中國太陽能電池發(fā)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(xiàn)在已走過半個(gè)多世紀(jì)。光伏專家、上海交通大學(xué)太陽能研究所所長崔容強(qiáng)告訴記者：“中國的太陽能電池也經(jīng)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(zhuǎn)換效率由低到高的艱難而輝煌的歷程。”

    據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2002年至今，中國太陽能電池產(chǎn)量猛增了77倍。2008年，我國太陽能電池產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的三分之一，連續(xù)兩年成為世界第一大太陽能電池生產(chǎn)國。

    1839年法國物理學(xué)家貝克勒爾首次發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)；1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室制成第一個(gè)單晶硅太陽能電池；1983年美國在加州建立了當(dāng)時(shí)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(dǎo)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(dǎo)體研究室正式開始研發(fā)太陽能電池?！?

    最初，研發(fā)出的電池主要用于空間領(lǐng)域。從1958年到1965年間，半導(dǎo)體所研制出的PN結(jié)電池效率突飛猛進(jìn)，10×20mm電池效率穩(wěn)定在15%，同國際水平相差不大。

    1968年至1969年底，半導(dǎo)體所承擔(dān)了為“實(shí)踐1號(hào)衛(wèi)星”研制和生產(chǎn)硅太陽能電池板的任務(wù)。在研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，P+/N硅單片太陽電池在空間中運(yùn)行時(shí)會(huì)遭遇電子輻射，造成電池衰減，使電池?zé)o法長時(shí)間在空間運(yùn)行。

    于是，包括王占國在內(nèi)的6人小組開始進(jìn)行人造衛(wèi)星用硅太陽電池輻照效應(yīng)研究，實(shí)驗(yàn)過程中，由于技術(shù)不成熟、設(shè)備落后，致使王占國的右手嚴(yán)重電子灼傷，從此他一直飽受痛苦，直到1978年夏天進(jìn)行植皮手術(shù)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(xué)家殫精竭慮獻(xiàn)身科學(xué)的印記。

    經(jīng)過刻苦攻關(guān)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果給研究人員帶來巨大驚喜。王占國院士介紹，NP結(jié)硅太陽電池抗電子輻照的能力比PN結(jié)硅電池大幾十倍！隨后，半導(dǎo)體所做出了將硅PN電池改為NP定型投產(chǎn)的決定，生產(chǎn)出了5690片NP結(jié)硅太陽電池，其中達(dá)到空間應(yīng)用要求的成品3350片，圓滿完成了“實(shí)踐1號(hào)”衛(wèi)星用太陽能電池板的研制、生產(chǎn)任務(wù)。1971年實(shí)踐1號(hào)發(fā)射升空，在8年的壽命期內(nèi)，太陽電池功率衰降不到15%，該項(xiàng)目在1978年全國科學(xué)大會(huì)上獲重大成果獎(jiǎng)。

    1969年，半導(dǎo)體所停止了硅太陽電池研發(fā)，隨后，天津18所為東方紅二號(hào)、三號(hào)、四號(hào)系列地球同步軌道衛(wèi)星研制生產(chǎn)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(fā)射和光吸收系數(shù)，1999年，2×2cm2電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)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(chǎn)空間電池的工藝，太陽能電池的應(yīng)用開始從空間降落到地面。

    上世紀(jì)80年代開始，我國太陽能電池開始進(jìn)入萌芽期，研發(fā)工作在各地次第展開，但進(jìn)展緩慢。

    崔容強(qiáng)介紹說，1986年國家計(jì)委在農(nóng)村能源“1986—1990年第七個(gè)五年計(jì)劃”中列出了《太陽電池》專題，全國有6所大學(xué)和6個(gè)研究所開始進(jìn)行晶體硅電池等的研究。

    20世紀(jì)80年代末期，國內(nèi)先后引進(jìn)了多條太陽能電池生產(chǎn)線，包括云南半導(dǎo)體廠從加拿大引進(jìn)的1MW（兆瓦）生產(chǎn)線等，使中國太陽能電池的生產(chǎn)能力由原來的幾百KW（千瓦）一下子提升到4.5MW，這種產(chǎn)能一直持續(xù)到2002年，產(chǎn)量則只有2MW左右。

