的电动势，这一现象称为光生伏特效应。光电池(photocell)与外电路的连接方式有两种：一种是把PN结的两端通过外导线短接，形成流过外电路的电流，这电流称为光电池的输出短路电流(IL)，其大小与光强成正比；另一种是开路电压输出，开路电压与光照度之间呈非线性关系；光照度大于一定值时呈现饱和特性。因此使用时应根据需要选用工作状态。如今，太阳能电池以材料区分，有晶硅电池，非晶硅薄膜电池，铜钢硒（CIS）电池，磅化镐（CdTe）电池，砷化稼电他等，而以晶硅电池为主导，由于硅是地球上储量第二大元素，作为半导体材料，人们对它研究得最多、技术最成熟，而且晶硅性能稳定、无毒，因此成为太阳电池研究开发、生产和应用中的主体材料。晶硅电池还分为单晶硅电池和多晶硅电池：高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素，形成p型硅半导体；掺入微量的第VA族元素，形成n型和p型半导体结合在一起，就可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能。在开发能源方面是一种很有前途的材料。 多晶硅，它具有金刚石晶格，晶体硬而脆，具有金属光泽，能导电，但导电率不及金属，且随温度升高而增加，具有半导体性质。晶态硅的熔点1410C,沸点2355C,密无定形硅是一种黑灰色的粉末。多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅可作拉制单晶硅的原料，多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如，在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。在化学活性方面，两者的差异极小。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率晶硅材料的制造：单晶硅材料 单晶硅材料制造要经过如下过程：石英砂冶金级硅提纯和精炼沉积多晶硅锭单晶硅硅片切割。 硅主要以siO2形式存在于石英和砂子中。它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成。该过程能量消耗很高，约为14kwhkg，因此硅的生产通常在水电过剩的地方（挪威，加拿大等地）进行。这样被还原出来的硅的纯度约98一99，称为冶金级硅（MGSi）。大部分冶金级硅用于制铁和制铝工业。目前全世界冶金级硅的产量约为50万吨年。半导体工业用硅占硅总量的很小一部分，而且必须进行高度提纯。电子级硅的杂质含量约10-10以下。典型的半导体级硅的制备过程：粉碎的冶金级硅在硫化床反应器中与HCI气体混合并反应生成三氯氢硅和氢气，Si3HCISiHC13H2。由于SiHC13在30以下是液体，因此很容易与氢气分离。接着，通过精馏使SiHC13与其它氯化物分离，经过精馏的SiHCl3，其杂质水平可低于10-10的电子级硅要求。提纯后的SiHC13通过CVD原理制备出多晶硅锭。 基于同样原理可开发出另一种提纯方法，即在硫化床反应器中，用Si烷在很小的Si球表面上原位沉积出Si。此法沉积出的Si粉末颗粒只有十分之几毫米，可用作CZ直拉单晶的投炉料或直接制造Si带。 拉制单晶有CZ法（坩埚拉制）和区熔法两种。CZ法因使用石英坩埚而不可避免地引入一定量的氧，对大多数半导体器件来说影响不大，但对高效太阳电池，氧沉淀物是复合中心，从而降低材料少子寿命。区熔法可以获得高纯无缺陷单晶。常规采用内圆切割（ID）法将硅锭切成硅片，该过程有50的硅材料损耗，成本昂贵。现在已经开发出多线切割法，可以切出很薄（100Pm）的硅片，切割损失小（30），硅片表面切割损伤轻，有利于提高电池效率，切割成本低。多晶硅材料：浇铸多晶硅技术是降低成本的重要途径之一，该技术省去了昂贵的单晶拉制过程，也能用较低纯度的硅作投炉料，材料及电能消耗方面都较省。 多晶硅材料铸锭工艺主要有定向凝固法和浇铸法两种。定向凝固法是将硅料放在柑塌中加以熔融，然后将柑塌从热场中逐渐下降或从增蜗底部通上冷源以造成一定的温度梯度，使固液界面从柑蜗底部向上移动而形成晶锭。定向凝固法中有一种称为热交换法（HEM），在柑祸底部通入气体冷源来形成温度梯度。浇铸法是将熔化后的硅液从增祸中倒入另一模具中凝固以形成晶锭，铸出硅锭呈方形，切成的硅片一般尺寸为10cm×l0cm，平均晶粒尺寸从毫米到厘米。 铸锭法中需要解决的主要问题是：（1）盛硅容器的材质。国为硅熔体冷凝时会牢固地粘附在柑祸的内壁，若两者的膨胀系数不同，硅固化时体积增加9，会使硅锭产生裂纹或破碎。此外，熔化硅几乎能与所有材料起化学反应，因而柑祸对硅料的污染必须控制在太阳级硅所允许的限度以内。