認清方向開拓創新給力內需穩中求進①——關注光伏產業，創新金剛石應用

王光祖，耿直

（鄭州磨料磨具磨削研究所，河南鄭州450007）

1 環境保護的嚴峻性與開發新型能源的戰略性

人類賴以生存的地球環境正在發生急劇的惡化，南北半球的高山冰川和積雪消融的加速、全球海平面上升加速、極端氣候日益頻繁的出現……而CO2作為最主要的溫室氣體，是導致氣候變化的罪魁禍首。向大氣釋放的CO2中，80%以上來自于傳統礦物能源的消耗，越來越多的警示告訴我們必須節能減排，必須扶持綠色可再生能源的發展。

電能的使用是現代社會不可或缺的標志，多年來，人們利用礦物燃料發電，水力發電，潮汐發電，風力發電，并且隨著礦物燃料資源的枯竭和技術的不斷發展，人們將目光投向了核能發電和光能發電。核能發電已經得到相當多的使用，然而，當相繼發生核泄漏事故之后，光伏發電則凸顯獨特的優勢。光伏發電最重要的特征是保護氣候。光伏發電在發電過程中基本不排放CO2，可以為減緩氣候變化作出貢獻。據統計，光伏發電系統每發電1億k Wh，可以節省標準煤4萬t，可以減少4.5萬t CO2的排放，減少粉塵486t、減排灰渣約1萬t、減排SO2約756t。

其次，光伏發電不產生傳統發電技術（例如燃料發電和核能發電）帶來的污染物排放和安全問題，也沒有廢渣和噪音污染。

光伏發電是利用半導體面的光生伏特效應，將光能直接轉變為電能的技術。該技術的推廣應用將擺脫傳統發電方式對煤炭資源的依賴。為實現能源和環境的可持續發展，世界各國均將太陽能光伏發電作為新能源和可再生能源發展的重點。2000～2009年，可再生能源中并網光伏發電的年平均增長最快，達到60%以上，并網光伏發電正日益發揮替代能源的作用。

開發利用豐富的太陽能，不但對環境不產生或產生很少污染，而且太陽能既是近期急需的能源補充，又是未來能源結構的重要組成部分，并且是以光伏發電為基本形態而組成的大規模發電系統。無論從經濟社會走可持續發展之路和保護人類賴以生存的地球生態環境的高度來審視，還是從特殊途徑解決現實能源供應問題出發，開發和利用太陽能發電資源都具有重要戰略意義［1－4］。

太陽能光伏發電技術是一種清潔的可再生能源。是傳統化石能源最為重要的替代能源之一，不產生任何有害氣體和有害物質，因此是綠色環保能源。

具有以下特點：沒有轉動部件，不產生噪音；沒有有害氣體污染，不排放廢物；沒有燃燒過程，不需要燃料；維護保養簡單，維護費用低；運行可靠，穩定性好；關鍵部件的太陽能電池使用壽命長，晶體硅太陽能電池壽命可達25年以上，易增容。光伏發電最重要的特征是保護氣候。光伏發電在發電過程中基本不排放CO2，可以為減緩氣候變化作出貢獻。

我國的太陽能資源十分豐富，如果光伏技術在將來可以大規模付諸應用，不僅可以提供未來國民經濟發展的電力能源，還可以降低室溫氣體和污染物的排放，而且可以創造更多的就業機會，這對國民經濟發展、生態環境保護和社會穩定具有十分積極的意義。

2 發展光伏產業的迫切性

煤、石油、天然氣……這些積蓄了億萬年的化石能源，經過數百年的巨大消耗，已經不可逆轉地走向枯竭。世界各國的能源研究機構和專家經過縝密的測算，得出了比較一致的結論：全球化石燃料的生產和消耗峰值將出現在2030～2040年之間。圖1給出了中國主要能源儲量和世界能源儲量對比。

圖1 中國主要能源儲量和世界對比Fig.1 Comparison between major energy reserves in China and those of the world

面對日益枯竭的傳統能源，人們在不斷地尋找替代能源。從核能發電問世以來，被作為替代性的能源得到重視，但是切爾諾貝利和福島核電站的泄漏事件，以及核廢料的處理給環境構成的巨大安全威脅，促使公眾更加審慎地對待未來的替代能源。而資源無限，不會造成污染的光伏發電，或將成為今后替代能源的首選。

