中國(guó)光伏20年:江湖風(fēng)云錄(二十九)
2021年08月19日 8:20 7342次瀏覽 來(lái)源: 中國(guó)有色網(wǎng) 分類(lèi): 光伏 作者: 云翀
四、蓄勢(shì):在黎明破曉前
(世紀(jì)之交至2003年)
1.全球光伏產(chǎn)量緩慢增長(zhǎng)
晶硅電池一直是太陽(yáng)能光伏電池的主導(dǎo)產(chǎn)品。尤其值得關(guān)注的是,從1998年世界范圍內(nèi)多晶硅電池以79.9兆瓦首次超過(guò)單晶硅電池75兆瓦的產(chǎn)量之后,多晶硅的占比就不斷提升。在2000年,多晶硅產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)了較大飛躍,市場(chǎng)份額提升至48.2%,單晶硅下降至37.4%,而到了2001年,多晶硅電池的市場(chǎng)份額繼續(xù)取代單晶硅占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位,產(chǎn)量占50.2%,單晶硅只占34.6%。
只不過(guò)對(duì)于多晶硅和單晶硅的技術(shù)之爭(zhēng),在這一時(shí)期并沒(méi)有顯現(xiàn)出來(lái),也為之后行業(yè)中存在的巨大爭(zhēng)議,乃至企業(yè)發(fā)展的方向選擇留下了一個(gè)重要的議題。單晶硅組件技術(shù)起步早也相對(duì)成熟,主要用單晶硅片制造,其晶體相對(duì)完整,光學(xué)、理學(xué)和電學(xué)的性能均勻一致,純度較高,載流子遷移率高,串聯(lián)電阻小,和其他光伏組件相比,性能更加穩(wěn)定,光電轉(zhuǎn)化率高,但是成本很高。由此,在隨后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里,采用低成本的方式改進(jìn)區(qū)熔法生長(zhǎng)太陽(yáng)能電池用單晶硅也成了一個(gè)重要的方向。
多晶硅材料是由許多不同晶向的小顆粒單晶硅組成的,在小顆粒的單晶晶粒內(nèi)部,硅原子呈周期性的有序排列。從組件的技術(shù)角度來(lái)說(shuō),在這些晶粒內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)化機(jī)制完全不同于單晶硅:由于已受到不同晶粒干擾,多晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率比單晶硅略低,且其光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)的一致性也不如單晶硅。不過(guò),隨著持續(xù)發(fā)展,多晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率也在逐步提高。當(dāng)時(shí),國(guó)內(nèi)外主要多晶硅生產(chǎn)方法仍然是西門(mén)子法及改良西門(mén)子法,應(yīng)用占比超過(guò)80%,產(chǎn)能高度集中在美、日、德三國(guó)。
非晶硅電池方面,在21世紀(jì)初,總體產(chǎn)量仍然很小,占市場(chǎng)份額不到10%。有一些廠家開(kāi)始進(jìn)入薄膜電池的生產(chǎn)領(lǐng)域,但產(chǎn)量一直非常微?。?003年26兆瓦,占總量的3.4%)。在薄膜電池中,很?。?微米)的光電材料鋪在襯底上,能夠有效減少半導(dǎo)體材料的消耗量,也容易形成批量生產(chǎn)(其單位面積是第一代太陽(yáng)電池的100倍),從而可以有效降低太陽(yáng)能電池的成本。薄膜電池的材料主要有多晶硅、非晶硅、CIS以及CdTe。其中,多晶硅薄膜電池技術(shù)較為成熟,生長(zhǎng)技術(shù)包括液相外延生長(zhǎng)法、低壓化學(xué)氣象沉淀法、快熱化學(xué)氣相沉淀法、催化化學(xué)氣相沉淀法、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉淀法、超高真空化學(xué)氣相沉淀法、固相晶化法和區(qū)熔再結(jié)晶法。