國內外太陽電池和光伏發電的進展與前景
引言
??? 開發新能源和可再生清潔能源是二十一世紀世界經濟發展中最具決定性影響的五項技術領域之一。充分開發利用太陽能是世界各國政府可持續發展的能源戰略決策，其中陽光發電則最受矚目。太陽光發電遠期將大規模應用，近期可解決特殊應用領域的需要。到2030年光伏發電在世界總發電量中將占到5一20％。太陽電池發電獨具許多優點，如安全可靠，無噪聲，無污染，能量隨處可得，不受地域限制，無需消耗燃料，無機械轉動部件，故障率低，維護簡便，可以無人值守，建設周期短，規模大小隨意，無需架設輸電線路，可以方便地與建筑物相結合等。這些優點都是常規發電和其它發電方式所不及的。
1。國際太陽電池和光伏發電的進展??????????????????
??? 近幾年國際上光伏發電快速發展，美國、歐洲及日本制定了龐大的光伏發電發展計劃，1997年美國和歐洲相繼宣布“百萬屋頂光伏計劃”，日本1997年補貼“屋頂光伏計劃”的經費為9200萬美元。美國計劃到2010年安裝1000～3000MW太陽電池，日本的目標是7600Mw。印度計劃1998一2002年太陽電池總產量為150MW，其中2002年為50MW。國際光伏市場開始由邊遠農村和特殊應用向井網發電和與建筑結合供電的方向發展，光伏發電已由補充能源向替代能源過渡。表：和表2列出了近年來世界太陽電池組件的生產和發貨量以及主要國家所占的比例。
???????????????? 表1世界太陽電池組件發貨量（Mw）

國際上許多發達國家的政府都重視光伏技術的研究與發展，其1996年的經費分配情況見表3。實驗室各種太陽電池的最高效率列于表4，但這種高效電池往往是采用高成本的精密工藝來達到的，未必能簡單地推廣應用到生產上。

國際上目前很難確定那一種太陽電池是最佳選擇。雖然目前晶體硅電他銷量最大，但大家公認今后薄膜電池最具有潛力；另外，不同電他的特性各不相同，在光伏市場中各有其不同的應用領域，例如非晶硅電池主要應用在商用電子方面，多晶硅電池主要用于光伏屋頂，單晶硅電池主要在高功率應用上。最近幾年國際上對多晶硅薄膜電他的研究較活躍，但采用哪種工藝方案較佳，尚難斷定。近幾年有機納米太陽電他的效率有較大提高，受到一定的關注。在鍺片上用MOCVD法制作砷化鑄空間太陽電池取得進展。
美國國家光伏發電計劃的總目標是使其在國家的經濟中具有明顯的作用。1997年光伏計劃指標是：2000年光伏發電的電費（井網）達到12一m美分／kWh，光伏發電系統價格為3一7美元／w，組件效率為10一20％。
光伏產品在國際上的四個主要市場：消費性產品（14％）；離開電網的居民供電系統（35％）；離開電網的工業供電系統（33％），井網光伏系統（18％）。
???? 發達國家近幾年來主要開拓的市場是屋頂式并網發電系統。其原因是發達國家的電網分布已很密集，井網發電不用蓄電池，電網峰值用電的電費高，陽光好的地區采用光伏發電的電價已接近商品電價（估計在2000年到2005年進入成本合算期），人們預測10年后屋頂井網發電系統將大規模推廣應用。
???? 井網光伏發電系統應用始于80年代初，美國、日本、德國、意大利都為此作出了努力，當時建造的都是較大型的光伏井網電站，規模從100kw到IMW不等，而且都是政府投資建設的試驗性電站。但試驗結果并不十分理想，由于當時太陽電池很貴，很難讓電力公司接受。
??? 自90年代以來，國外發達國家重新掀起了發展井網光伏系統的高潮，這次的努力不是建造大型井網光伏電站，而是發展屋頂光伏井網系統，屋頂井網光伏系統充分利用了陽光的分散性特點，將太陽電池安裝在現成的屋頂上，其靈活性和經濟性都大大優于大型并網光伏電站，受到了各國的重視。
??? 1993年，德國首先開始實施由政府投資支持，被電力公司認可的1000屋頂計劃，繼而擴展為2000屋頂計劃，現在實際建成的屋頂光伏并網系統已經超過5000。這些屋頂井網系統均不帶蓄電池，屬于不可派送的發電系統，電力公司對光伏并網系統發出的電予以收購，大大刺激了這一領域的商業性發展和技術上的完善。德國政府于1999年：月開始實施10萬太陽能屋頂（每戶約3kW一5kW）計劃，今后幾年內需要300MW一500MW太陽電池。1999年先推廣6000套，共18Mw，政府給用戶37．5％的補助及10年的無息貨款。由此可以看出德國政府在推廣光伏屋頂系統上的決心。