3 技術發展的先天性

傳統礦物資源的枯竭和環境問題的日益惡化，促使人類將目光轉向取之不盡、用之不竭、清潔無污染，隨時可開發的太陽能資源，據統計計算，太陽能每秒鐘到達地面的能量高達80萬千瓦，如果把到達地球表面0.1%的太陽能轉換為電能，以5%的轉換效率計算，每年發電量可達5.6×1012千瓦小時，相當于目前世界上能耗的40倍，因此，光伏發電技術是近年來發展最快、最具活力的研究領域之一。

太陽每秒鐘照射到地球上的能量相當于燃燒500萬噸標準煤，人類一年消耗的能源是130萬億千瓦時，而地球接受的太陽能每年是120萬萬億千瓦時，是人類當今消耗能源的一萬倍。因此，太陽能被認為是最廉價的可再生能源，廣泛受到世界各國的高度重視。

中國2／3的囯土面積日照時數在2200h以上，年太陽幅射總量超過每平方米5000MJ，為發展光伏產業提供了良好的先天條件。

中國太陽輻射開闊地利用小時數平均1350小時。我國沙漠、沙化土地120萬平方公里，2平方公里可以安裝100MW，1%的荒漠可安裝，則能裝600GW，即6億千瓦。

4 技術上的可行性

太陽能電池的發展已經歷了三代：笫一代為單晶硅太陽能電池；第二代為多晶硅、非晶硅等太陽能電池；第三代是銅銦鎵（CIGS）薄膜太陽能電池。

不過從目前市場構成來看，晶體硅電池仍然是目前太陽能光伏電池的主流。晶體硅電池主要應用于太陽能屋頂電站，是目前技術最成熟、應用最廣泛的太陽能光伏產品，所占世界光伏市場份額超過80%。

在硅系列太陽能電池中，單晶硅太陽能電池轉換效率最高（16%～20%），技術也最為成熟，但成本居高不下。多晶硅太陽能電池成本低，但轉化效率一般為14%～16%，不過由于當前生產工藝成熟，已成為占有率最高的主流產品。薄膜太陽能電池雖然成本低，但存在轉化率低（5%～7%），光致衰退性能不穩定等缺點。目前，已產業化的薄膜光伏電池材料有三種：非晶硅（α－Si）、銅銦硒（CIS）、銅銦鎵（CIGS）和鍗化鎘（Cd Te），其中非晶硅薄膜電池生產比重最大。

5 太陽能電池材料特點的多樣性

從技術上講，晶體硅并不是最佳材料，其中光電轉換效率亦非最佳；從成本上來說，晶體硅電池成本偏高，其市場價格約為＄3／Wp～＄4／Wp。因此，進一步發展高轉換率和低成本的太陽能電池就成為光伏領域必然的發展趨勢［5，6］。

從光電轉換效率來講，Ga As基多結太陽能電池的轉換效率已經突破35.8%［7］。是目前所有太陽能電池中最高的，但是，Ga、In、P、Ge等都屬稀有元素，其成本遠大于硅電池的材料成本，而電池片的價格是光伏系統成本最主要部分。因此，較高的發電成本制約了其大規模地面應用。

從降低成本來說，薄膜技術近年來異軍突起，世界第二大光伏生產商First solar主要以薄膜太陽能電池為主。有望成為光伏電池技術未來發展趨勢之一［8］。目前已商業化生產的薄膜電池有三種：非晶硅（α－Si）、銅銦硒（CIS）和鍗化鎘｛Cd Te｝。

更有希望的薄膜太陽能電池是多晶薄膜太陽能電池。與傳統多晶硅太陽能電池相比，制造多晶硅薄膜電池可以節省硅材料70%以上，減少能耗60%以上，可顯著降低電池制造過程中碳的排放。因此，研制多晶硅薄膜太陽能電池具有更大的經濟效益和社會效益。