澳大利亞南威爾士大學(xué)太陽(yáng)能電池研究小組對(duì)此進(jìn)行了大量研究并頗有成果,Pacific Solar公司也從1998年開(kāi)始研發(fā)并生產(chǎn)。在這一時(shí)期,CIS電池的產(chǎn)量為4兆瓦,CdTe電池產(chǎn)量3兆瓦,Sanyo公司還生產(chǎn)了超過(guò)30兆瓦的基于晶體硅片上的非晶硅電池。這當(dāng)中還有一個(gè)小插曲,CdTe技術(shù)的先驅(qū)Matsushita電池公司因?yàn)樵摷夹g(shù)運(yùn)用了有毒的鎘元素,遭到日本消費(fèi)者的抵制進(jìn)而停止了技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)品的生產(chǎn)。薄膜電池很大程度上解決了太陽(yáng)能電池的成本問(wèn)題,但是效率相對(duì)較低。晶硅電池不可替代的地位難以撼動(dòng)。
在轉(zhuǎn)換率上,單晶硅電池的效率已經(jīng)能夠達(dá)到24.7%,多晶硅達(dá)到19.8%。這2個(gè)最高效率都是已經(jīng)出現(xiàn)多次的南威爾士大學(xué)創(chuàng)造的。在生產(chǎn)中,日本三洋公司的單晶硅(α-Si/C-Si結(jié)構(gòu))電池轉(zhuǎn)換率超過(guò)20%,德國(guó)研究機(jī)構(gòu)的多晶硅生產(chǎn)轉(zhuǎn)換率達(dá)到16.8%,德國(guó)ASE公司片狀晶體硅電池效率達(dá)14.5%,美國(guó)Astro Power帶狀多晶硅電池效率也超過(guò)15%。非晶硅電池實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換率效率突破了20%,CdTe電池效率達(dá)16%,CIS為18.8%。
1999年,在以色列召開(kāi)的世界太陽(yáng)能大會(huì)明確提出,當(dāng)代太陽(yáng)能科技發(fā)展的兩大趨勢(shì),一是光電結(jié)合,二是光伏與建筑的結(jié)合。光伏建筑采用光電材料,通過(guò)電池吸收太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能,既無(wú)污染又無(wú)噪音,除了能夠供給建筑內(nèi)部用電,有的還能將多余的電力輸入電網(wǎng)。德國(guó)、美國(guó)、丹麥、日本、荷蘭等國(guó)都在持續(xù)進(jìn)行相關(guān)開(kāi)發(fā)、研制和建設(shè)。在21世紀(jì)初,建筑一體化太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)包括兩種,其一是將普通太陽(yáng)能組件通過(guò)施工與周?chē)ㄖ牧舷嘟Y(jié)合,組件之間和組件與建材之間的間隙需要另行處理。這種類(lèi)型相對(duì)成本低,可通過(guò)大型支架的安裝形成大規(guī)模光伏發(fā)電站,缺點(diǎn)是無(wú)法直接代替建筑材料,會(huì)造成建材的重疊和浪費(fèi),施工成本高。其二則是建材型太陽(yáng)能組件。出廠時(shí)就把太陽(yáng)能電池芯片直接封裝在特殊建材上,設(shè)計(jì)有防雨結(jié)構(gòu),施工時(shí)按照模塊方式進(jìn)行拼裝,實(shí)現(xiàn)集發(fā)電功能和建材功能于一體的效果,施工成本低。但由于必須適應(yīng)不同的建筑尺寸,很難在同一流水線上進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn),有時(shí)甚至需要投入大量人力進(jìn)行手工操作,導(dǎo)致生產(chǎn)成本相對(duì)較高。