（2）晶体结构。用调整热场等方法控制晶体结构，以生长出大小适当（数毫米）的具有单向性的晶粒，并尽量减少晶体中的缺陷，这样才有可能制成效率较高的电池。 近年来，铸锭工艺主要朝大锭的方向发展。技术先进的公司生产的铸锭多在55cm×55cm（锭重150kJ左右，目前65cm×65cm（锭重230kJ的方形硅锭也已被铸出，铸锭时间在3一43h范围，切片前硅材料的实收率可达到838。大型铸锭炉多采用中频加热，以适应大形硅锭及工业化规模。与此同时，硅锭质量也得到明显的改进，经过工艺优化和柑蜗材质改进，使缺陷及杂质、氧、碳含量减少。在晶体生长中固液界面的形状会影响晶粒结构的均匀性与材料的电性能，一般而言，水平形状的固液界面较好。由于硅锭整体质量的提高，使硅锭的可利用率得到明显提高。 由于铸锭中采用低成本的柑祸及脱模涂料，对硅锭的材质仍会造成影响。近年来电磁法（EMC）被用来进行铸锭试验，方法是投炉硅料从上部连续加到熔融硅处，而熔融硅与无底的冷柑涡通过电磁力保持接触，同时固化的硅被连续地向下拉。冷增涡用水冷的铜涡来形成。目前该工艺已铸出截面为220mm×220mm的长硅锭，铸锭的材质纯度比常规硅锭高。生产性的铸锭炉已铸造出500kg的硅锭，锭的截面为350mm×350mm，22m长，固化率为1mmmin。固化及冷却时所产生的热应力是影响硅锭质量的主要参数，应不断优化和改进。该法能否正式进入工业化生产仍在实验评估中。二太阳能产业的现状既然世界上都在努力发展太阳能产业，那它究竟能为我们带来什么呢？就拿园博园电站来看，按照目前我国火电厂的煤耗，电站每年可节省标准煤约384吨，减少粉尘排放约48吨，减少灰渣排放约101吨，减少二氧化碳排放约170吨，减少二氧化硫排放约768吨，是真正的无污染绿色能源。从社会效益看，这种电站将建筑物与光伏集成并网发电，不需占用昂贵的土地，施工周期短、成本低，不需能量储存设备，在用电地发电避免和减少了输配电损失，运行、维护简单，好的集成设计能使建筑物更加洁净、美观，容易被建筑师、用户和公众接受。在太阳能的利用方面，中国具有着得天独厚的优势，地域广，光照资源丰富。我国房屋总建筑面积400亿平方米，其中城市房屋131亿平方米，81.8亿平方米为住宅面积，农村住宅面积大约是城镇的2倍，160亿平方米；城镇住宅按照平均10层楼计算，屋顶可利用面积8亿平方米，农村住宅按照平均5层楼计算，则屋顶可利用面积32亿平方米，合计40亿平方米。如果20%安装太阳能电池就会有80GWp，约占2002年全国装机1/4；按照全年满功率发电1500小时计，总年发电量约120TWh，约占全国7.3% (2002年全国总发电量1650TWh)。如果2020年全国30GWp太阳能电池全部安装在城乡屋顶，则占用面积仅为城乡屋顶总面积的7.5%。我国目前尚有约28000个村庄，700万户, 3000万农村人口还没有用上电, 60%的有电县严重缺电, 光伏市场潜力巨大。2010年以前，中国政府将通过光伏发电重点解决边远无电地区人民的用电问题，光伏发电在农村和牧区的应用将保持目前的50%左右；通讯及工业用光伏发电的市场分额将从目前的30%40%下降到20%以下；预计到2005年之后，中国也将开始大规模兴建并网屋顶光伏系统和沙漠电站，其市场份额将从2003年的4%上升到2010年的20%和2020年的60%。我国太阳能光伏发电技术产业化及市场发展经过近20年的努力，已经奠定良好的基础。但在总体水平上我国同世界上的发达国家相比还有很大差距。 第一生产规模小。目前国内大部份单晶硅电池生产厂基本上保持在19861990年引进时的规模和水平。各厂家在引进时标称生产能力为IMW年，但在不同的工艺环节上都存在着“瓶颈”，实际生产能力都在05MW年左右，所以我国太阳电池总的实际生产能力不高， 1998年我国太阳电他的产量为2MW，约占世界产量的13。生产的规模化程度比国外520MW生产规模低一个数量级。目前各厂都在努力扩大生产能力，可望在12年内将各厂的实际生产能力扩大。多晶硅电池有利于进一步降低成本，目前我国还是空白。 第二技术水平较低。我国太阳电池的效率较低，平均在1417；组件封装水平低，工程现场证明，部分产品大约35年就出现发黄、起泡、焊线脱落、效率下降等问题，近几年产品质量有提高，但同国外仍有一定差距。 在光伏产业链中，上游高纯度硅料生产企业完全可以拥硅为王。从投资角度来看，一个1000吨左右的多晶硅生产线，就如同一个中型的现代石化公司，不仅工程设计复杂，耗电量高(年产千吨多晶硅的生产线需要的供电装机容量为9.8万kw，年总用电量为2.5亿千瓦时)，而且在国内的总投资更是高达10亿元，而1000吨/年目前也是全球公认的高纯度硅料生产的最小经济规模。