太陽電池組件相關產業的現狀與發展

來倩

摘 要：隨著全球經濟的快速發展，太陽能資源的開發利用已受到世界各國的高度重視。采用太陽能光伏并網發電系統，主要由光伏方陣、并網逆變器、遠程監測通信系統及配電系統組成。太陽電池組件在光伏發電系統中是最重要的環節之一，因此本論文專門針對太陽電池組件及相關產業的現狀與發展進行調查研究，以利于整個太陽能發電專業的教學研究。

關鍵詞：光伏發電；太陽電池組件；現狀與發展

人類活動的加劇，自然生態環境在不斷惡化。如何實現能源的可持續發展，從而保證經濟和社會的可持續發展，已經成為世界各國必須解決的問題。基于常規能源枯竭和環境保護的考慮，目前世界各國都已經把開發新能源和利用可再生能源作為未來能源發展的方向。太陽能資源是無污染的清潔能源，在各種發電能源中對環境影響最小。因此，太陽能資源的開發利用已受到世界各國的高度重視，各國政府通過經濟手段，鼓勵扶持個人和企業發展太陽能，大大推進了太陽能技術的產業化和商品化進程。

隨著國民經濟的發展，我國政府提出了建設節約型社會的號召，2005年《可再生能源法》頒布，政府對太陽能發電項目進行稅收優惠和補貼上網電價，促進了我國太陽能能源開發利用的快速發展。此外，建設大型光伏發電并網項目可向世界太陽能有關組織申請經濟補貼。因此，在我國建設大型光伏并網電站在經濟上是可行的。

近年來，發達國家在建和已投產的大型并網光伏電站已超過100個。上海崇明島1MWp光伏并網項目自07年竣工并網以來運行良好，實現了無人值守。因此，在我國建設大型光伏并網電站在技術上是成熟可行的。

大型和超大型并網光伏電站系統不僅建設規模可以達到MWp甚至GWp級別，發出的電能可直接并入中高壓輸電網絡，可參與電力的輸送和調配。大型光伏電站的系統集成是一項技術性很強的工作，設計和工程施工不當會增加光伏發電系統造價和發電成本。隨著光伏系統規模和復雜性的增加，大型光伏并網項目一般都需升壓并入中高壓電網，對光伏系統設計要求和技術服務要求日趨嚴格。目前國內沒有專業的光伏發電施工單位，因此，需培育光伏發電專業技術人才。

1太陽能光伏并網發電系統

太陽能光伏并網發電系統，主要由光伏方陣、并網逆變器、遠程監測通信系統及配電系統組成。光伏方陣將太陽能轉化為電能（直流電），并通過匯流箱（配電箱）傳遞到與之相連的逆變器上，逆變器采用MPPT（最大功率跟蹤）技術最大限度將直流電（DC）轉變成交流電（AC），輸出符合電網要求的電能，經過升壓站與中壓電網（110kV）連接。光伏并網發電系統的原理示意如圖1-1所示。其中，太陽電池組件是光伏發電系統的核心元件之一。

太陽電池組件是將太陽能直接轉變為直流電能的部件，是光伏電站的核心部件，科技含量非常高。要求具有非常好的耐侯性，能在室外嚴酷的環境下長期穩定可靠地運行，同時具有高的轉換效率和廉價。

因此本論文專門針對電池組件做了一些調查研究，以利于整個太陽能發電專業的教學研究。

2太陽電池組件的技術現狀

太陽電池組件是指把太陽電池串、并聯，經過封裝后工廠生產的可以直接出廠的最小單元。光伏方陣是由若干個太陽電池組件串、并聯而成。而各個廠家太陽電池組件的參數各有不同，設計光伏方陣時，不同特性的組件所需數量也不同。