6 世界光伏產業發展的計劃性

世界上將光伏產業的發展趨勢分為三個階段：

6.1 近期發展趨勢

Solar Annual認為2007～2011年內太陽能電池產量仍將持續增長，且仍以晶體硅太陽能電池為主。

太陽能電池組裝件隨著成本迅速降低，高純硅材料價格從2008年10月的3.55美元∕Wp，降低到2009年12月的1.78美元∕Wp。

2011～2013年光伏發電可實現平價上網，美國對光伏發電成本下降的預測相當樂觀。認為2015年前后光伏發電成本將與常規發電成本相一致。

6.2 中期發展趨勢

按照歐洲2020年光伏新發展計劃，到2020年，裝機容量為400GW，而美國奧巴馬政府2020年的宏偉發展目標則將實現裝機容量350GW。

6.3 遠期發展趨勢

根據歐盟委員會聯合研究中心（JRC）預測，到2030年可再生能源在世界能源結構中占30%以上，太陽能光伏發電在世界電力供應總量中占10%以上；2040年可再生能源將占世界能源消費總量的50%以上，太陽能光伏發電在世界電力供應總量中占20%以上；到本世紀末，可再生能源將在世界能源結構中占到80%以上，而太陽能發電將在世界電力供應總量中占60%以上。

7 金剛石線鋸加工技術的先進性

高新行業中使用之材料，經常屬于高單價的材料，例如單晶硅、多晶硅和藍寶石。“硅”是一種存在于地殼中僅次于“氧”的元素，其特性為硬脆，莫氏硬度6.5，可依需要制作成單、多晶硅，廣泛使用在集成電路基板、綠色能源如太陽能電池上。由于材料制造成本昂貴，加工中多要求精度高，加工效率快，材料損失小及潔凈的加工環境。因此，在光伏產業整個產業鏈中，硅片生產是多晶硅或單晶硅光伏電池技術中成本最昂貴的部分。

當晶圓直徑達到Ф300mm時，內圓刀片的外徑將達到1.18m，內徑為410mm，這會在制造、安裝與調試上帶來很多困難。所以，后期主要發展線切割為主的硅片切割技術。隨著300mm和更大直徑的單晶和多晶硅鑄錠出現以及對更薄硅片的需求，上世紀90年代出現了多線鋸，它可以高效率地切割大直徑薄硅片，目前成為硅片切割最常用的方法。

晶硅片的線切割方式有兩種，即游離磨料式鋼絲線鋸切割和固結金剛石線鋸切割，而固結金剛石線鋸比游離磨料式鋼絲線鋸具有明顯的優勢［9－10］：

（1）切割效率成倍提高，線鋸材料消耗大幅降低，減少故障時間，從而降低總成本（TCO）支出。

（2）避免使用由聚乙二醇和碳化硅組成的研磨漿液，從而解決了廢料回收的難題。

（3）采用金剛石線鋸能改善晶片的質量。

（4）能降低金屬的污染。如使用≤Φ0.1mm的線鋸切割，污染將更少。

國外金剛石線鋸尤其是金剛石多線鋸在晶片切割中的應用，也是最近幾年發展起來的。在臺灣和日本兩地大量推廣使用，使用率已達到80%，而歐美的金剛石線鋸僅有20%。目前，多線鋸切割機廠家為適應兩種切割方式，進行了大力改進，線速度提高到1000m∕min以上，進給速度提高到0～15mm∕min。

我國金剛石線切割技術研發的難點：

（1）線材的合理選擇。不但要求有最高的拉伸強度，還要有好的抗疲勞強度。

（2）保證整條線鋸上金剛石電鍍的均勻性和質量的穩定性。

（3）產業化生產工藝及其成套技術設備的設計與制造。

（4）科研基礎薄弱，許多先進的核心技術依然被歐美日等掌握。

（5）強有力的光伏產業技術戰略同盟尚未形成。

為了迎合新材料、新能源等戰略性高新產業的發展勢頭，我們必須在穩中求進中，調整和優化產業結構，強勢開發和研究包括金剛石線鋸在內的用于加工硬脆貴重材料的金剛石工具，才能取得突破性的高速發展。

2011年2月在上海舉行的世界最大的第五屆國際太陽能產業及光伏工程展覽會上，制造設備和加工工具是國外知名品牌廠商的天下。國外多線切割機報價少則600萬元∕臺，多則1000萬元∕臺，而同樣性能的國產多線切割機只要200萬元∕臺。

