国内外太阳电池和光伏发电的进展与前景

国内外太阳电池和光伏发电的进展与前景
引言
    开发新能源和可再生清洁能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定性影响的五项技术领域之一。充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策，其中阳光发电则最受瞩目。太阳光发电远期将大规模应用，近期可解决特殊应用领域的需要。到2030年光伏发电在世界总发电量中将占到5一20％。太阳电池发电独具许多优点，如安全可靠，无噪声，无污染，能量随处可得，不受地域限制，无需消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建设周期短，规模大小随意，无需架设输电线路，可以方便地与建筑物相结合等。这些优点都是常规发电和其它发电方式所不及的。
1。国际太阳电池和光伏发电的进展                  
    近几年国际上光伏发电快速发展，美国、欧洲及日本制定了庞大的光伏发电发展计划，1997年美国和欧洲相继宣布“百万屋顶光伏计划”，日本1997年补贴“屋顶光伏计划”的经费为9200万美元。美国计划到2010年安装1000～3000MW太阳电池，日本的目标是7600Mw。印度计划1998一2002年太阳电池总产量为150MW，其中2002年为50MW。国际光伏市场开始由边远农村和特殊应用向井网发电和与建筑结合供电的方向发展，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。表：和表2列出了近年来世界太阳电池组件的生产和发货量以及主要国家所占的比例。
                 表1世界太阳电池组件发货量（Mw）

国际上许多发达国家的政府都重视光伏技术的研究与发展，其1996年的经费分配情况见表3。实验室各种太阳电池的最高效率列于表4，但这种高效电池往往是采用高成本的精密工艺来达到的，未必能简单地推广应用到生产上。

国际上目前很难确定那一种太阳电池是最佳选择。虽然目前晶体硅电他销量最大，但大家公认今后薄膜电池最具有潜力；另外，不同电他的特性各不相同，在光伏市场中各有其不同的应用领域，例如非晶硅电池主要应用在商用电子方面，多晶硅电池主要用于光伏屋顶，单晶硅电池主要在高功率应用上。最近几年国际上对多晶硅薄膜电他的研究较活跃，但采用哪种工艺方案较佳，尚难断定。近几年有机纳米太阳电他的效率有较大提高，受到一定的关注。在锗片上用MOCVD法制作砷化铸空间太阳电池取得进展。
美国国家光伏发电计划的总目标是使其在国家的经济中具有明显的作用。1997年光伏计划指标是：2000年光伏发电的电费（井网）达到12一m美分／kWh，光伏发电系统价格为3一7美元／w，组件效率为10一20％。
光伏产品在国际上的四个主要市场：消费性产品（14％）；离开电网的居民供电系统（35％）；离开电网的工业供电系统（33％），井网光伏系统（18％）。
     发达国家近几年来主要开拓的市场是屋顶式并网发电系统。其原因是发达国家的电网分布已很密集，井网发电不用蓄电池，电网峰值用电的电费高，阳光好的地区采用光伏发电的电价已接近商品电价（估计在2000年到2005年进入成本合算期），人们预测10年后屋顶井网发电系统将大规模推广应用。
     井网光伏发电系统应用始于80年代初，美国、日本、德国、意大利都为此作出了努力，当时建造的都是较大型的光伏井网电站，规模从100kw到IMW不等，而且都是政府投资建设的试验性电站。但试验结果并不十分理想，由于当时太阳电池很贵，很难让电力公司接受。
    自90年代以来，国外发达国家重新掀起了发展井网光伏系统的高潮，这次的努力不是建造大型井网光伏电站，而是发展屋顶光伏井网系统，屋顶井网光伏系统充分利用了阳光的分散性特点，将太阳电池安装在现成的屋顶上，其灵活性和经济性都大大优于大型并网光伏电站，受到了各国的重视。