太陽能光伏發電的最核心器件是太陽電池。太陽電池能量轉換的基礎是半導體p－n結的光生伏特效應。

如圖2-1所示，當光照射到半導體光伏器件上時，在器件內產生電子－空穴對，在半導體內部p－n結附近生成的載流子被復合而能夠到達空間電荷區，受內建電場的吸引，電子流入n區，空穴流入p區，結果使n區儲存了過剩的電子，p區儲存了過剩的空穴。它們在p－n結附近形成與內建電場方向相反的光生電場。光生電場除了部分抵消勢壘電場外，還使p區帶正電，n區帶負電，在n區和p區之間的薄層就產生了電動勢，此時，如果外電路接通，就會有與入射光能量成正比的光電流通過。現在商用的太陽電池主要有：單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅薄膜電池、銅銦硒和碲化鎘薄膜電池等。以下是幾種電池的基本情況：

1）單晶硅電池

單晶硅電池是最早發展起來的太陽電池，由單晶硅片來制造。與其他電池相比，單晶硅電池的效率最高，目前太陽電池組件的效率在15%-17%之間。現在單晶硅電池的技術發展動向是向超薄、高效發展。德國的研究已經證實40μm厚的單晶硅電池的效率可達到20%，有可能借助改進生產工藝實現超薄單晶硅電池的工業化生產，并可能達到已在實驗室達到的效率。

2）多晶硅電池

多晶硅電池由多晶硅片來制造。由于硅片由多個不同大小，不同的晶粒組成，而在晶粒界面處光電轉化容易受到干擾，因而多晶硅的轉化相對較低，同時，多晶硅的電學、力學和光學性能一致性不如單晶硅。目前多晶硅電池組件的效率在14%-16%之間，與單晶硅電池組件的效率相差不大。

3）非晶硅薄膜電池

非晶硅薄膜電池是采用化學沉積的非晶硅薄膜，其特點是材料厚度在微米級。非晶硅為準直接帶隙半導體，吸收系數大，可節省大量硅材料。商業化的非晶硅薄膜電池組件產品穩定的轉換效率在5%～7%左右。保證壽命為10年。

非晶硅薄膜電池是至今最為成功的薄膜電池，目前非晶硅薄膜電池之所以沒有大規模使用，主要原因是光致衰減效應。

4）銅銦硒薄膜電池

銅銦硒(CuInSe2)薄膜是一種Ｉ-Ⅲ-Ⅵ族化合物半導體，銅銦硒薄膜太陽電池屬于技術集成度很高的化合物半導體光伏器件，由在玻璃或廉價的襯底上沉積多層薄膜而構成。CIS 薄膜電池具有以下特點：光電轉換效率高，效率可達到17%左右，成本低，性能穩定，抗輻射能力強。目前，CIS太陽電池實現產業化的主要障礙在于吸收層CIS薄膜材料對結構缺陷過于敏感，使高效率電池的成品率偏低。這種電池的原材料銦是較稀有的金屬,對這種電池的大規模生產會產生很大的制約。

5）碲化鎘薄膜電池

碲化鎘是一種化合物半導體，其帶隙最適合于光電能量轉換。用這種半導體做成的太陽電池有很高的理論轉換效率。碲化鎘的光吸收系數很大，對于標準AM0太陽光譜，只需0.2微米厚即可吸收50％的光能，10微米厚幾乎吸收100％的入射光能。碲化鎘是制造薄膜、高效太陽電池的理想材料。碲化鎘薄膜太陽電池的制造成本低，是應用前景最好的新型太陽電池，它已經成為美、德、日、意等國研究開發的主要對象。目前，已獲得的最高效率為16.5%。但是有毒元素Cd對環境的污染和對操作人員健康的危害是不容忽視的。目前各國均在大力研究加以克服。

6）具有聚光和跟蹤的太陽電池組件

為提高太陽能電池組件的轉換效率，可采用太陽能跟蹤和聚光系統，也可以同時采用聚光和跟蹤兩種系統。

采用聚光太陽電池的好處是光電轉換效率高，聚光太陽電池轉換效率為18 %～30 % ，比普通太陽電池高得多，1cm2 的聚光電池在標準光強下聚光度為400～600 倍聚光后,輸出功率達6～10W以上，而同等面積的平板式太陽電池輸出功率僅12 ～14MWp 。由于聚光電池的受光面只有同功率的普通光電池幾百分之一，因此可以大大節約單晶硅的用量，即同面積的單晶硅片若制成聚光電池，發電量將提高數百倍。聚光方式可采取凹面鏡等光學聚光器件。