用于太陽能電池的硅片厚度僅有0.18～0.25mm，其厚度誤差（TTV）要求10～20μm，對硅片要求極高，表面不能有細微裂紋和劃痕，不能有彎曲、凹凸的形貌缺陷。

在多線切割設備技術和制造領域，瑞士、日本、美國和德國等工業發達國家處于領先水平

呂智等提出：“要以戰略的眼光考量金剛石線鋸技術對于發展光伏產業、電子產業的作用，降低太陽能成本將起到十分重要的關鍵作用。”因而要密切關注和追蹤最新金剛石線鋸的發展動態，不斷創新，縮短差距，努力追趕世界先進水平。

近年來太陽能行業對大面積薄硅片的需求量不斷增加。據統計，80%的太陽能電池都要求使用大直徑多晶硅錠。隨著光伏電池技術發展，要求硅片的厚度不斷降低，從1990年的400μm到2005年的240μm，同時單晶硅片的面積也從100cm2增加到240cm2，光伏電池的效率從10%增加到現在的13%。隨著3G技術的進一步發展，將來對柔性、透明、超薄（40μm）硅片的需求量也逐步增加。但是太陽能電池用的硅片的切割成本一直居高不下，占總的制造成本的30%左右。

隨著對硅晶體切割厚度、質量和效率要求的不斷提高，對相應的切割設備和切割工具也提出了更高的要求。傳統硅片切割使用的是金剛石外圓和內圓切割。外圓切割由于受外圓鋸片剛度的影響，硅片的切縫較大（1mm左右），而且切割硅片的直徑也一般限制在100mm以內。內圓切割由于在外圓部分夾緊，這使內圓鋸片的剛性提高，其切縫也可以達到300μm左右。由于在切縫和切割直徑上的優勢，內圓切割成為切割直徑為150～200mm硅片的主要方法。

固著磨料線鋸切片技術，以其鋸口損耗小，精度好和切割環境清潔等優點［10］，有望成為單晶硅等硬脆材料切片的未來發展方向。

由于固著磨料多線鋸的諸多優點，已經逐漸取代游離磨料多線鋸。但目前受磨料在基體上固著方法的限制，金剛石磨料與鋸絲基體結合強度不高，鋸絲的壽命也受到限制。因此，使用更細、強度更高的鋸絲基體，提高鋸絲的壽命，改進多線鋸鋸切工藝參數，減小切縫寬度，提高切割晶體表面質量將是硅片精密切割多線鋸的研究和發展方向。這一動向應引起我們的高度重視。

8 多晶硅技術與價格的挑戰性

光伏行業是一個高度國際化市場，中國的多晶硅組件98%依靠出口，中國的光伏組件企業也進口國外的多晶硅料。就多晶硅而言，現在國外一些企業已經能夠做到30美元／公斤的成本，但國內大多數企業成本仍然在50美元／公斤左右。

中國多晶硅成本之所以這么高，是因為多晶硅材料并不屬于勞動密集型產業，企業都是規模化和高度自動化的，而中國大多數多晶硅材料企業都是成套引進國外設備，并不掌握核心技術，多晶硅技術一直被國外8家大公司壟斷。與發達國家相比，國內生產多晶硅能耗高而且產品質量不穩定［11］。

由于一直沒有掌握真正核心的多晶硅生產技術，我國多晶硅生產能耗和成本較高，成為太陽能光伏產業發展中的一道“硬傷”。破解多晶硅生產技術的瓶頸，提高全行業技術水平，進而提高綜合競爭力，已經是國內多晶硅行業能否健康發展的關鍵。

多晶硅是太陽能光伏電池的主要原材料。2007年多晶硅管最高賣到400美元／公斤，國內許多企業在暴利的吸引下蜂擁而至，產量迅速增加。但受金融危機的影響，2008年多晶硅價格驟降。太陽能電池組件伴隨著成本的降低迅速降價。高純多晶硅材料價格從2008年10月的3.55美元／Wp降到2009年12月的1.78美元／Wp。值得注意的是，國外低價多晶硅的大量涌進，將嚴重沖擊作為新興戰略性產業之一的太陽能產業。