    1993年，德国首先开始实施由政府投资支持，被电力公司认可的1000屋顶计划，继而扩展为2000屋顶计划，现在实际建成的屋顶光伏并网系统已经超过5000。这些屋顶井网系统均不带蓄电池，属于不可派送的发电系统，电力公司对光伏并网系统发出的电予以收购，大大刺激了这一领域的商业性发展和技术上的完善。德国政府于1999年：月开始实施10万太阳能屋顶（每户约3kW一5kW）计划，今后几年内需要300MW一500MW太阳电池。1999年先推广6000套，共18Mw，政府给用户37．5％的补助及10年的无息货款。由此可以看出德国政府在推广光伏屋顶系统上的决心。
     日本在光伏发电与建筑结合方面已经有十几年的努力，尤其在1996年以后更是突飞猛进，每年新建的光伏屋顶达几万套。日本光伏屋顶的发展有一个特点，他们将太阳电他组件制作成建筑材料的形式，如瓦和玻璃等，这样太阳电池就很容易安装在建筑物上，也很容易被建筑公司接受。
     80年代初，美国就已经开始了井网光伏发电的努力，制定了PVUSA计划，即光伏电力规模的应用计划，主要是建立100kW以上的大型井网光伏发电系统，最大的系统计划达10MW，但是由于成本高，电力不可调度，不受电力公司欢迎。
     1996年，在美国能源部的支持下，又开始了一项称为“光伏建筑物计划（PV一BONUS）”，计划投资20亿美元。美国目前电力的2／3用于包括为民用住宅在内的各类建筑物供电，该计划的目标是采用光伏发电缓解建筑物的峰值负荷，并探求未来清洁的建筑物供电途径。此项计划将有助于开发新型的光伏建筑材料，包括玻璃、天窗、墙体等，有助于开发光伏屋顶模块和可由电力部门很容易安装的光伏调峰电力模块等。计划分为三步实施：概念开发，产品开发和市场开发。这项计划的内容很丰富，其中典型的开发项目包括：
    （1）DsM系统（按需求安排发电的系统），即带有蓄电他的电力可以调度的光伏发电系统。这种井网系统在今后囚年内仅在美国国内就会有300MW的市场。目前这种系统的发电成本为40美分／kWh，而美国某些地区的峰值电价已高达20一30美分／kwh（一般冬季电价为3一4美分／kWh，夏季7一8美分／kwh）。估计不久这类调峰系统即可进入市场。
    （2）太阳热水器和非晶硅太阳电池联合构成的光伏、光热系统，可以为用户同时提供电力和热水。由于非晶硅太阳电池不象晶体硅太阳电池那样，当温度升高后输出功率会降低，所以特别适合于这种系统。
    （3）光伏屋顶建筑材料（柔性的和非柔性的），如透明光伏玻璃，聚光电池供电、供水系统，光伏墙体，光伏智能窗帘等。
     1997年，美国总统宣布了百万屋顶计划，即到2010年美国将在美国国内建造100万座太阳能屋顶，包括供热和供电。这一计划有3个目的：  （1）计划完成后每年减排的二氧化碳相当于850000辆汽车的排放量；（2）可以增加70000个高技术就业机会；（3）通过这一计划，将大大加强美国光伏工业在世界上的领先地位和竞争实力。
     其它一些发达国家也都有类似的光伏屋顶井网发电项目或计划，如荷兰、瑞士、芬兰、奥地利、英国、加拿大等。
     除了光伏屋顶系统，国外发达国家还在其它光伏应用方面也作了大量工作，主要有：
    （i）风光柴互补发电系统：为了进一步降低可再生能源的发电成本，国外在风光柴混合发电系统上作了大量的示范工作和经济对比。NRE1。还开发了混合发电系统的优化软件，它可用于根据当地资源设计最合理最经济的供电方案。
    （2）未来与汽车配套的发电系统：光伏发电系统在汽车行业有很大的潜在市场，国外已经开发出较成功的可以为电动汽车蓄电池充电的太阳能快速充电系统，太阳能汽车空调板，太阳能汽车换气扇，太阳能空调和冷饮箱等。
    （3）太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统：芬兰的NAPs已经完成这一发电系统的示范。太阳电池将太阳能转变成电能，通过电解他电解水，产生氢气和氧气，氧气排放到空气中，氢气储存到储氢罐中。使用时氢气再与空气中的氧气通过燃料电池发电，氢气和氧气在发电过程中又化合成水。该系统属于最清洁的再生能源发电系统，在未来具有巨大的市场，尤其对于冬夏太阳能辐射差异很大，采用蓄电池极不经济的高纬度地区，通过这种办法利用太阳能将会十分有效，此外，随着电动汽车的发展，这一发电系统也会变得更为重要。