???? 日本在光伏發電與建筑結合方面已經有十幾年的努力，尤其在1996年以后更是突飛猛進，每年新建的光伏屋頂達幾萬套。日本光伏屋頂的發展有一個特點，他們將太陽電他組件制作成建筑材料的形式，如瓦和玻璃等，這樣太陽電池就很容易安裝在建筑物上，也很容易被建筑公司接受。
???? 80年代初，美國就已經開始了井網光伏發電的努力，制定了PVUSA計劃，即光伏電力規模的應用計劃，主要是建立100kW以上的大型井網光伏發電系統，最大的系統計劃達10MW，但是由于成本高，電力不可調度，不受電力公司歡迎。
???? 1996年，在美國能源部的支持下，又開始了一項稱為“光伏建筑物計劃（PV一BONUS）”，計劃投資20億美元。美國目前電力的2／3用于包括為民用住宅在內的各類建筑物供電，該計劃的目標是采用光伏發電緩解建筑物的峰值負荷，并探求未來清潔的建筑物供電途徑。此項計劃將有助于開發新型的光伏建筑材料，包括玻璃、天窗、墻體等，有助于開發光伏屋頂模塊和可由電力部門很容易安裝的光伏調峰電力模塊等。計劃分為三步實施：概念開發，產品開發和市場開發。這項計劃的內容很豐富，其中典型的開發項目包括：
??? （1）DsM系統（按需求安排發電的系統），即帶有蓄電他的電力可以調度的光伏發電系統。這種井網系統在今后囚年內僅在美國國內就會有300MW的市場。目前這種系統的發電成本為40美分／kWh，而美國某些地區的峰值電價已高達20一30美分／kwh（一般冬季電價為3一4美分／kWh，夏季7一8美分／kwh）。估計不久這類調峰系統即可進入市場。
??? （2）太陽熱水器和非晶硅太陽電池聯合構成的光伏、光熱系統，可以為用戶同時提供電力和熱水。由于非晶硅太陽電池不象晶體硅太陽電池那樣，當溫度升高后輸出功率會降低，所以特別適合于這種系統。
??? （3）光伏屋頂建筑材料（柔性的和非柔性的），如透明光伏玻璃，聚光電池供電、供水系統，光伏墻體，光伏智能窗簾等。
???? 1997年，美國總統宣布了百萬屋頂計劃，即到2010年美國將在美國國內建造100萬座太陽能屋頂，包括供熱和供電。這一計劃有3個目的：? （1）計劃完成后每年減排的二氧化碳相當于850000輛汽車的排放量；（2）可以增加70000個高技術就業機會；（3）通過這一計劃，將大大加強美國光伏工業在世界上的領先地位和競爭實力。
???? 其它一些發達國家也都有類似的光伏屋頂井網發電項目或計劃，如荷蘭、瑞士、芬蘭、奧地利、英國、加拿大等。
???? 除了光伏屋頂系統，國外發達國家還在其它光伏應用方面也作了大量工作，主要有：
??? （i）風光柴互補發電系統：為了進一步降低可再生能源的發電成本，國外在風光柴混合發電系統上作了大量的示范工作和經濟對比。NRE1。還開發了混合發電系統的優化軟件，它可用于根據當地資源設計最合理最經濟的供電方案。
??? （2）未來與汽車配套的發電系統：光伏發電系統在汽車行業有很大的潛在市場，國外已經開發出較成功的可以為電動汽車蓄電池充電的太陽能快速充電系統，太陽能汽車空調板，太陽能汽車換氣扇，太陽能空調和冷飲箱等。
??? （3）太陽能制氫加燃料電池的再生發電系統：芬蘭的NAPs已經完成這一發電系統的示范。太陽電池將太陽能轉變成電能，通過電解他電解水，產生氫氣和氧氣，氧氣排放到空氣中，氫氣儲存到儲氫罐中。使用時氫氣再與空氣中的氧氣通過燃料電池發電，氫氣和氧氣在發電過程中又化合成水。該系統屬于最清潔的再生能源發電系統，在未來具有巨大的市場，尤其對于冬夏太陽能輻射差異很大，采用蓄電池極不經濟的高緯度地區，通過這種辦法利用太陽能將會十分有效，此外，隨著電動汽車的發展，這一發電系統也會變得更為重要。
