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上海市科委光科技发展规划

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2009-07-08

上海市科委光科技发展规划

太阳电池科技规划(草案)

一、太阳能电池在经济建设和社会发展中的地位和作用
1.1 未来能源的支柱
1.2 能源安全的新概念
1.3 控制太空的动力
1.4 电动汽车的血脉
1.5 清洁能源的突破口
1.6 建筑革命的新贵
1.7 脱贫致富的基础
1.8 巩固国防的保障
1.9 科学技术的前沿
1.10 上海2001年世博会的亮点
1.11 改造沙漠进军海洋

二、太阳电池国内外发展的现状和趋势
2.1 国际发展现状
自从1839年发现“光生伏打效应”和1954年第一块实用的光伏电池问世以来,太阳能光伏技术及产业化均取得了长足的进步,这种太阳电池的研发工作不断深入,光电转换效率不断提高。表2.1-5为世界最高水平的科研成就。
随着人们对后续能源问题和环境质量的认识不断提高,加大了关于光伏发电的各项科研经费的投入,而科研成就转化为技术和生产规模不断增长,使得成本不断下降,政策刺激下的市场不断扩大。自1998年以来,连续5年以30%以上的速度增长,至2002年已达540MW/年,2003年高达750MW,增长40%。应用范围也越来越广,尤其是各个国家的光伏计划,为太阳能光伏发电展现了无限光明的前途。

 
 

 

表2-6:1993-2003年 世界太阳电池组件发货量(MW)

年度      1993      1994      1995      1996      1997      1998      1999      2000      2001      2002      2003
日本      17.0      16.5      16.4      21.2      35.0      49.0      80      128.6      171.22      251.07      365.4
欧洲      17.0      21.7      20.1      18.8      30.4      33.5      40      60.66      86.38      135.05      202.3
美国      21.0      25.64      34.75      8.85      51.0      53.7      60.8      74.97      100.32      120.60      96.3
其它      5.5      5.6.0      6.35      9.75      9.4.0      18.7      20.5      23.42      32.62      55.05      85.7
合计      61.4      69.44      77.6      88..60      125.80      154.9      201.30      287.65      390.54      561.77      749.7

2.2       国内太阳电池发展情况
2.2.1太阳电池
我国对于太阳电池的研究主要集中在实用形的单晶硅太阳电池、高效单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳电池、砷化镓太阳电池、空间用的硅太阳电池及其系统、铜铟锡及碲化镉化合物薄膜太阳电池和聚光太阳电池及系统。对一些太阳电池用的材料也进行了研究和国产化。
表2.7 中国各种太阳电池实验室研究的最高效率
  类  型      最高效率(%)        面积(cm2 )
单晶硅电池      20.414-15      2X210′10(实用型)
GaAs电池      20.1      1′1
多晶硅电池      14.512-13      2′210′10(实用型)
聚光硅电池      17      2′2
CdS/CuxS电池        12      几个 mm
CuInSe2电池      8.57      1′1
CdTe电池      7      3mm
多晶硅薄膜电池      13.6      1′1, 非活性硅衬底上
非晶硅电池      11.2(单结)11.4(双结)8.67.96.2      几个mm几个mm10′1020′2030′30
二氧化钛纳米有机电池      10      1′1
2.2.2太阳电池产业化现状
我国从1958年开始研究光伏发电,1971年首先用于我国自制的实践2号人造卫星,七十年代中期开始地面光伏系统应用。八十年代开始先后引进了一批美国的单晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池生产设备,使得中国的光伏工业开始起步。进入21世纪,我国的光伏产业出现了新气象,老的国有企业重组焕发青春,大型上市公司采取多种形式加入,大型民营企业也开始涉足, 在生产方面,目前中国太阳电池的主要产品是单晶硅太阳电池及非晶硅太阳电池,多晶硅太阳电池过去只有少量的中试生产,新计划引进的生产线多数是多晶硅太阳电池生产线。具体情况如下。
非晶硅太阳电池生产技术是在80年代中期引进的,主要为p-i-n单结电池,组件面积为30X90cm2,效率为4-6%。单结电池的光致衰退约为30%,仅为80年代国际水平。非晶硅电池有二条中试线,正进行商业化技术的进一步研究,两结叠层电池也在研究之中。
多晶硅太阳电池具有比单晶硅电池更大的成本下降空间,北京中联公司已有一条自主开发的中试线,能铸出150公斤级的硅锭。生产出效率为10-12%、面积为100X100cm2的多晶硅太阳电池。2000年引进了一条多晶硅硅片生产线,
目前我国商品化生产的单晶硅、多晶硅和非晶硅电池的效率分别为11~14%、10~12%和4~6%,与发达国家相比,要低1~2个百分比。太阳电池组件的寿命能保用20年。此外,国际上非晶硅太阳电池大部分已经进行生产两结或三结的叠层电池,效率达到8%;其它电池如片状硅电池、带硅电池、CdTe及CuInSe2电池都也进入小量或中试生产阶段。生产设备的自动化程度国外也比国内高很多。
中国主要的光伏厂家见表2.7。