    （4）再生能源海岛供电系统：海岛是一个特殊的环境，由于其淡水的缺乏，燃料的昂贵，使得可再生能源有了用武之地。国外已经对海岛上应用风光柴混合发电系统作了大量示范，为海岛供应电力和淡水。此外，由于岛上渔民需要用冰来储存和运送新鲜的鱼虾，海岛的可再生能源制冰系统也得到了推广。
    （5）太阳能发电专用直流负载：为了提高光伏发电系统效率，减少故障环节，国外开发了许多不需要采用逆变器、可以直接由太阳电池和蓄电池供电的直流负载，包括直流电视机、直流电冰箱、直流空调等，这类专
用负载特别适合于车辆、船只和流动性的单位，如旅游团、地质队、部队等。
2．中国太阳电池和光伏发电的进展
    我国于1958年开始太阳电池的研究，1971年成功地首次应用于我国发射的第二颗卫星上，1973年开始地面应用。1979年开始用半导体工业的次品硅生产单晶硅太阳龟池，使太阳电池成本明显下降，打开了地面应用的市场。当时太阳电池面积小，采用真空蒸镀银铝的方法制作太阳电他的电极。80年代中期，引进国外太阳电池生产线或关键设备，使我国太阳电池生产能力达到4.5MW。单晶硅太阳电池采用攀网印刷工艺制作电极，明显地提高了生产效率。
    我国进行光伏研究与开发的单位约有38个。目前正在研究的项目包括：实用单晶硅太阳电池，高效单晶硅太阳电池，多晶硅太阳电池，非晶硅太阳电池，砷化嫁太阳电池，空间用的硅太阳电池及其系统，铜钢锡及硫化镐化合物薄膜太阳电池；硅聚光太阳电池系统；光伏系统应用方面有：水泵、逆变器、控制器、太阳能灯等。对一些太阳电池专用材料国产化也开展了研究。
2．1太阳电池与材料的研究
    
我国太阳电池达到的最高效率列于表5。
    在多晶硅太阳电池方面，发展了单向凝固法铸锭，铸锭重15kg，尺寸为220mmX2201nmX140mm，铸锭用的石墨柑涡或方形石英柑蜗，可重复使用。
在实用型电池工艺方面，研究采用在丝网印刷工艺中加入具有钝化作用的氧化膜方法，来提高电池性能，建立了一条30cmX30cm的非晶硅太阳电池中试线及一条20cmX20cm的科研线，所有设备均为国产。
开发的p．i一n非晶硅单结太阳电池，组件的稳定效率达到6％。除了使用玻璃作基片的常规非晶硅太阳电池，主耐温塑料片上制作的柔性非晶硅太阳电池也已开发成功。
    近期高效太阳电池的研究相当活跃。发射极钝化的硅太阳电池最高效率达到19．79％；采用的高效化工艺包括：发射区钝化，分区轻（n+）重（n++）扩散，背场，表面织构化。实验室用多晶硅薄膜太阳电池研究设备已经建立。稳定型M1S结构的硅太阳电池也在进行研究。
     空间用硅太阳电池大面积化的研究正在进行，目标是研制出8cm×8cm及10cm×10cm面积的空间用高质量太阳电池。GaAs太阳电池外延生长法的研究已有相当基础，最近的重点转向在诸片上用MOCVD的方法生长GaAs膜，制作空间用GaAs电池。
    对旋铸法直接制作硅片进行了初步研究。在该方法中硅料是使用冷柑蜗电磁感应熔炼法来提供的。 小硅球太阳电池组件也在我国进行了探索性的研究，掌握了基本的制作方法。
    铜钢锡太阳电池最近采用蒸镀及硒化方法制备C1S膜取得进展，5cm×6cm面积的电池效率达到6．7％。
    对太阳电池用封装材料也进行了研制，包括EVA膜及PVF复合膜。其中EVA膜基本能满足我国光伏工业的需求，快速固化EVA膜还需要改进。PVF复合膜还需要进行较大的改进。丝网印刷用的浆料也进行了国产化，其中铝浆已能取代进口材料，正面电极用的银浆性能略逊于进口产品。
    低倍聚光的小型光伏系统进行了生产性的研究；高倍聚光的光伏系统有一家公司引进国外技术进行生产，但许多技术性的问题需要进一步研究解决。
    我国第9个五年光伏攻关计划的研究目标为：工厂生产的10cm×10cm单晶硅太阳电池的效率达到14-15％；多晶硅太阳电他达到12-13％，铸出100kg级的铸锭；化合物薄膜太阳电他的效率达到10％，多晶硅薄膜电他的效率也是要达到810％；弱光型非晶硅太阳池的合格率太子70％，稳定效率达到8％，功率型大面积非晶硅太阳电池稳定效率达到7％。