    “90年代中末期為我國太陽電池穩(wěn)步發(fā)展期，經(jīng)過引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新，太陽電池生產(chǎn)技術(shù)和工藝得到穩(wěn)定發(fā)展和提高，生產(chǎn)量穩(wěn)步增長，基本滿足了國內(nèi)市場的需要并有極少量的出口?！贝奕輳?qiáng)說。

    1998年，我國政府開始關(guān)注太陽能發(fā)電，擬建第一套3MW多晶硅電池及應(yīng)用系統(tǒng)示范項(xiàng)目，這個(gè)消息讓現(xiàn)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(dāng)時(shí)太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)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(xiàng)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(gè)項(xiàng)目的批復(fù)，成為中國太陽能產(chǎn)業(yè)第一個(gè)“吃螃蟹”的人。

    2001年，無錫尚德建立10MWp（兆瓦）太陽電池生產(chǎn)線獲得成功，2002年9月，尚德第一條10MW太陽電池生產(chǎn)線正式投產(chǎn)，產(chǎn)能相當(dāng)于此前四年全國太陽電池產(chǎn)量的總和，一舉將我國與國際光伏產(chǎn)業(yè)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(guī)發(fā)展帶來的“首富效應(yīng)”啟動(dòng)了中國太陽能產(chǎn)業(yè)的加速器，國內(nèi)太陽能電池的生產(chǎn)和研發(fā)也駛?cè)肓丝燔嚨馈?

    天威英利公司相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，2003年12月19日，該公司的項(xiàng)目正式通過國家驗(yàn)收，全線投產(chǎn)，填補(bǔ)了我國不能商業(yè)化生產(chǎn)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(dòng)下，尚德和保定英利持續(xù)擴(kuò)產(chǎn)，其他多家企業(yè)紛紛建立太陽電池生產(chǎn)線，使我國太陽電池的生產(chǎn)迅速增長，目前，我國太陽能電池產(chǎn)量占到世界總產(chǎn)量的30%。

    王占國院士指出：“近年來我國太陽能電池相關(guān)的技術(shù)研發(fā)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(xiàn)在技術(shù)水平、產(chǎn)業(yè)和市場發(fā)展等方面。比如，幾種典型太陽電池的實(shí)驗(yàn)室最好效率都比國外要低，我國單晶硅、多晶硅的實(shí)驗(yàn)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(shè)備都是從國外進(jìn)口，耗費(fèi)了企業(yè)大筆資金，所以，我們應(yīng)該加大設(shè)備的研發(fā)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(fā)展的序幕

    多晶硅是整個(gè)太陽能電池產(chǎn)業(yè)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(yán)重制約了太陽能電池產(chǎn)業(yè)和市場的發(fā)展。

    另外，多晶硅原材料的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)一直基本上掌握在美國、日本、德國等幾家主要生產(chǎn)商手中。由于種種原因（生產(chǎn)商對光伏產(chǎn)業(yè)能否保持穩(wěn)定需求的疑慮、技術(shù)和市場壟斷的需要、擴(kuò)產(chǎn)的滯后性），這些企業(yè)沒有一家宣布在中國建廠，更遑論技術(shù)轉(zhuǎn)讓。

    洛陽中硅高科技有限公司副總工程師嚴(yán)大洲表示：“國內(nèi)光伏企業(yè)要擺脫受制于人的局面，必須‘苦練內(nèi)功’，走自主研發(fā)的道路，加大技術(shù)創(chuàng)新力度?！?

    嚴(yán)大洲介紹說，我國多晶硅始于1964年，但是技術(shù)水平低、規(guī)模小、產(chǎn)品單耗高、生產(chǎn)成本高。2005年之前，我國年產(chǎn)多晶硅還不到世界年總產(chǎn)量的0.5％。

    因此，2005年，業(yè)內(nèi)著名專家梁駿吾、周廉、闕端麟三位兩院院士聯(lián)名報(bào)送中共中央、國務(wù)院等一份建議書，呼吁：“打破壟斷、政府主導(dǎo)、多方融資迅速建立年產(chǎn)上千噸級(jí)的多晶硅生產(chǎn)廠?！眹?yán)大洲說：“院士的上書在業(yè)界引發(fā)了強(qiáng)烈反響，也堅(jiān)定了我們走自主研發(fā)道路的決心?！?

