电子产品世界

沿革

太阳电池(solar cell)是利用光生伏特效应将太阳光的能量直接转换为电能的固态电子器件，在太阳电池的光—能量转换过程中，不需经过其他中间能量形式，只是排出热量成为废热。

最早的光生伏特器件是硒光电池，由于转换效率太低，不可能用来发电，仅能用作光检测元件。1954年，具有6%转换效率的单晶硅太阳电池问世，从此有了实用的可能性，太阳电池之名也由此而来。用作太阳电池的材料有硅(Si)、GaAs、InP、CdS等，其中硅储量最为丰富、价格也最便宜，故迄今为止一直用作最主要材料。上世纪70年代初期，硅太阳电池开发曾有几项重大突破，使最高转换效率达到了19.1%。

硅太阳电池具有很长的寿命和很高的功率/重量比。早期硅太阳电池主要用作航天器的电源，在地面上主要用于航标灯、无人中继站电源、太阳能水泵、电子表和计算器等，后来才逐渐发展到太阳电池发电站和家庭供电。

太阳电池作为无污染能源和矿物燃料的一种替代品而日益受到人们重视，特别在上世纪80年代，世界对全球气候变暖的严重问题达成共识。1988年后联合国组成了专门有关气候变化的组织，目的是限制温室气体排放，稳定大气中的CO2浓度，以防止气候的危险变化，并鼓励太阳电池发电站多多投入实用。

2005年2月京都议定书(美国未参加)生效，对地球环境、能源问题再次给与了极大关注，要求各国普遍减少CO2排放量，进一步促进了太阳光、风力等自然能源的开发利用。日本、欧洲、美国都在积极推广太阳电池，欧洲近年措施得力，发展更为迅速。

日本政府通过补助金制度大力推进太阳电池的使用，1994年后获得顺利发展，到2003年，在太阳光发电系统的应用方面，日本一直处于世界领先地位。2004年日本的专门机构又拟订了“2030年前太阳光发电发展路线图”，加紧扩大利用太阳能发电，目标是到2030年能占家庭用电的一半，相当于占全部电力的10%。

此外，德国、意大利、西班牙等欧洲国家也都通过政府收购政策(价格是一般电费的3倍)以发展太阳电池发电的应用，美国布什总统在去年1月的国情资文中说，为减少对中东石油的依赖，决定实施大力投资太阳电池发电为主的取代能源政策。加州在2007年后的10年间累计引入太阳电池发电的容量将达3000MW。

市场

世界太阳电池自上世纪80年代末逐渐发展起来，近年，太阳电池应用开始发飚，迅速成长。据日本统计(图1)，2003年世界太阳电池以发电量计，比上年激增34%，达750MW，其中日本居首，独占49%，欧洲其次，占27%，美国和其他地区各占12%，2004年世界太阳电池生产量又猛升57%，达1180MW，首次突破1GW。又据日本三洋电机公司预测，世界太阳电池市场未来几年还将保持年均26%的增长速度前进，2010年可望达4GW。世界正进入太阳能时代。

图1 世界太阳电池市场的发展

图2 世界太阳电池市场展望

随着新材料的开发和价格的下降，有公司乐观预测，2010年世界太阳电池市场可达5-7GW，到2020年这段时间还将加速发展，2010-16年间可突破100GW，2020年可望达到300~500GW/年(图3)。

图3 太阳电池市场长期展望

当然，除了太阳电池之外，还有其他新能源发电方式，包括风力发电、废弃物发电等，但太阳电池发电将愈来愈占重要的地位。日本政府调查，2010年在各种新能源发电中太阳电池不过占9%，待到2030年将成长到占51%，其时废弃物发电占9.5%，风力发电占6.8%。

材料

当前，太阳电池的制造原料主要是硅，包括单晶硅和多明硅占90%以上。结晶硅(单晶硅、多晶硅和HIT-Hetrojunctien with Intrisic Thin-layer 薄膜非晶硅和单晶硅组成的太阳电池)太阳电池变换效率一般，价格适中，主要用于地面发电；非晶硅太阳电池效率低，成本也低，主要用于消费电子(如计算器)；砷化镍太阳电池效率高，成本也高，主要为太空应用。

由于太阳电池事业近年发展之快出乎意料，因此硅材料特别是今后一二年会感到十分紧迫。如果按制造1W太阳电池需要10g硅的话，那么2005年1.7GW的太阳电池市场需要1.7万吨的硅。实际上，当年世界共生产硅3.1万吨，用于太阳电池的为1.3万吨，其余的硅供集成电路等半导体生产使用，缺口甚大。为此，各生产厂商包括Hemlock、Tokuyama、Wacker等公司都将扩大生产，预计2008年世界硅供应量达5.5万吨，2010年可望达到7.2万吨，或可得到一定程度的缓解。