2．2太阳电池生产
    我国太阳电他的主要产品是单晶硅太阳电池及非晶硅太阳电池，多晶硅太阳电他只有少量中试产品。单晶硅太阳电池产品主要是直径为100mm的圆片电池，效率为12一13％，36片太阳电池串联的组件功率约为37W。少数工厂生产100mm× 100mm准方片太阳电池，但未进行正式生产，只有北京有色金属研究总院中试线生产准方片单晶硅太阳电池。非晶硅太阳电他的组件面积为30cm×l20cm。转换效率为4一6％，为单结p。n太阳电池。
    我国太阳电池组件的年生产能力为4．5MW，其中晶体硅太阳电池为2．5MW，非晶硅太阳电池2MW。1998年太阳电他组件销售量为2．1MW，其中晶体硅太阳电池1．8MW，非晶硅太阳电池0．3MW，进口单晶硅太阳电池或组件约200kW。1998年我国太阳电池用单晶硅片的出口为IMW。
2．3光伏应用
    我国光伏应用进行了许多研究，开发了各种光伏系统的控制器及逆变器，研制的逆变器最大达20kW，光伏水泵已形成一定生产能力。各种太阳能灯具已推广应用。l一5kW级井网逆变器已开始结合实际需要进行研制。
    我国光伏发电在地面应用始于1973年，用于为天津港航标灯供电。截止到1998年底，我国太阳电池的累计用量已经达到13．3MW。由于光伏发电价格高，不含土建和输电线路的小型光伏系统的造价每峰瓦约60一80元，含土建和输电线路的独立光伏电站系统的造价每峰瓦约80一120元，大规模应用尚受一定的限制。目前我国光伏发电以特殊应用领域和边远地区为主。
2．4国际合作
    由于我国光伏发电市场的潜力大，光伏项目又具有环保及扶贫双重作用，经常成为国际间的合作与援助优选项目。早期有与德国合作项目北京大兴县多晶硅太阳电他及水泵示范工程，日本在甘肃省的10kW光伏示范工程，欧共体在浙江省大陈岛的光伏示范工程。近期有德国在中国的黄金计划光伏工程，美国能源部在甘肃省及内蒙古的户用光伏项目，日本NEDO机构的光伏工程。这些合作项目对推动我国光伏应用都起到了积极作用。
    正在进行或即将进行的项目有1999年开始的世界银行全球环境基金的2500万美元赠款的5年光伏计划，5年内将在西北地区推广10MW户用光伏系统。荷兰政府将为新疆提供150O万美元赠货，新疆地方出资相当于：千万美元，实施新疆丝绸之路光明工程计划（5年），推广应用总数为7．8万套户用光伏系统。联合国开发计划署与国家经贸委合作，计划在山东大管岛和浙江北龙岛建立60一100kW的风光互补发电系统，为海岛军民供电；另外计划在西北推广200套小型风光互补发电系统，每套功率在150一500W左右。世界银行与教育部合作，计划在云南省和海南省建立13所太阳能学校，每校光伏发电功率lkW左右。世界银行还与卫生部合作，在7个省开展乡级卫生院改建计划）用可再生能源为乡级卫生院提供采暖、热水和电力，
其中约有几百所卫生院将采用太阳电池供电。
3．光伏发电的前景
    目前，国际上光伏发电已进入加速发展阶段，近两年太阳电池组件的年增长率高达30％左右，世界上1998年宣布的扩产计划有263．5MW／年，发展势头强劲。另外，发达国家先后宣布的太阳能屋顶计划强有力地支持了光伏产业的发展，预计今后10年内太阳电池将以平均20％的年增长率增长。估计我国也将以此速度增长，单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池将在今后20年内各占相当市场，硅带及硅厚膜电池在今后10年将逐渐扩大生产，CdTe及C1S电池会扩大到一定的产量。多晶硅薄膜及染料光敏化电池目前预测其产量还为时过早。以现有的基础来看，单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池仍是我国目前产业化发展的主要产品。
    世界光伏工业从1980年到1997年以20％的年增长率增长，到2010年太阳电池产量达1600MW，以2美元／w的组件批发价计算，年产值将达到30亿美元。欧共体能源部门发表的光伏应用各领域的分布情况示于表6。