    在此背景下，科技部組織實(shí)施了863攻關(guān)計(jì)劃、“十一五”支撐計(jì)劃等，同時(shí)，國家發(fā)改委組織實(shí)施了《高純硅材料高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重大專項(xiàng)》，圍繞多晶硅生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的重大技術(shù)難題，實(shí)施重點(diǎn)攻關(guān)，取得了一系列攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化成果，擁有了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)體系，為多晶硅的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展贏得了主動(dòng)權(quán)。

    2004年，洛陽單晶硅廠與中國有色設(shè)計(jì)總院共同組建的中硅高科自主研發(fā)出了12對棒節(jié)能型多晶硅還原爐，以此為基礎(chǔ)，2005年，國內(nèi)第一個(gè)300噸多晶硅生產(chǎn)項(xiàng)目建成投產(chǎn)，從而拉開了中國多晶硅大發(fā)展的序幕。

    嚴(yán)大洲說：“我國首條產(chǎn)業(yè)化示范線建成，一方面給了業(yè)內(nèi)人士信心，另一方面，也標(biāo)志著多晶硅規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)體系形成，打破了國外多年的技術(shù)封鎖和市場壟斷。”

    另外，在多晶硅的提純技術(shù)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(huán)保。中科院上海技術(shù)物理所高文秀團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，發(fā)明了“物理法”進(jìn)行提純，2007年7月16日，部分樣品經(jīng)日本方面測定，純度高達(dá)5N至6N（用于太陽能電池的多晶硅純度，要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于99.9%：以“N”代表小數(shù)點(diǎn)后“9”的數(shù)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(nèi)絕大部分多晶硅生產(chǎn)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(huán)境污染嚴(yán)重。2008年，中硅高科承擔(dān)了國家“863”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目—多晶硅副產(chǎn)物利用關(guān)鍵技術(shù)研究，該公司通過自主研發(fā)，成功完成了低溫加壓氫化技術(shù)的研究。嚴(yán)大洲介紹說：“目前，該項(xiàng)目已經(jīng)在1000t/a和2000t/a多晶硅等項(xiàng)目上運(yùn)行，四氯化硅經(jīng)過幾次循環(huán)后，幾乎可實(shí)現(xiàn)全部回收利用?！?

    而天威英利六九硅業(yè)現(xiàn)在采用的新硅烷生產(chǎn)多晶硅工藝耗電少，生產(chǎn)成本比同行業(yè)低24%，產(chǎn)量同比提高30%，副產(chǎn)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(jù)光伏市場90%的晶體硅太陽電池來講，轉(zhuǎn)換效率的提高和硅片的薄型化是降低成本的主要途徑。

    據(jù)江西賽維公關(guān)部總監(jiān)姚偉介紹，該公司最薄的硅片為160m左右，達(dá)到了世界領(lǐng)先的產(chǎn)業(yè)化水平。

    2007，我國成為生產(chǎn)太陽電池最多的國家

    嚴(yán)峻的晶硅短缺使很多太陽能電池生產(chǎn)設(shè)備處于停產(chǎn)狀態(tài)；不斷上漲的晶硅價(jià)格一步步蠶食著太陽能電池生產(chǎn)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(yè)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(fā)展機(jī)遇。

    王占國告訴記者，薄膜電池不用硅片，而是在玻璃等廉價(jià)襯底上沉積薄膜半導(dǎo)體有源層，可望大幅度降低材料消耗和成本。他呼吁，國家應(yīng)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(jié)合構(gòu)成墻體型太陽能發(fā)電系統(tǒng)，還可以應(yīng)用在便攜式電子設(shè)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(xué)就開始進(jìn)行非晶硅薄膜太陽電池的研究。上世紀(jì)80年代，我國從美國克羅拉公司引進(jìn)一條1兆瓦非晶硅太陽能電池生產(chǎn)線，工業(yè)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(chǎn)線。

    然而，還是不斷有廠家朝非晶硅太陽能電池領(lǐng)域進(jìn)發(fā)，并取得一定的成果。2008年北京奧運(yùn)會(huì)期間，奧運(yùn)村的太陽能熱水器系統(tǒng)采用的是由北京行者集團(tuán)研發(fā)的非晶硅太陽能電池技術(shù)。這種太陽能熱水器可以為16800余名運(yùn)動(dòng)員提供洗浴熱水；奧運(yùn)會(huì)后，它可以滿足約1868戶居民的生活熱水需求，每年可節(jié)電1000萬千瓦時(shí)。

    行者集團(tuán)總裁馬昕表示：“行者具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)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?qū)崿F(xiàn)全光譜吸收，即便利用微弱的月光也可以照常發(fā)電?！?