??? （4）再生能源海島供電系統：海島是一個特殊的環境，由于其淡水的缺乏，燃料的昂貴，使得可再生能源有了用武之地。國外已經對海島上應用風光柴混合發電系統作了大量示范，為海島供應電力和淡水。此外，由于島上漁民需要用冰來儲存和運送新鮮的魚蝦，海島的可再生能源制冰系統也得到了推廣。
??? （5）太陽能發電專用直流負載：為了提高光伏發電系統效率，減少故障環節，國外開發了許多不需要采用逆變器、可以直接由太陽電池和蓄電池供電的直流負載，包括直流電視機、直流電冰箱、直流空調等，這類專
用負載特別適合于車輛、船只和流動性的單位，如旅游團、地質隊、部隊等。
2．中國太陽電池和光伏發電的進展
??? 我國于1958年開始太陽電池的研究，1971年成功地首次應用于我國發射的第二顆衛星上，1973年開始地面應用。1979年開始用半導體工業的次品硅生產單晶硅太陽龜池，使太陽電池成本明顯下降，打開了地面應用的市場。當時太陽電池面積小，采用真空蒸鍍銀鋁的方法制作太陽電他的電極。80年代中期，引進國外太陽電池生產線或關鍵設備，使我國太陽電池生產能力達到4.5MW。單晶硅太陽電池采用攀網印刷工藝制作電極，明顯地提高了生產效率。
??? 我國進行光伏研究與開發的單位約有38個。目前正在研究的項目包括：實用單晶硅太陽電池，高效單晶硅太陽電池，多晶硅太陽電池，非晶硅太陽電池，砷化嫁太陽電池，空間用的硅太陽電池及其系統，銅鋼錫及硫化鎬化合物薄膜太陽電池；硅聚光太陽電池系統；光伏系統應用方面有：水泵、逆變器、控制器、太陽能燈等。對一些太陽電池專用材料國產化也開展了研究。
2．1太陽電池與材料的研究
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我國太陽電池達到的最高效率列于表5。
??? 在多晶硅太陽電池方面，發展了單向凝固法鑄錠，鑄錠重15kg，尺寸為220mmX2201nmX140mm，鑄錠用的石墨柑渦或方形石英柑蝸，可重復使用。
在實用型電池工藝方面，研究采用在絲網印刷工藝中加入具有鈍化作用的氧化膜方法，來提高電池性能，建立了一條30cmX30cm的非晶硅太陽電池中試線及一條20cmX20cm的科研線，所有設備均為國產。
開發的p．i一n非晶硅單結太陽電池，組件的穩定效率達到6％。除了使用玻璃作基片的常規非晶硅太陽電池，主耐溫塑料片上制作的柔性非晶硅太陽電池也已開發成功。
??? 近期高效太陽電池的研究相當活躍。發射極鈍化的硅太陽電池最高效率達到19．79％；采用的高效化工藝包括：發射區鈍化，分區輕（n+）重（n++）擴散，背場，表面織構化。實驗室用多晶硅薄膜太陽電池研究設備已經建立。穩定型M1S結構的硅太陽電池也在進行研究。
???? 空間用硅太陽電池大面積化的研究正在進行，目標是研制出8cm×8cm及10cm×10cm面積的空間用高質量太陽電池。GaAs太陽電池外延生長法的研究已有相當基礎，最近的重點轉向在諸片上用MOCVD的方法生長GaAs膜，制作空間用GaAs電池。
??? 對旋鑄法直接制作硅片進行了初步研究。在該方法中硅料是使用冷柑蝸電磁感應熔煉法來提供的。 小硅球太陽電池組件也在我國進行了探索性的研究，掌握了基本的制作方法。
??? 銅鋼錫太陽電池最近采用蒸鍍及硒化方法制備C1S膜取得進展，5cm×6cm面積的電池效率達到6．7％。
??? 對太陽電池用封裝材料也進行了研制，包括EVA膜及PVF復合膜。其中EVA膜基本能滿足我國光伏工業的需求，快速固化EVA膜還需要改進。PVF復合膜還需要進行較大的改進。絲網印刷用的漿料也進行了國產化，其中鋁漿已能取代進口材料，正面電極用的銀漿性能略遜于進口產品。
??? 低倍聚光的小型光伏系統進行了生產性的研究；高倍聚光的光伏系統有一家公司引進國外技術進行生產，但許多技術性的問題需要進一步研究解決。
??? 我國第9個五年光伏攻關計劃的研究目標為：工廠生產的10cm×10cm單晶硅太陽電池的效率達到14-15％；多晶硅太陽電他達到12-13％，鑄出100kg級的鑄錠；化合物薄膜太陽電他的效率達到10％，多晶硅薄膜電他的效率也是要達到810％；弱光型非晶硅太陽池的合格率太子70％，穩定效率達到8％，功率型大面積非晶硅太陽電池穩定效率達到7％。
