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中国光伏20年:江湖风云录(二十九)
2021-08-20 09:27:33   来源:中国有色金属报    点击:

作者:云翀
 
全球多晶硅生产能力与供需情况(吨)
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2003年世界主要多晶硅厂产能(吨/年)
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  四、蓄势:在黎明破晓前
  (世纪之交至2003年)
 
  1.全球光伏产量缓慢增长
 
  晶硅电池一直是太阳能光伏电池的主导产品。尤其值得关注的是,从1998年世界范围内多晶硅电池以79.9兆瓦首次超过单晶硅电池75兆瓦的产量之后,多晶硅的占比就不断提升。在2000年,多晶硅产量实现了较大飞跃,市场份额提升至48.2%,单晶硅下降至37.4%,而到了2001年,多晶硅电池的市场份额继续取代单晶硅占据市场主导地位,产量占50.2%,单晶硅只占34.6%。
 
  只不过对于多晶硅和单晶硅的技术之争,在这一时期并没有显现出来,也为之后行业中存在的巨大争议,乃至企业发展的方向选择留下了一个重要的议题。单晶硅组件技术起步早也相对成熟,主要用单晶硅片制造,其晶体相对完整,光学、理学和电学的性能均匀一致,纯度较高,载流子迁移率高,串联电阻小,和其他光伏组件相比,性能更加稳定,光电转化率高,但是成本很高。由此,在随后的很长一段时间里,采用低成本的方式改进区熔法生长太阳能电池用单晶硅也成了一个重要的方向。
 
  多晶硅材料是由许多不同晶向的小颗粒单晶硅组成的,在小颗粒的单晶晶粒内部,硅原子呈周期性的有序排列。从组件的技术角度来说,在这些晶粒内部的光电转化机制完全不同于单晶硅:由于已受到不同晶粒干扰,多晶硅电池的转化效率比单晶硅略低,且其光学、电学、力学的一致性也不如单晶硅。不过,随着持续发展,多晶硅电池的转化效率也在逐步提高。当时,国内外主要多晶硅生产方法仍然是西门子法及改良西门子法,应用占比超过80%,产能高度集中在美、日、德三国。
 
  非晶硅电池方面,在21世纪初,总体产量仍然很小,占市场份额不到10%。有一些厂家开始进入薄膜电池的生产领域,但产量一直非常微小(2003年26兆瓦,占总量的3.4%)。在薄膜电池中,很薄(1微米)的光电材料铺在衬底上,能够有效减少半导体材料的消耗量,也容易形成批量生产(其单位面积是第一代太阳电池的100倍),从而可以有效降低太阳能电池的成本。薄膜电池的材料主要有多晶硅、非晶硅、CIS以及CdTe。其中,多晶硅薄膜电池技术较为成熟,生长技术包括液相外延生长法、低压化学气象沉淀法、快热化学气相沉淀法、催化化学气相沉淀法、等离子增强化学气相沉淀法、超高真空化学气相沉淀法、固相晶化法和区熔再结晶法。澳大利亚南威尔士大学太阳能电池研究小组对此进行了大量研究并颇有成果,Pacific Solar公司也从1998年开始研发并生产。在这一时期,CIS电池的产量为4兆瓦,CdTe电池产量3兆瓦,Sanyo公司还生产了超过30兆瓦的基于晶体硅片上的非晶硅电池。这当中还有一个小插曲,CdTe技术的先驱Matsushita电池公司因为该技术运用了有毒的镉元素,遭到日本消费者的抵制进而停止了技术的研发和产品的生产。薄膜电池很大程度上解决了太阳能电池的成本问题,但是效率相对较低。晶硅电池不可替代的地位难以撼动。
 
  在转换率上,单晶硅电池的效率已经能够达到24.7%,多晶硅达到19.8%。这2个最高效率都是已经出现多次的南威尔士大学创造的。在生产中,日本三洋公司的单晶硅(α-Si/C-Si结构)电池转换率超过20%,德国研究机构的多晶硅生产转换率达到16.8%,德国ASE公司片状晶体硅电池效率达14.5%,美国Astro Power带状多晶硅电池效率也超过15%。非晶硅电池实验室转换率效率突破了20%,CdTe电池效率达16%,CIS为18.8%。
 