    近年來，非晶硅太陽能電池獲得了較大的發(fā)展。數(shù)據(jù)顯示，2007年全球薄膜太陽能電池產(chǎn)量由2006年的181MW提升到了2007年的400MW。在我國，2007年行業(yè)增速約120%，預(yù)計(jì)未來3年內(nèi)年均增速高達(dá)100%。

    8月29日，國務(wù)院參事、中國可再生能源學(xué)會(huì)理事長石定環(huán)在第四屆綠色財(cái)富（中國）論壇上表示，盡管我國從2007年開始成為世界生產(chǎn)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(fā)上，我們還處在起步的階段，而國外已經(jīng)有了很大的發(fā)展，因此，我國太陽能電池的發(fā)展任重而道遠(yuǎn)。

    這樣理性的思考正是此時(shí)需要的。目前，全球正在經(jīng)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(guān)漫道真如鐵，而今邁步從頭越，中國的太陽能電池產(chǎn)業(yè)正在慢慢抖落身上的泡沫，邁著更加扎實(shí)堅(jiān)定的步伐，大踏步前行。正如《基督山伯爵》的結(jié)尾所言：“人類的全部智慧都包含在這兩個(gè)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(jì)委批復(fù)立項(xiàng)的“多晶硅太陽能電池及應(yīng)用系統(tǒng)示范工程”項(xiàng)目，2003年12月19日正式通過國家驗(yàn)收，全線投產(chǎn)，填補(bǔ)了我國不能商業(yè)化生產(chǎn)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(chǎn)線正式投產(chǎn)，產(chǎn)能相當(dāng)于此前4年全國太陽電池產(chǎn)量的總和，一舉將我國與國際光伏產(chǎn)業(yè)的差距縮短了15年。

    2004年1月19日，中國第一臺(tái)12對棒多晶硅高效節(jié)能大還原爐在中硅高科試驗(yàn)成功，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國際先進(jìn)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(chǎn)核心技術(shù)。

    2005年，國內(nèi)第一個(gè)300噸多晶硅生產(chǎn)項(xiàng)目在洛陽中硅建成投產(chǎn)，拉開了中國多晶硅大發(fā)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(nèi)陸首家在紐交所掛牌上市的民營高科技企業(yè)。

    2007年，尚德公司總產(chǎn)能將超過500兆瓦，產(chǎn)量超過300兆瓦，銷售收入超過100億元，名列世界光伏行業(yè)第二。

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

    2007年7月16日，中科院上海技術(shù)物理所高文秀團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的物理提純法，產(chǎn)出99.9999%以上純度的太陽能電池硅產(chǎn)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(shí)際產(chǎn)能達(dá)到1000兆瓦，成為全球唯一一個(gè)進(jìn)入太陽能光伏行業(yè)“Ｇ瓦俱樂部”的企業(yè)。

    2009年3月30日，尚德電力控股有限公司把冥王星技術(shù)應(yīng)用在其冥王星電池生產(chǎn)線上順利生產(chǎn)，其中其單晶和多晶光伏電池轉(zhuǎn)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(bào)記者采訪時(shí)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(jié)構(gòu)的電池，如染料敏化電池、有機(jī)薄膜電池、納米結(jié)構(gòu)電池等，這些電池在未來10年將根據(jù)其穩(wěn)定性、效率和成本情況先后進(jìn)入市場。

    我國科學(xué)家也一直在進(jìn)行新型太陽能電池的研發(fā)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(jià)僅為硅太陽電池成本1/10，而且工藝更簡單、性能更穩(wěn)定，并建成了世界上第一個(gè)真正用于發(fā)電的500W染料敏化太陽電池示范系統(tǒng)。

    王占國院士介紹說，高效、低成本的有機(jī)/無機(jī)復(fù)合納米半導(dǎo)體柔性太陽能電池是目前國際前沿研發(fā)熱點(diǎn)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(yīng)用領(lǐng)域?qū)挼榷喾矫娴膬?yōu)點(diǎn)。

    據(jù)悉，2009年5月份，天津津能投資公司與美國聯(lián)合太陽能公司簽署了合同共同投資建設(shè)年產(chǎn)25兆瓦柔性非晶硅薄膜太陽能電池項(xiàng)目。

    展望太陽能電池的未來，王占國院士說：“薄膜化、高轉(zhuǎn)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(biāo)?！?br>
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