中國太陽能電池發展歷程回顧

queen的館藏 2013-05-24

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　　從1958年中國開始研制第一片晶體硅光伏電池以來，到現在已走過半個多世紀。光伏專家、上海交通大學太陽能研究所所長崔容強告訴記者：“中國的太陽能電池也經歷了從無到有、從空間到地面、由軍到民、由小到大、由單品種到多品種以及光電轉換效率由低到高的艱難而輝煌的歷程。”

    據統計，從2002年至今，中國太陽能電池產量猛增了77倍。2008年，我國太陽能電池產量約占世界總產量的三分之一，連續兩年成為世界第一大太陽能電池生產國。

    1839年法國物理學家貝克勒爾首次發現光伏效應；1954年美國貝爾實驗室制成第一個單晶硅太陽能電池；1983年美國在加州建立了當時世界上最大的太陽能電廠……人類從來未曾停止過追逐太陽的步伐。

    1969年研制完成硅太陽能電池組

    1958，我國研制出了首塊硅單晶

    中科院院士、中科院半導體研究所研究員王占國對記者說：“美國1957年左右拉出了首塊硅單晶，我國1958年也研制出了首塊硅單晶，隨后，中科院物理新成立的半導體研究室正式開始研發太陽能電池。”

    最初，研發出的電池主要用于空間領域。從1958年到1965年間，半導體所研制出的PN結電池效率突飛猛進，10×20mm電池效率穩定在15%，同國際水平相差不大。

    1968年至1969年底，半導體所承擔了為“實踐1號衛星”研制和生產硅太陽能電池板的任務。在研究中，研究人員發現，P+/N硅單片太陽電池在空間中運行時會遭遇電子輻射，造成電池衰減，使電池無法長時間在空間運行。

    于是，包括王占國在內的6人小組開始進行人造衛星用硅太陽電池輻照效應研究，實驗過程中，由于技術不成熟、設備落后，致使王占國的右手嚴重電子灼傷，從此他一直飽受痛苦，直到1978年夏天進行植皮手術才有所緩解。記者注意到，王占國院士右手手背上有一些黑色的褶皺，這正是老一輩科學家殫精竭慮獻身科學的印記。

    經過刻苦攻關，實驗結果給研究人員帶來巨大驚喜。王占國院士介紹，NP結硅太陽電池抗電子輻照的能力比PN結硅電池大幾十倍！隨后，半導體所做出了將硅PN電池改為NP定型投產的決定，生產出了5690片NP結硅太陽電池，其中達到空間應用要求的成品3350片，圓滿完成了“實踐1號”衛星用太陽能電池板的研制、生產任務。1971年實踐1號發射升空，在8年的壽命期內，太陽電池功率衰降不到15%，該項目在1978年全國科學大會上獲重大成果獎。

    1969年，半導體所停止了硅太陽電池研發，隨后，天津18所為東方紅二號、三號、四號系列地球同步軌道衛星研制生產太陽電池陣。

    王占國院士說：“70年代末，我國與國際同期開展了砷化鎵太陽能電池研究，該電池具有很高的光發射和光吸收系數，1999年，2×2cm2電池的轉換效率達22％。”

    1975年寧波、開封先后成立太陽電池廠，電池制造工藝模仿早期生產空間電池的工藝，太陽能電池的應用開始從空間降落到地面。

    上世紀80年代開始，我國太陽能電池開始進入萌芽期，研發工作在各地次第展開，但進展緩慢。

    崔容強介紹說，1986年國家計委在農村能源“1986—1990年第七個五年計劃”中列出了《太陽電池》專題，全國有6所大學和6個研究所開始進行晶體硅電池等的研究。

    20世紀80年代末期，國內先后引進了多條太陽能電池生產線，包括云南半導體廠從加拿大引進的1MW（兆瓦）生產線等，使中國太陽能電池的生產能力由原來的幾百KW（千瓦）一下子提升到4.5MW，這種產能一直持續到2002年，產量則只有2MW左右。

    “90年代中末期為我國太陽電池穩步發展期，經過引進、消化、吸收和再創新，太陽電池生產技術和工藝得到穩定發展和提高，生產量穩步增長，基本滿足了國內市場的需要并有極少量的出口。”崔容強說。