     表6目际光伏工业发货中主要应用领域的分布及2010年预测（％）
    
    我国目前尚有约2000万户、6000一7000万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。我国光伏系统成本每年下降约3一5％，2000一2005年，我国户用光伏系统的用量将大幅度增长，预计总量将达到20MW。预计在5年内我国也将有几个2一5Mw年生产能力的太阳电池工厂建立或扩建而成，2005年后将出现年产10Mw的生产线。通讯及工业用光伏系统将从目前的40一50％的市场份额到2010年下降到20一30％，户用及民用光伏系统将从目前的30％上升到40一50％，预计到2010年我国也将开始发展井网式屋顶光伏系统，但预计其系统功率将为发达国家的V4，市场份额将不超过5％，但在2020年后并网系统将会得到大量发展。
4．我国光伏产业发展的障碍与对策
    （1）我国发展光伏产业的主要障碍与国际上一样，仍然是太阳电他的成本高，限制大量推广应用。因此，我国研究与发展经费投入应针对太阳电池降价这一主要目标。同时，我国太阳电池工厂主要采用引进设备及其附带的技术，太阳电池研究工作要适应这一特点，研究单位与光伏工厂间的技术转移工作应加强，以提高企业的技术水平。
    （2）由于资金有限，光伏产业发展要适当安排与引导，一方面要让投资者对光伏产业的特性有更多的了
解，以进行合理的投资。另一方面对合资建厂、引进技术、支持国内发展等都应进行均衡的考虑。10年内我国
光伏市场以年增30％进行规划是可行的，但处于微利经营状态，应加强宣传，使得各方面及潜在的支持者了
解光伏产业所具有的重大长期效益及近期效益，增强投资者的信心。
    （3）应加强光伏技术队伍的建设，为人才成长创造必要的条件。各级政府对光伏科研单位及企业应以支
持。
    （4）在发展太阳电他的品种上，晶体硅太阳电池属于马上能得到应用并可存在相当长时间的产品，应作为主要产品。同时重点发展多晶硅电池，尽快在我国建成有相当规模的多晶硅太阳电池生产线。我国非晶硅太阳电池已有一定基础，应给于相当的重视。应加速单晶硅太阳电池、非晶硅太阳电池产业的技术改造和技术革新，大幅度提高太阳电池产量和质量，同时减少消耗、降低成本，使国产电池价格和国际价格相当。非晶硅电池方面需要较大的投资，才能将目前单结电池生产线改建成三结电池生产线，稳定性才能提高。CiS、多
晶硅薄膜、CdTe、有机纳米太阳电池等，有的在国际上发展前景尚未定论，有的在我国基础太薄弱，虽然具有潜力，但不能盲目，应投入一定的经费进行探索性研究，密切注意国际上发展动向。             
    （5）建议在国务院统一领导下，由国家综合部门牵头，约请有关部委参加，建立新能源领导小组，拟定统一的新能源规划，克服某些分散混乱现象，使我国光伏发电技术与产业逐步走入快速有序的发展轨道。主管新能源的政府官员及光伏界人士应共同关注各种重大发展机会，包括科技攻关、重大基础研究项目（973计划）、超级863科研计划、双加工程、重大科技成果产业化计划等，共同配合做好可行性论证工作，争取在经费上对光伏发电项目的支持。
    （6）制定促进光伏发电的优惠政策。让从事光伏发电的企事业单位享受高新技术产业的优惠政策。对其产品按照小水电的税率征收增值税或采取类似的措施。
     为促进老、少、边、穷地区推广光伏发电技术，提倡由当地政府根据情况向购买光伏发电产品的农户提供一定的费用补贴。
    （7）重视“光伏发电”学科点建设和人才培养。建议在有条件的院校建立光伏发电培训试验中心，以培养出一大批能胜任发展需要的中高级光伏发电专业技术人才和管理人才。
   （8）加强光伏发电知识的普及与宣传。依靠基层政府部门、中小学和农村供销社等多种渠道开拓无电和缺电地区的光伏发电市场，并建立售后服务体系。进行边远农牧区银行或农村信用社给光伏用户进行信贷的试点工作。
   （9）应增强我国光伏产品在世界上的竞争力。当务之急是，晶体硅电他的效率应迅速提高到国际水平，生产出10cmX10cm准方片太阳电池，成本降低到与进口太阳电池组件相当。