更为重要的是，进入这一产业最重要的门槛并不是资本，而是技术。第三专用原材料国产化程度不高。专用材料如银浆、封装玻璃、EVA等尚未完全实现国产化，而且性能有待进一步改进，各厂家部分材料仍然采用进口品。 在全球光伏产业链中，高纯度硅料(纯度在99.9999%以上)是光伏企业生产太阳能电池所需要的核心原料。因此，高纯度硅料的开采、提炼和生产也就成为光伏产业集群中最上游的产业。事实上，在各国新能源政策的合力推动下，光伏产业近5年的迅猛发展已导致满足太阳能级硅料呈现出供不应求的局面，其市场价格2003年每公斤24美元，2004年涨到32美元，2005年底更是蹿升至80美元左右，现在甚至有人愿意以 200美元/公斤的价格囤积，因为市场价已突破100美元/公斤。当前太阳能电池厂家广泛采用的原料是多晶硅。多晶硅由硅纯度较低的冶金级硅提炼而来，迄今为止，这种提炼技术还掌握在发达国家的少数企业手中。而国内最高提炼水平只能达到99.5%，离99.9999%还需要很多的技术。近年来，世界多晶硅材料的主要生产厂家的生产规模都在千吨级经济规模以上，多晶硅生产高度集中于日、美、德3国，主要生产商生产状况如表所示。 世界多晶硅各主要生产厂家的生产状况 （单位：吨/年）公司2002年2003年2004年（估）产能产量用途产能产量用途产能产量用途半导体太阳能电池半导体太阳能电池半导体太阳能电池德山（日）480036002600100048004000300010004800440032001200三菱材料（日）160014001200200160014001200200160016001400200住友钛（日）700700700070070070007007007000三菱多晶硅（美）1200100090010012001000900100120011001000100赫姆洛克（美）610051003100200061005300330020006100570037002000AsiMI（美）24001900190002400210021000240024002300100SGS（美）2000150015020001900019002000200002000瓦克多晶硅（德）420040002500150042004200260016005000460028001800MEMC帕萨蒂纳（美）270015001500027001500150002700150015000MEMC（意）100010001000010001000100001000100010000合计267002035015400495026700231001630068002750025000176007400第四成本高。目前我国电池组件成本约2628元wp，高于国外产品。三 中国太阳能产业的前景我国是目前唯一一个具有生产多晶硅基础技术的发展中国家，我国老一代工程技术人员从上世纪60年代就开始建立了我国开发、制造多晶硅的工业基础，也基本掌握了西门子法生产多晶硅的工艺技术，在过去的几十年里为我国电子工业的发展提供过大量的合格多晶硅原料。值得指出的是，在过去的几十年里，我国在多晶硅的工艺技术研究方面几乎没有任何的投入，致使我国多晶硅的制备技术始终停留在不算太高的水平上，与国际先进水平有一定差距。但是，由于全球多晶硅市场需求旺盛，有统计资料显示，到2010年，全球多晶硅的需求量将比目前增长一倍，达到6万吨以上，这个需求量大约也是目前全球总产量的一倍，所以说现在正是加速发展我国多晶硅产业的最佳时期。如何才能加快我国多晶硅产业的健康有序发展呢？我的建议是：第一，一定要有国家的引导即由国家的政府部门出面来组织协调，把国内从事过多晶硅生产的单位和相关的专业技术人员组织起来，共同研究发展我国多晶硅产业的总体布局、技术路线、工艺方法、环保和综合利用的方案等，发挥集体的智慧，并且还可一致对外寻求必要的技术支持，这样可以克服目前各省各地区盲目上项目、多头谈引进、低水平重复建设的弊病。第二，一定要走多方融资的道路多晶硅项目是一个投资巨大、工艺复杂、建设周期较长、易出环保事故的风险项目，一定要进行精心设计、精心施工、严格管理才可能获得成功。由于它的这些特殊性，尤其是技术风险，所以在该项目的资金筹措上，建议国家出少许引导资金，然后吸收部分愿意投资的从事电子业和光伏业的大公司参股，这样可以规避今后的市场风险。第三，一定要开展自主创新的研究开发工作国家要拿出一定量的创新资金在已有一定基础的四川峨眉半导体厂、乐山新光公司、河南中硅公司开展多晶硅关键技术、综合利用和环境保护方面的研究，走出我国自主开发新工艺、新技术、新设备的路子来，使得我国的多晶硅制造技术在“十一五”期间达到或超过国际先进水平。