    1998年，我國政府開始關注太陽能發電，擬建第一套3MW多晶硅電池及應用系統示范項目，這個消息讓現在的天威英利新能源有限公司的董事長苗連生看到了一線曙光。可是，當時太陽能產業發展前景尚不明朗，加之受政策因素制約，令不少人對這一新能源項目望而卻步。在合作伙伴退出的情況下，苗連生毅然逆勢而上，爭取到了這個項目的批復，成為中國太陽能產業第一個“吃螃蟹”的人。

    2001年，無錫尚德建立10MWp（兆瓦）太陽電池生產線獲得成功，2002年9月，尚德第一條10MW太陽電池生產線正式投產，產能相當于此前四年全國太陽電池產量的總和，一舉將我國與國際光伏產業的差距縮短了15年。

    2005年12月14日，無錫尚德太陽能電力公司在紐約證券交易所上市，尚德的橫空出世及超常規發展帶來的“首富效應”啟動了中國太陽能產業的加速器，國內太陽能電池的生產和研發也駛入了快車道。

    天威英利公司相關負責人介紹，2003年12月19日，該公司的項目正式通過國家驗收，全線投產，填補了我國不能商業化生產多晶硅太陽能電池的空白。

    2003到2005年，在歐洲特別是德國市場拉動下，尚德和保定英利持續擴產，其他多家企業紛紛建立太陽電池生產線，使我國太陽電池的生產迅速增長，目前，我國太陽能電池產量占到世界總產量的30%。

    王占國院士指出：“近年來我國太陽能電池相關的技術研發取得了一些突破，但是，與國外相比可能還存在一些差距，主要表現在技術水平、產業和市場發展等方面。比如，幾種典型太陽電池的實驗室最好效率都比國外要低，我國單晶硅、多晶硅的實驗室效率分別為19.8%、16.5%，而國外的分別為24.8%和19.8%。”

    而且，王占國院士表示，我國太陽能電池制造中，很多設備都是從國外進口，耗費了企業大筆資金，所以，我們應該加大設備的研發和制造，以降低成本。

    北京地鐵站旁安裝的太陽能路燈

    2005，我國拉開多晶硅大發展的序幕

    多晶硅是整個太陽能電池產業的“命脈”，多晶硅原材料的短缺使太陽電池的成本居高不下，嚴重制約了太陽能電池產業和市場的發展。

    另外，多晶硅原材料的先進生產技術一直基本上掌握在美國、日本、德國等幾家主要生產商手中。由于種種原因（生產商對光伏產業能否保持穩定需求的疑慮、技術和市場壟斷的需要、擴產的滯后性），這些企業沒有一家宣布在中國建廠，更遑論技術轉讓。

    洛陽中硅高科技有限公司副總工程師嚴大洲表示：“國內光伏企業要擺脫受制于人的局面，必須‘苦練內功’，走自主研發的道路，加大技術創新力度。”

    嚴大洲介紹說，我國多晶硅始于1964年，但是技術水平低、規模小、產品單耗高、生產成本高。2005年之前，我國年產多晶硅還不到世界年總產量的0.5％。

    因此，2005年，業內著名專家梁駿吾、周廉、闕端麟三位兩院院士聯名報送中共中央、國務院等一份建議書，呼吁：“打破壟斷、政府主導、多方融資迅速建立年產上千噸級的多晶硅生產廠。”嚴大洲說：“院士的上書在業界引發了強烈反響，也堅定了我們走自主研發道路的決心。”

    在此背景下，科技部組織實施了863攻關計劃、“十一五”支撐計劃等，同時，國家發改委組織實施了《高純硅材料高技術產業化重大專項》，圍繞多晶硅生產各環節的重大技術難題，實施重點攻關，取得了一系列攻關和產業化成果，擁有了自主知識產權技術體系，為多晶硅的產業化發展贏得了主動權。

    2004年，洛陽單晶硅廠與中國有色設計總院共同組建的中硅高科自主研發出了12對棒節能型多晶硅還原爐，以此為基礎，2005年，國內第一個300噸多晶硅生產項目建成投產，從而拉開了中國多晶硅大發展的序幕。