不論哪一種類(lèi),各國(guó)都進(jìn)行了諸多有益的探索,例如,德國(guó)的雷納爾柏科技園,在屋頂裝有當(dāng)時(shí)世界最大的一體化光電發(fā)生器,每年發(fā)電量達(dá)20萬(wàn)千瓦。再如,美國(guó)薩克拉門(mén)托市國(guó)際機(jī)場(chǎng)裝有128千瓦的太陽(yáng)光伏發(fā)電系統(tǒng),發(fā)出的電力除了能夠提供充電站為電車(chē)充電,還可以給其他設(shè)備供電。在推廣應(yīng)用的過(guò)程中,建筑師將各類(lèi)光電材料應(yīng)用于設(shè)計(jì)構(gòu)思里,屋面不再局限于坡屋頂,利用光電材料將建筑屋面做成的弧形和球形屋頂,可以吸收更多太陽(yáng)能;電池板的安裝也更加自由合理,可以結(jié)合陽(yáng)臺(tái)欄板或者利用半透明的光電玻璃代替玻璃幕墻,形成具有現(xiàn)代風(fēng)格的建筑。德國(guó)蒙塞尼大學(xué)采用透光型太陽(yáng)光發(fā)電幕墻,芯片加在玻璃板之間,占總面積的70%,也就是總透光率為30%,這樣透過(guò)幕墻既可以看到外面的景物,也可以降低玻璃刺眼的影響。美國(guó)加州電力公司停車(chē)場(chǎng)設(shè)置了大量太陽(yáng)能電池板,在作為停車(chē)場(chǎng)遮陽(yáng)頂棚的同時(shí),又將光能轉(zhuǎn)化為辦公樓和為汽車(chē)充電的電能。此外,太陽(yáng)能光電材料還被嘗試安裝在交通設(shè)施中,如停車(chē)場(chǎng)、加油站的屋頂和高速公路護(hù)欄的兩側(cè)。有的還與景觀小品、路燈相結(jié)合。
從1980年代末,歐洲就開(kāi)始關(guān)注建筑節(jié)能問(wèn)題,提出“低能耗建筑”的概念,并進(jìn)一步提出“零能耗建筑”的目標(biāo)。零能耗建筑是指在滿(mǎn)足被動(dòng)式房屋標(biāo)準(zhǔn)的前提下,其余的能源需求完全由可再生能源供給,這無(wú)疑成為上述光伏建筑的進(jìn)一步延伸。其中,零能耗太陽(yáng)能住宅是重要組成,通過(guò)被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑設(shè)計(jì),采用新型節(jié)能燈具、優(yōu)化的暖通空調(diào)技術(shù)、樓宇智能控制系統(tǒng)和建筑運(yùn)行管理中的優(yōu)化,以減少能耗并達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。被動(dòng)式太陽(yáng)能利用,主要是指通過(guò)建筑場(chǎng)地布局、建筑形體、建筑內(nèi)部空間組織、門(mén)窗設(shè)計(jì)、通風(fēng)與空氣氣密性和太陽(yáng)房溫室設(shè)計(jì)等方式,在不依靠設(shè)備的情況下,利用太陽(yáng)能進(jìn)行采暖制冷,從而減少建筑能耗。2002年開(kāi)始,美國(guó)能源部主辦了太陽(yáng)能十項(xiàng)全能競(jìng)賽,這是國(guó)際上最具影響力的零能耗太陽(yáng)能建筑科技示范項(xiàng)目,競(jìng)賽起初是以大學(xué)為參賽單位,設(shè)計(jì)建造并運(yùn)行一棟面積不超過(guò)74平方米的太陽(yáng)能住宅,并將其運(yùn)往華盛頓國(guó)家廣場(chǎng)進(jìn)行一場(chǎng)為期一周的現(xiàn)場(chǎng)競(jìng)賽。競(jìng)賽期間,太陽(yáng)能住宅的所有運(yùn)行能量完全由太陽(yáng)能光熱、光電裝置供給。此項(xiàng)比賽在多年后逐漸發(fā)展到歐洲和亞洲,并將相關(guān)研發(fā)推向了更高的國(guó)際水平。
責(zé)任編輯:周大偉
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