與此同時，太陽能產業的不斷擴大，使得國內多晶硅的缺口進一步擴大，直接刺激多晶硅進口量增大。2009年我國多晶硅產量為1.8萬t～2萬t，而需求在4萬t左右，約50%需要依賴進口；預計我國多晶硅的產量將達到2.5萬t～3萬t，仍將有40%～50%的多晶硅需求缺口。

進口多晶硅價格繼續下滑，2010年2月份降至47.4美元／公斤，同比下降27.7%，為2009年以來江蘇口岸多晶硅月進口均價最低水平

9 政策扶持的重要性

世界各國的光伏激勵政策及相關法律的保障對降低光伏發電成本的作用不可忽視。圖2給出了美國能源部對光伏價格的預測結果，其中，SAI為美國太陽能先導計劃，從這個圖中可以看出政策的扶持對光伏發電成本的降低具有十分顯著的作用。不難想像，當光伏發電成本與常規能源發電成本相當的時候，它的市場將會更加廣闊。

圖2 美國能源部對光伏發電價格的預測Fig.2 Predication on the price of electricity generated photovoltaically by the United States

圖3給出了世界太陽能電池歷年產量的柱形圖，可以看出光伏發電已經從“候補能源”逐步向“替代能源”過渡，這其中離不開政策的扶持。眾所周知，目前光伏發電成本較傳統能源發電來說，相對較高，單純市場的拉動不可能使光伏產業發展如此迅猛，這主要得益于德國、日本、美國和西班牙各國的鼓勵政策。

圖3 世界太陽能電池歷年產量柱形圖Fig.3 The chart of historical solar battery output of the world

10 給力內需確保發展的可持續性

世界光伏產業規模呈現中、日、德三足鼎立格局，中國光伏電池產量并不具備絕對優勢，特別是中國光伏產業鏈的上游發展比較滯后，一度需要大規模進口多晶硅以滿足光伏電池生產的需要，即使近幾年上游多晶硅的產能擴張很快，但在技術水平，環境治理方面與世界先進水平仍存在較大差距。

與光伏產業高速發展大相徑庭的是中國光伏應用市場的發展非常緩慢。中國的光伏應用起步于20世紀70年代，但應用規模很小，直到90年代裝機容量才超過1MW。2008年，中國光伏系統的安裝總量總計40MW，僅相當于當年太陽能電池生產量的2%，這意味著98%的太陽能電池用于出口。

中國光伏產業發展主要得益于國外市場需求快速增長的拉動。世界光伏市場主要在發達國家。相比之下，中國光伏市場的發展遠遠滯后于產業的發展，國內光伏產業的應用范圍非常有限，90%以上的產品用于出口。

光伏產業表現為“兩頭在外”的特征，一方面關鍵的多晶硅材料進口量較大，另一方面產品主要以滿足國際市場需求為主，國內市場需求很小，特別是商業化市場規模有限。

我國光伏產業經過近幾年發展，已經躍升成為全球最大的光伏產業制造基地，全球最大的15家太陽能電池生產企業中，就有10家來自中國。產能占全球的一半以上，然而光伏產業嚴重依賴囯外市場，出口比例甚至高達90%，原材料也有一半來自國外，給整個行業的健康發展帶來不安定因素。因此，開發光伏產業的國內應用市場已經迫在眉睫！

最近，大家議論的一個較多的話題，就是有很多光伏企業倒閉了！筆者認為那些以“急功近利”為動力的、沒有技術含量或低水平重復上馬的企業的倒閉，并不是什么壞事，而對未來的發展卻是個好事！上述企業倒閉越多越徹底越好，沒有什么可惜的。最后需要提醒的是，不要因歐美等工業發達國家債務危機而放緩包括光伏產業在內的工業發展速度，而迷失發展方向。他們是放緩，而不是放棄！今天的放緩，是為未來的快速發展創造條件，積蓄力量！

據了解，我國在制定的新能源“十二五”發展規劃中，將光伏裝機目標上調至10GW，而去年我國裝機容量尚不足900兆瓦，這意味著，“十二五”期間，我國光伏發電的裝機容量將增長10倍以上。隨著更多扶持政策的出臺，隨著相關技術越來越成熟，相信我國光伏產業依然會具有廣闊的前景。

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