    嚴大洲說：“我國首條產業化示范線建成，一方面給了業內人士信心，另一方面，也標志著多晶硅規模化生產技術體系形成，打破了國外多年的技術封鎖和市場壟斷。”

    另外，在多晶硅的提純技術上，我國也不斷取得突破。目前，世界上普遍采用“改良西門子工藝”提純，純度雖高，但能耗大、不環保。中科院上海技術物理所高文秀團隊另辟蹊徑，發明了“物理法”進行提純，2007年7月16日，部分樣品經日本方面測定，純度高達5N至6N（用于太陽能電池的多晶硅純度，要求遠遠高于99.9%：以“N”代表小數點后“9”的數量，須在4N以上），電耗和水耗分別只有“改良西門子工藝”的1/3和1/10。

    目前，國內絕大部分多晶硅生產都采用三氯氫硅工藝，這種高耗能工藝因四氯化硅等無法全部回收難以處理，環境污染嚴重。2008年，中硅高科承擔了國家“863”重點科技攻關項目—多晶硅副產物利用關鍵技術研究，該公司通過自主研發，成功完成了低溫加壓氫化技術的研究。嚴大洲介紹說：“目前，該項目已經在1000t/a和2000t/a多晶硅等項目上運行，四氯化硅經過幾次循環后，幾乎可實現全部回收利用。”

    而天威英利六九硅業現在采用的新硅烷生產多晶硅工藝耗電少，生產成本比同行業低24%，產量同比提高30%，副產品無污染并且可全部出售再利用。

    王占國院士稱，對目前占據光伏市場90%的晶體硅太陽電池來講，轉換效率的提高和硅片的薄型化是降低成本的主要途徑。

    據江西賽維公關部總監姚偉介紹，該公司最薄的硅片為160m左右，達到了世界領先的產業化水平。

    2007，我國成為生產太陽電池最多的國家

    嚴峻的晶硅短缺使很多太陽能電池生產設備處于停產狀態；不斷上漲的晶硅價格一步步蠶食著太陽能電池生產商的利潤。因此，尋找晶硅或減少對晶硅的依賴成為太陽能電池企業不得不面臨的選擇。非晶硅薄膜太陽能電池躍入了人們的眼球，獲得了難得的發展機遇。

    王占國告訴記者，薄膜電池不用硅片，而是在玻璃等廉價襯底上沉積薄膜半導體有源層，可望大幅度降低材料消耗和成本。他呼吁，國家應該多多重視薄膜太陽能電池的研究。

    薄膜電池中最常見的是非晶硅太陽能電池。與普通太陽能電池相比，非晶硅太陽能電池成本低、能耗低、無污染、弱光好，厚度僅為前者的二百分之一，更適合與建筑外墻結合構成墻體型太陽能發電系統，還可以應用在便攜式電子設備上。

    我國的非多晶硅太陽能電池研究也走了一條曲折的道路。早在1975年南開大學就開始進行非晶硅薄膜太陽電池的研究。上世紀80年代，我國從美國克羅拉公司引進一條1兆瓦非晶硅太陽能電池生產線，工業化較為成功。但截至2003年底，我國非晶硅太陽能電池還只有這一條生產線。

    然而，還是不斷有廠家朝非晶硅太陽能電池領域進發，并取得一定的成果。2008年北京奧運會期間，奧運村的太陽能熱水器系統采用的是由北京行者集團研發的非晶硅太陽能電池技術。這種太陽能熱水器可以為16800余名運動員提供洗浴熱水；奧運會后，它可以滿足約1868戶居民的生活熱水需求，每年可節電1000萬千瓦時。

    行者集團總裁馬昕表示：“行者具有完全自主知識產權的非晶硅太陽能薄膜電池主要以鋼化玻璃作為制作原料，靈敏度高，而且能夠實現全光譜吸收，即便利用微弱的月光也可以照常發電。”

    近年來，非晶硅太陽能電池獲得了較大的發展。數據顯示，2007年全球薄膜太陽能電池產量由2006年的181MW提升到了2007年的400MW。在我國，2007年行業增速約120%，預計未來3年內年均增速高達100%。