表2.7 中国主要太阳电池生产厂
厂家      生产启动日期      设备来源      技术      电池生产能力      2000年  产量      2002年产量
上海交大国飞绿色能源有限公司      1999      全部国产      晶体硅      2MWp/年            0.4MWp
秦皇岛华美光伏电子有限公司      引进生产线:1990      整线引进:Spire,美国      单晶硅电池      1MWp/年      300KWp      0.4MWp
云南半导体器件厂      老生产线:1983,引进生产线:1987。“九五”技改建新线      总线引进:TPK,加拿大新线:国产为主,引进为辅      单晶硅电池多晶硅电池      500KWp/年1.5MWp/年      400KWp      0.6MWp
开封太阳电池厂      老生产线:1975新生产线:1988      关键设备引进:Spire,美国      单晶硅电池      300KWp/年      200 KWp      0.1MWp
宁波太阳电池厂      老生产线:1976新生产线:1988      关键设备引进:Spire,美国      单晶硅电池      2000KWp/年      480KWp      0.8MWp
有色金属研究总院      1987      切片设备引进:Spire,美国      多晶硅      100KWp/年      20KWp      0.2MWp
武汉长江电源厂      1979      切片设备引进:Spire,美国      晶体硅            100KWp      0.1MWp
哈尔滨克罗拉太阳能电力公司      1991      总线引进:克罗拉,美国      非晶硅      1MWp/年      200KWp      0.35MWp
深圳拓日太阳能有限公司      1992      引进:克罗拉,美国      非晶硅      1MWp/年      100KWp      0.05MWp
保定英利新能源有限公司      2003年      德国、日本、美国设备      单晶,多晶      26MWP/年      0      0
无锡尚德太阳能公司      2002年      意大利,西班牙设备      多晶      16MWP/年      0      2
天津津能太阳能公司      2003年      美国      非晶叠层      10MWP/年      0      0
总量                        7.9MWp/年      1.84MWp      3.0MWp

我国单晶硅太阳电池总体工艺技术与国际上相近,不少工厂大部分设备或关键设备是80年代中、后期从发达国家引进的,所用技术基本上为国际80年代水平,工艺上手工操作相对较多。主要产品是面积为ф100, 电池片厚度为400μm的单晶硅太阳电池,其效率为12-13%,最高可达到14%。100X100mm的准方片太阳电池也已经可以生产,但受设备及现有条件制约生产成本较高,因此现在国内生产的方片组件大多数是用进口的方形太阳电池封装的。国际上先进国家生产的单晶硅太阳电池的面积除了100X100的准方片太阳电池, 还有125X125及150X150的电池片。电池片的厚度为220-375μm。大型组件的功率达到50W、75W、100W,甚至到300W。
截至2003年底,我国已经投产的晶硅电池生产能力约50MW(其中无锡尚德25MW,宁波、云南、秦皇岛、上海811和国飞等的生产能力共计约25MW),不足世界的1/100(全世界2003年的总产量约为700MWp)。由于规模小和技术等其他诸多因素,成本较世界市场高。因此在2002年《送电到乡》工程突然出现时,缺乏应变和竞争能力,在20MW的光伏工程中,国内电池不到10%。