  1999年,在以色列召开的世界太阳能大会明确提出,当代太阳能科技发展的两大趋势,一是光电结合,二是光伏与建筑的结合。光伏建筑采用光电材料,通过电池吸收太阳能转换为电能,既无污染又无噪音,除了能够供给建筑内部用电,有的还能将多余的电力输入电网。德国、美国、丹麦、日本、荷兰等国都在持续进行相关开发、研制和建设。在21世纪初,建筑一体化太阳能发电技术包括两种,其一是将普通太阳能组件通过施工与周围建筑材料相结合,组件之间和组件与建材之间的间隙需要另行处理。这种类型相对成本低,可通过大型支架的安装形成大规模光伏发电站,缺点是无法直接代替建筑材料,会造成建材的重叠和浪费,施工成本高。其二则是建材型太阳能组件。出厂时就把太阳能电池芯片直接封装在特殊建材上,设计有防雨结构,施工时按照模块方式进行拼装,实现集发电功能和建材功能于一体的效果,施工成本低。但由于必须适应不同的建筑尺寸,很难在同一流水线上进行大规模生产,有时甚至需要投入大量人力进行手工操作,导致生产成本相对较高。不论哪一种类,各国都进行了诸多有益的探索,例如,德国的雷纳尔柏科技园,在屋顶装有当时世界最大的一体化光电发生器,每年发电量达20万千瓦。再如,美国萨克拉门托市国际机场装有128千瓦的太阳光伏发电系统,发出的电力除了能够提供充电站为电车充电,还可以给其他设备供电。在推广应用的过程中,建筑师将各类光电材料应用于设计构思里,屋面不再局限于坡屋顶,利用光电材料将建筑屋面做成的弧形和球形屋顶,可以吸收更多太阳能;电池板的安装也更加自由合理,可以结合阳台栏板或者利用半透明的光电玻璃代替玻璃幕墙,形成具有现代风格的建筑。德国蒙塞尼大学采用透光型太阳光发电幕墙,芯片加在玻璃板之间,占总面积的70%,也就是总透光率为30%,这样透过幕墙既可以看到外面的景物,也可以降低玻璃刺眼的影响。美国加州电力公司停车场设置了大量太阳能电池板,在作为停车场遮阳顶棚的同时,又将光能转化为办公楼和为汽车充电的电能。此外,太阳能光电材料还被尝试安装在交通设施中,如停车场、加油站的屋顶和高速公路护栏的两侧。有的还与景观小品、路灯相结合。
 
  从1980年代末,欧洲就开始关注建筑节能问题,提出“低能耗建筑”的概念,并进一步提出“零能耗建筑”的目标。零能耗建筑是指在满足被动式房屋标准的前提下,其余的能源需求完全由可再生能源供给,这无疑成为上述光伏建筑的进一步延伸。其中,零能耗太阳能住宅是重要组成,通过被动式太阳能建筑设计,采用新型节能灯具、优化的暖通空调技术、楼宇智能控制系统和建筑运行管理中的优化,以减少能耗并达到标准。被动式太阳能利用,主要是指通过建筑场地布局、建筑形体、建筑内部空间组织、门窗设计、通风与空气气密性和太阳房温室设计等方式,在不依靠设备的情况下,利用太阳能进行采暖制冷,从而减少建筑能耗。2002年开始,美国能源部主办了太阳能十项全能竞赛,这是国际上最具影响力的零能耗太阳能建筑科技示范项目,竞赛起初是以大学为参赛单位,设计建造并运行一栋面积不超过74平方米的太阳能住宅,并将其运往华盛顿国家广场进行一场为期一周的现场竞赛。竞赛期间,太阳能住宅的所有运行能量完全由太阳能光热、光电装置供给。此项比赛在多年后逐渐发展到欧洲和亚洲,并将相关研发推向了更高的国际水平。
 
 

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