    8月29日，國務院參事、中國可再生能源學會理事長石定環在第四屆綠色財富（中國）論壇上表示，盡管我國從2007年開始成為世界生產太陽能電池最多的國家，但與國外還有不少的差距。而且，在各種新型太陽能電池的開發上，我們還處在起步的階段，而國外已經有了很大的發展，因此，我國太陽能電池的發展任重而道遠。

    這樣理性的思考正是此時需要的。目前，全球正在經歷一場前所未有的能源革命，太陽能是其中最耀眼的明珠，雄關漫道真如鐵，而今邁步從頭越，中國的太陽能電池產業正在慢慢抖落身上的泡沫，邁著更加扎實堅定的步伐，大踏步前行。正如《基督山伯爵》的結尾所言：“人類的全部智慧都包含在這兩個詞中：等待和希望。”

    大事記

    1999年，保定天威英利新能源有限公司承建了由原國家計委批復立項的“多晶硅太陽能電池及應用系統示范工程”項目，2003年12月19日正式通過國家驗收，全線投產，填補了我國不能商業化生產多晶硅太陽能電池的空白。

    2002年9月，無錫尚德公司第一條10兆瓦太陽電池生產線正式投產，產能相當于此前4年全國太陽電池產量的總和，一舉將我國與國際光伏產業的差距縮短了15年。

    2004年1月19日，中國第一臺12對棒多晶硅高效節能大還原爐在中硅高科試驗成功，各項技術指標均達到國際先進水平。至此，中國人掌握了由美國、日本、德國等國壟斷20余年的多晶硅生產核心技術。

    2005年，國內第一個300噸多晶硅生產項目在洛陽中硅建成投產，拉開了中國多晶硅大發展的序幕。

    2005年12月14日，無錫尚德在美國紐約證券交易所掛牌，成為中國內陸首家在紐交所掛牌上市的民營高科技企業。

    2007年，尚德公司總產能將超過500兆瓦，產量超過300兆瓦，銷售收入超過100億元，名列世界光伏行業第二。

    2007年３月３１日，由中硅高科承擔的國家８６３攻關課題——２４對棒節能型多晶硅還原爐成套裝置，通過科技部組織的專家驗收。

    2007年7月16日，中科院上海技術物理所高文秀團隊自主研發的物理提純法，產出99.9999%以上純度的太陽能電池硅產品，電耗和水耗分別只有“改良西門子工藝”的1/3和1/10。

    2008年8月，江西賽維ＬＤＫ正式向全球宣布，公司太陽能多晶硅片實際產能達到1000兆瓦，成為全球唯一一個進入太陽能光伏行業“Ｇ瓦俱樂部”的企業。

    2009年3月30日，尚德電力控股有限公司把冥王星技術應用在其冥王星電池生產線上順利生產，其中其單晶和多晶光伏電池轉換率分別約19%和17%。

    延伸閱讀

    未來的太陽能電池

    中科院院士褚君浩在接受本報記者采訪時曾表示，除了單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽能電池外，第三代太陽能電池是一些新概念、新結構的電池，如染料敏化電池、有機薄膜電池、納米結構電池等，這些電池在未來10年將根據其穩定性、效率和成本情況先后進入市場。

    我國科學家也一直在進行新型太陽能電池的研發工作并取得一定成果。2004年，中科院等離子體物理研究所在大面積染料敏化納米薄膜太陽電池方面取得了一定的突破，其造價僅為硅太陽電池成本1/10，而且工藝更簡單、性能更穩定，并建成了世界上第一個真正用于發電的500W染料敏化太陽電池示范系統。

    王占國院士介紹說，高效、低成本的有機/無機復合納米半導體柔性太陽能電池是目前國際前沿研發熱點之一。以微米不銹鋼帶為襯底的柔性非晶硅薄膜太陽能電池,具有重量輕、抗沖擊、可彎曲、易安裝以及應用領域寬等多方面的優點。

    據悉，2009年5月份，天津津能投資公司與美國聯合太陽能公司簽署了合同共同投資建設年產25兆瓦柔性非晶硅薄膜太陽能電池項目。

    展望太陽能電池的未來，王占國院士說：“薄膜化、高轉換效率、原材料豐富、無毒性和低成本是理想的第三代太陽能光伏電池，這是人們追求的最高目標。”

　　（信息來源：中研網）

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