表2.8 中国主要太阳电池生产厂情况

 年      年产量(KWp)      组建售价(Yuan/Wp)      累计用量(KWp)
1976      0.5      400.0      0.5
1977      1.0      200.0      1.5
1978      2.0      120.0      3.5
1979      5.0      100.0      8.5
1980      8.0      80.0      16.5
1981      15.0      75 - 80      31.5
1982      20.0      70.0      51.5
1983      30.0      60.0      81.5
1984      50.0      50.0      131.5
1985      70.0      45 - 50      200.0
1986      80.0      40 - 45      280.0
1987      100.0      40.0      380.0
1988      a-Si 200.0c-Si 150.0      a-Si 21-23c-Si 35-45      730.0
1989      a-Si 300.0c-Si 250.0      a-Si 23c-Si 35-37      1280.0
1990      a-Si 100.0c-Si 400.0      a-Si  22-25c-Si 38-40      1780.0
1991      a-Si 100.0c-Si 450.0      a-Si 23-25c-Si 38-40      2330.0
1992      a-Si 150.0c-Si 500.0      a-Si 25c-Si 40-42      2980.0
1993      a-Si 250.0c-Si 650.0      a-Si 25-27c-Si 40-47      3880.0
1994      a-Si 200.0c-Si 900.0imported 100.0      a-Si 25-27c-Si 40-47      5080.0
1995      a-Si 200.0c-Si 1000.0imported 350.0      a-Si 25-27c-Si 40-4750-60      6630.0
1996      a-Si 450.0c-Si 1420.0imported 300.0      a-Si 25-27c-Si 40-4750-60      8800.0
1997      a-Si 500.0c-Si 1500.0imported 300.0      a-Si 25-27c-Si 42-4746-60      11100.0
1998      a-Si 430.0c-Si 1670.0进口 200.0      a-Si 25-27c-Si 40-4545-60      13300
1999      a-Si 500.0c-Si 2000.0imported 200.0      a-Si 22-25c-Si 38-4545-60      16000
2000      a-Si 600.0c-Si 2200.0imported 500.0      a-Si 20-25c-Si 35-4545-60      19000
2001      a-Si 300.0c-Si 4000.0imported 200.0      a-Si 20-25c-Si 35-4540-50      23500
2002      a-Si 300.0c-Si 15000.0imported 5000.0      a-Si 20-25c-Si 30-3530-40      ? 45000
2003      a-Si 300.0c-Si 8000.0imported 2000.0      a-Si 20-25c-Si 25-3025-30      ? 58000
1.  Exchange rate:  before 1988     $ 1 USD = 3.5 - 3.8 Yuan
                   1989 - 1993     $ 1 USD =  5.3 - 5.7 Yuan
                   1994 -  now    $ 1 USD =  8.3 - 8.9 Yuan

2.2.3 我国光伏产业发展的限制因素、障碍和差距
   我国有丰富的太阳能资源以及潜在的巨大市场,经过20多年的艰苦努力,已经为太阳能光伏发电更大发展和更大规模应用奠定了良好基础,但要实现完全商业化的目的,进一步扩大市场,还要争取消除制约发展的市场障碍,主要体现在生产成本、建设规范、资金、政策和市场开发等方面。
由于种种原因,我国光伏产业生产链中各环节发展不协调、不平衡,上游小、下游大,呈现喇叭口状,从下到上依次薄弱,每一环节都需要从国外引进。而上游中的太阳级硅材料、硅锭/硅片和器件是光伏产业中更加基础性的部分。反映我国光伏产业存在基础薄弱、先天不足。基础薄弱和发展不协调、不平衡是造成产品成本高、竞争力弱的基本原因之一,如图2-1所示。
 
图2-1 我国光伏产业生产链中各环节不协调、不平衡(示意)

生产规模是影响产品成本的重要因素。根据经验曲线法(或称学习曲线法-learning curve),世界上多数产业,生产规模每翻一番,成本下降10%~30%。光伏产业的统计结果是20%。这种方法包含着技术与规模具进的含义。用此法对太阳电池生产的各环节成本进行概算,能够说明生产规模对降低成本的意义。图2.2表示硅片成本和售价与规模的关系(红线表示售价,兰线表示成本,假设售价是成本的1.3倍)。其它环节,如电池生产、组件封装等也有类似关系。

 
图2.2 硅片成本和价格与生产规模的关系

上面曲线充分说明规模效应的影响是很明显的,它能清楚地解释我国光伏产品在国内外生产上竞争力不强的原因。
需要说明的是,不是我国企业家不愿意扩大规模,而是我国现实光伏市场小而且不稳定,在缺乏政策法规的情况下,风险是企业扩大规模的最大障碍。
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