除了原料不足之外，面临的另一个大问题是价格。这一问题将随着新材料的开发使用而逐渐得到解决。据日本业界的调研，眼下的发电成本是每度47日元(约合40美分，1美元＝116日元)，2010年有望降低到一般家用电费的水平，即23日元/度，2020年将进一步降到与业务用电费相等，14日元/度，2030年再降到与火力发电同样的成本水平7日元/度，近30年降低7倍，在新材料突破应用，原材料问题解决之后，世界太阳电池市场将扩大到现有市场的10倍、100倍。

正在兴起并最有前途的新材料当属薄膜。薄膜太阳电池主要有非晶硅太阳电池、CIS(顺式)化合物和有机化合物等(图4)。非晶硅又包括H膜硅和微晶硅，近年实用化迅速，故称明日之星。因为硅的光吸收层只要2~3mm，所以使用原料只及结晶硅的百分之一，从而可大大节省原料。日本不少厂商，包括从事结晶硅太阳电池的Sharp等都将投入开发生产。薄膜太阳电池普及的关键是价格性能比，它的变换效率必须再提高1.2倍，才能达到多晶硅太阳电池16%的效率。当然，价格也需下降。随着问题的解决，薄膜太阳电池的生产量将从现在占太阳电池总产量的5%，两三年内即可达二三成。薄膜太阳电池将首先面向工厂、学校、办公大楼等的发电应用。薄膜太阳电池的硅薄膜具有轻、薄、可弯曲等特性，可以和屋顶钢板做到一起去。另一种预计是2010年世界太阳电池总生产量为3GW，而薄膜太阳电池为600~1000MW。

图4 太阳电池使用材料

化合物薄膜太阳电池有CdTe和CIS两类，日本主要从事CIS的开发，昭和壳牌石油公司和本田工业公司共同发表声明，2007年开始可投入量产。CIS太阳电池面临的课题是大面积高效模块的制作。此外，CIS太阳电池的原料In有枯竭之虑，未来大量生产时须考虑替代用品。

有机太阳电池一般有湿式色敏太阳电池和固体有机薄膜太阳电池两类。色敏太阳电池由于电解液要蒸发而导致性能降低，厂商正积极开发，固体或凝固体电解液，含有Ru的有机太阳电池变换效率已超过10%。固体有机薄膜太阳电池和硅太阳电池相同，采用Pn结，近年变换效率提高很快。有机材料异常丰富，无古竭之虑，制造成本便宜，且易挠性化，今后势将快速发展。

厂商

日本Sharp公司年产太阳电池324MW，到2004年的5年中一直是世界上稳坐龙头老大，它的产量大于全欧，比北美大约一倍。第二大公司是日本Kyocera公司，年产105MW，第三还是日本公司—三菱电机公司，年产75MW。随后依次是德国Q-Cell、日本三洋、美国Shell Solar、西班牙Isofoton、德国RWE Schott Solar、年产34MW的澳大利亚BP Solar。年产20MW的太阳电池公司2004年已达到15家，比上年增加了5家。

Sharp公司投资3.4亿美元在奈良县葛城市建立葛城工厂，使其2005年产量增加到500MW，2006年又投资5.9亿美元，将进一步提高生产能力，以保持其世界同业顶尖公司的地位。三菱电机的生产能力，2006年扩大到了230MW。三洋电机制订了“下一代HIT太阳电池”大计划，计划投资3.36亿美元，2010年达到600MW的年产能力，进入世界顶级公司之列。京陶公司的八日市工厂，年产240MW，并在捷克建造了面向欧洲的太阳电池工厂，在全球实施四级生产体制。

薄膜硅太阳电池最大生产公司是位于日本大阪的卡内卡公司，到2007年春投资约4.2亿美元，生产能力已达50MW，明年计划扩大到70MW，并向100MW挺进；Sharp现生产15MW，将迅速增加到100MW；三菱重工业年产40MW，今后将逐渐提高到80MW，120MW；富士电机系统公司年产15MW，2009年可达30MW，并将扩大到100MW。采用化合物薄膜生产太阳电池的公司有昭和壳牌石油公司，年产20MW；本田公司年产27.5MW。采用球形硅生产电池的公司有富基珀雷阿姆公司，年产12MW，2010年计划达120MW。

太阳电池生产采用新材料，为业界还来新的机遇，会有不少新公司参加进来，促进太阳电池加快发展。主要硅原料供应公司有Hemlock、托库雅玛、沃克等；电极材料供应有杜邦、Ferro等公司。进入新材料使用期，旭硝子公司将供应玻璃基板；帝人杜邦薄膜公司供应柔性基材。

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