同功率的精確跟蹤光伏發電系統比固定型光伏發電系統每天多發電30 %左右。跟蹤有單軸、雙軸或其它多向機械跟蹤系統。

目前的聚光和跟蹤太陽電池組件的問題主要是設備維護量比固定式太陽能電池組件大，并且設備投資較大，目前還不適合國內大規模使用。

3 太陽電池組件相關產業發展狀況

目前太陽能光伏電池及其組件的生產工藝已很成熟，電池組件相關的輔助材料也能滿足工業化的生產質量要求。經過相關測試論證的生產廠家宣稱能保證晶體硅太陽能電池組件的壽命在20年以上。

3.1 我國太陽電池產業在世界上的位置

我國太陽電池及其組件產量2002年以前長期徘徊在全球產量的1%左右，但是，自2004年，在國際光伏市場尤其是德國、日本市場的強大需求的拉動下，我國光伏市場產業發展迅速。2020 年前, 我國光伏技術產業將會得到不斷的完善和發展, 成本將不斷下降,2010—2020年,光伏發電由獨立系統轉向并網發電系統,發電成本到2020年將約為0.60元/kWh。到2020年我國光伏產業的技術水平有望達到世界先進行列。

2006年世界太陽電池實際產量為2500MWp，其中日本為880MWp，歐洲為746MWp，中國為370MWp，美國175MWp。電池產量發展見圖2-2：

在太陽電池產業發展的過程中，我國形成了一批具有國際競爭力和國際知名度的太陽電池生產企業。2010年我國的光伏發電產品產量突破1000MWp,成為世界最大的太陽電池生產國。

3.2中國太陽能電池產業發展亟待解決的幾個問題

盡管我國光伏產業快速增長，但在核心技術、基礎原料、關鍵專業設備、國內應用等方面仍存在制約因素，阻礙了產業國際競爭力的進一步提升，其亟待解決的幾個問題如下：

1) 核心技術瓶頸：

目前，光伏產業上游的高純度多晶硅提煉、硅片切割等關鍵技術掌握在美、日等國少數企業手里，國內高純度多晶硅原料提純技術遠落后于西方發達國家（國內最高提煉水平只能達到99.5%），我國幾乎100%的關鍵技術設備都依靠進口。國內企業生產的太陽能組件的光電轉換效率平均在16%左右，而在發達國家超過20%。日本三洋利用晶體硅基板和非晶硅薄膜制成的混合型電池光電轉換效率達22%。我國在晶體太陽能電池的后續研發，特別是薄膜太陽能電池的研發等方面與國外存在較大差距，落后5-10年。缺乏核心技術是我國處于全球光伏產業價值鏈低端的根本原因。

2）國內市場瓶頸：

中國目前已成為全球最大的光伏電池生產國，去年占據全球市場55％的市場份額。不過因光伏發電成本高昂，中國本土的光伏裝機仍較為緩慢，報道稱，截至2010底全國光伏并網發電總裝機容量預計僅在600MW（兆瓦）左右。這種國內市場嚴重落后于產業發展的情況既不利于我國能源的可持續發展，也不利于光伏產業的科學發展。

3）標準化與人才瓶頸：

與國外相比，我國還缺乏有關太陽能電池及其配套產品的檢測標準，國內市場不規范。目前，有些國外的電池沒有通過國內任何機構的檢測，以低于產品正常價值進入我國市場，且進口關稅為零，這對我國光伏產業發展很不利。同時，光伏技術人才培養較薄弱，中青年光伏技術人才緊缺。

參考文獻

[1]2008年中國太陽能光伏發電產業分析及投資咨詢報.中國投資咨詢網，2008 年1月

[2]2006年中國太陽能發電產業機會與風險研究報告，2007年8月23日

[3]王霞.太陽能電池工作原理與種類.中國科技財富，2010年第六期

[4]劉科高.CIS太陽電池材料的研究進展.動力材料,2009年第9期

[5]魏岳.薄膜硅太陽電池概述.科技傳播，2010年第9期