2．2太陽電池生產
??? 我國太陽電他的主要產品是單晶硅太陽電池及非晶硅太陽電池，多晶硅太陽電他只有少量中試產品。單晶硅太陽電池產品主要是直徑為100mm的圓片電池，效率為12一13％，36片太陽電池串聯的組件功率約為37W。少數工廠生產100mm× 100mm準方片太陽電池，但未進行正式生產，只有北京有色金屬研究總院中試線生產準方片單晶硅太陽電池。非晶硅太陽電他的組件面積為30cm×l20cm。轉換效率為4一6％，為單結p。n太陽電池。
??? 我國太陽電池組件的年生產能力為4．5MW，其中晶體硅太陽電池為2．5MW，非晶硅太陽電池2MW。1998年太陽電他組件銷售量為2．1MW，其中晶體硅太陽電池1．8MW，非晶硅太陽電池0．3MW，進口單晶硅太陽電池或組件約200kW。1998年我國太陽電池用單晶硅片的出口為IMW。
2．3光伏應用
??? 我國光伏應用進行了許多研究，開發了各種光伏系統的控制器及逆變器，研制的逆變器最大達20kW，光伏水泵已形成一定生產能力。各種太陽能燈具已推廣應用。l一5kW級井網逆變器已開始結合實際需要進行研制。
??? 我國光伏發電在地面應用始于1973年，用于為天津港航標燈供電。截止到1998年底，我國太陽電池的累計用量已經達到13．3MW。由于光伏發電價格高，不含土建和輸電線路的小型光伏系統的造價每峰瓦約60一80元，含土建和輸電線路的獨立光伏電站系統的造價每峰瓦約80一120元，大規模應用尚受一定的限制。目前我國光伏發電以特殊應用領域和邊遠地區為主。
2．4國際合作
??? 由于我國光伏發電市場的潛力大，光伏項目又具有環保及扶貧雙重作用，經常成為國際間的合作與援助優選項目。早期有與德國合作項目北京大興縣多晶硅太陽電他及水泵示范工程，日本在甘肅省的10kW光伏示范工程，歐共體在浙江省大陳島的光伏示范工程。近期有德國在中國的黃金計劃光伏工程，美國能源部在甘肅省及內蒙古的戶用光伏項目，日本NEDO機構的光伏工程。這些合作項目對推動我國光伏應用都起到了積極作用。
??? 正在進行或即將進行的項目有1999年開始的世界銀行全球環境基金的2500萬美元贈款的5年光伏計劃，5年內將在西北地區推廣10MW戶用光伏系統。荷蘭政府將為新疆提供150O萬美元贈貨，新疆地方出資相當于：千萬美元，實施新疆絲綢之路光明工程計劃（5年），推廣應用總數為7．8萬套戶用光伏系統。聯合國開發計劃署與國家經貿委合作，計劃在山東大管島和浙江北龍島建立60一100kW的風光互補發電系統，為海島軍民供電；另外計劃在西北推廣200套小型風光互補發電系統，每套功率在150一500W左右。世界銀行與教育部合作，計劃在云南省和海南省建立13所太陽能學校，每校光伏發電功率lkW左右。世界銀行還與衛生部合作，在7個省開展鄉級衛生院改建計劃）用可再生能源為鄉級衛生院提供采暖、熱水和電力，
其中約有幾百所衛生院將采用太陽電池供電。
3．光伏發電的前景
??? 目前，國際上光伏發電已進入加速發展階段，近兩年太陽電池組件的年增長率高達30％左右，世界上1998年宣布的擴產計劃有263．5MW／年，發展勢頭強勁。另外，發達國家先后宣布的太陽能屋頂計劃強有力地支持了光伏產業的發展，預計今后10年內太陽電池將以平均20％的年增長率增長。估計我國也將以此速度增長，單晶硅、多晶硅及非晶硅太陽電池將在今后20年內各占相當市場，硅帶及硅厚膜電池在今后10年將逐漸擴大生產，CdTe及C1S電池會擴大到一定的產量。多晶硅薄膜及染料光敏化電池目前預測其產量還為時過早。以現有的基礎來看，單晶硅、多晶硅及非晶硅太陽電池仍是我國目前產業化發展的主要產品。
??? 世界光伏工業從1980年到1997年以20％的年增長率增長，到2010年太陽電池產量達1600MW，以2美元／w的組件批發價計算，年產值將達到30億美元。歐共體能源部門發表的光伏應用各領域的分布情況示于表6。
???? 表6目際光伏工業發貨中主要應用領域的分布及2010年預測（％）
????
??? 我國目前尚有約2000萬戶、6000一7000萬農村人口還沒有用上電，60％的有電縣嚴重缺電，光伏市場潛力巨大。我國光伏系統成本每年下降約3一5％，2000一2005年，我國戶用光伏系統的用量將大幅度增長，預計總量將達到20MW。預計在5年內我國也將有幾個2一5Mw年生產能力的太陽電池工廠建立或擴建而成，2005年后將出現年產10Mw的生產線。通訊及工業用光伏系統將從目前的40一50％的市場份額到2010年下降到20一30％，戶用及民用光伏系統將從目前的30％上升到40一50％，預計到2010年我國也將開始發展井網式屋頂光伏系統，但預計其系統功率將為發達國家的V4，市場份額將不超過5％，但在2020年后并網系統將會得到大量發展。
4．我國光伏產業發展的障礙與對策
??? （1）我國發展光伏產業的主要障礙與國際上一樣，仍然是太陽電他的成本高，限制大量推廣應用。因此，我國研究與發展經費投入應針對太陽電池降價這一主要目標。同時，我國太陽電池工廠主要采用引進設備及其附帶的技術，太陽電池研究工作要適應這一特點，研究單位與光伏工廠間的技術轉移工作應加強，以提高企業的技術水平。
??? （2）由于資金有限，光伏產業發展要適當安排與引導，一方面要讓投資者對光伏產業的特性有更多的了
解，以進行合理的投資。另一方面對合資建廠、引進技術、支持國內發展等都應進行均衡的考慮。10年內我國
光伏市場以年增30％進行規劃是可行的，但處于微利經營狀態，應加強宣傳，使得各方面及潛在的支持者了
解光伏產業所具有的重大長期效益及近期效益，增強投資者的信心。
??? （3）應加強光伏技術隊伍的建設，為人才成長創造必要的條件。各級政府對光伏科研單位及企業應以支
持。
??? （4）在發展太陽電他的品種上，晶體硅太陽電池屬于馬上能得到應用并可存在相當長時間的產品，應作為主要產品。同時重點發展多晶硅電池，盡快在我國建成有相當規模的多晶硅太陽電池生產線。我國非晶硅太陽電池已有一定基礎，應給于相當的重視。應加速單晶硅太陽電池、非晶硅太陽電池產業的技術改造和技術革新，大幅度提高太陽電池產量和質量，同時減少消耗、降低成本，使國產電池價格和國際價格相當。非晶硅電池方面需要較大的投資，才能將目前單結電池生產線改建成三結電池生產線，穩定性才能提高。CiS、多
晶硅薄膜、CdTe、有機納米太陽電池等，有的在國際上發展前景尚未定論，有的在我國基礎太薄弱，雖然具有潛力，但不能盲目，應投入一定的經費進行探索性研究，密切注意國際上發展動向。?????????????
??? （5）建議在國務院統一領導下，由國家綜合部門牽頭，約請有關部委參加，建立新能源領導小組，擬定統一的新能源規劃，克服某些分散混亂現象，使我國光伏發電技術與產業逐步走入快速有序的發展軌道。主管新能源的政府官員及光伏界人士應共同關注各種重大發展機會，包括科技攻關、重大基礎研究項目（973計劃）、超級863科研計劃、雙加工程、重大科技成果產業化計劃等，共同配合做好可行性論證工作，爭取在經費上對光伏發電項目的支持。
??? （6）制定促進光伏發電的優惠政策。讓從事光伏發電的企事業單位享受高新技術產業的優惠政策。對其產品按照小水電的稅率征收增值稅或采取類似的措施。
???? 為促進老、少、邊、窮地區推廣光伏發電技術，提倡由當地政府根據情況向購買光伏發電產品的農戶提供一定的費用補貼。
??? （7）重視“光伏發電”學科點建設和人才培養。建議在有條件的院校建立光伏發電培訓試驗中心，以培養出一大批能勝任發展需要的中高級光伏發電專業技術人才和管理人才。
?? （8）加強光伏發電知識的普及與宣傳。依靠基層政府部門、中小學和農村供銷社等多種渠道開拓無電和缺電地區的光伏發電市場，并建立售后服務體系。進行邊遠農牧區銀行或農村信用社給光伏用戶進行信貸的試點工作。
?? （9）應增強我國光伏產品在世界上的競爭力。當務之急是，晶體硅電他的效率應迅速提高到國際水平，生產出10cmX10cm準方片太陽電池，成本降低到與進口太陽電池組件相當。?????????????????????????