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中国太阳能电池51年 不仅仅是技术的发展

2020-1-12 14:48| 发布者: 一生平安| 查看: 533| 评论: 0|来自: 科技日报

摘要: 从1958年中国开始研制第一片晶体硅光伏电池以来,到现在已走过半个多世纪。光伏专家、上海交通大学太阳能研究所所长崔容强告诉记者:“中国的太阳能电池也经历了从无到有、从空间到地面、由军到民、由小到大、由单品 ...

    中科院院士、中科院半导体研究所研究员王占国
  从1958年中国开始研制第一片晶体硅光伏电池以来,到现在已走过半个多世纪。光伏专家、上海交通大学太阳能研究所所长崔容强告诉记者:“中国的太阳能电池也经历了从无到有、从空间到地面、由军到民、由小到大、由单品种到多品种以及光电转换效率由低到高的艰难而辉煌的历程。”
  据统计,从2002年至今,中国太阳能电池产量猛增了77倍。2008年,我国太阳能电池产量约占世界总产量的三分之一,连续两年成为世界第一大太阳能电池生产国。
  1839年法国物理学家贝克勒尔首次发现光伏效应;1954年美国贝尔实验室制成第一个单晶硅太阳能电池;1983年美国在加州建立了当时世界上最大的太阳能电厂……人类从来未曾停止过追逐太阳的步伐。

  1969年研制完成硅太阳能电池组
  1958,我国研制出了首块硅单晶
  中科院院士、中科院半导体研究所研究员王占国对记者说:“美国1957年左右拉出了首块硅单晶,我国1958年也研制出了首块硅单晶,随后,中科院物理新成立的半导体研究室正式开始研发太阳能电池。”
  最初,研发出的电池主要用于空间领域。从1958年到1965年间,半导体所研制出的PN结电池效率突飞猛进,10×20mm电池效率稳定在15%,同国际水平相差不大。
  1968年至1969年底,半导体所承担了为“实践1号卫星”研制和生产硅太阳能电池板的任务。在研究中,研究人员发现,P+/N硅单片太阳电池在空间中运行时会遭遇电子辐射,造成电池衰减,使电池无法长时间在空间运行。
  于是,包括王占国在内的6人小组开始进行人造卫星用硅太阳电池辐照效应研究,实验过程中,由于技术不成熟、设备落后,致使王占国的右手严重电子灼伤,从此他一直饱受痛苦,直到1978年夏天进行植皮手术才有所缓解。记者注意到,王占国院士右手手背上有一些黑色的褶皱,这正是老一辈科学家殚精竭虑献身科学的印记。
  经过刻苦攻关,实验结果给研究人员带来巨大惊喜。王占国院士介绍,NP结硅太阳电池抗电子辐照的能力比PN结硅电池大几十倍!随后,半导体所做出了将硅PN电池改为NP定型投产的决定,生产出了5690片NP结硅太阳电池,其中达到空间应用要求的成品3350片,圆满完成了“实践1号”卫星用太阳能电池板的研制、生产任务。1971年实践1号发射升空,在8年的寿命期内,太阳电池功率衰降不到15%,该项目在1978年全国科学大会上获重大成果奖。
  1969年,半导体所停止了硅太阳电池研发,随后,天津18所为东方红二号、三号、四号系列地球同步轨道卫星研制生产太阳电池阵。
  王占国院士说:“70年代末,我国与国际同期开展了砷化镓太阳能电池研究,该电池具有很高的光发射和光吸收系数,1999年,2×2cm2电池的转换效率达22%。”
  1975年宁波、开封先后成立太阳电池厂,电池制造工艺模仿早期生产空间电池的工艺,太阳能电池的应用开始从空间降落到地面。

  中硅高科12对多晶硅还原棒
  1998,我国太阳能产业有了第一个“吃螃蟹”的人
  上世纪80年代开始,我国太阳能电池开始进入萌芽期,研发工作在各地次第展开,但进展缓慢。
  崔容强介绍说,1986年国家计委在农村能源“1986—1990年第七个五年计划”中列出了《太阳电池》专题,全国有6所大学和6个研究所开始进行晶体硅电池等的研究。
  20世纪80年代末期,国内先后引进了多条太阳能电池生产线,包括云南半导体厂从加拿大引进的1MW(兆瓦)生产线等,使中国太阳能电池的生产能力由原来的几百KW(千瓦)一下子提升到4.5MW,这种产能一直持续到2002年,产量则只有2MW左右。
  “90年代中末期为我国太阳电池稳步发展期,经过引进、消化、吸收和再创新,太阳电池生产技术和工艺得到稳定发展和提高,生产量稳步增长,基本满足了国内市场的需要并有极少量的出口。”崔容强说。
  1998年,我国政府开始关注太阳能发电,拟建第一套3MW多晶硅电池及应用系统示范项目,这个消息让现在的天威英利新能源有限公司的董事长苗连生看到了一线曙光。可是,当时太阳能产业发展前景尚不明朗,加之受政策因素制约,令不少人对这一新能源项目望而却步。在合作伙伴退出的情况下,苗连生毅然逆势而上,争取到了这个项目的批复,成为中国太阳能产业第一个“吃螃蟹”的人。
  2001年,无锡尚德建立10MWp(兆瓦)太阳电池生产线获得成功,2002年9月,尚德第一条10MW太阳电池生产线正式投产,产能相当于此前四年全国太阳电池产量的总和,一举将我国与国际光伏产业的差距缩短了15年。
  2005年12月14日,无锡尚德太阳能电力公司在纽约证券交易所上市,尚德的横空出世及超常规发展带来的“首富效应”启动了中国太阳能产业的加速器,国内太阳能电池的生产和研发也驶入了快车道。
  天威英利公司相关负责人介绍,2003年12月19日,该公司的项目正式通过国家验收,全线投产,填补了我国不能商业化生产多晶硅太阳能电池的空白。
  2003到2005年,在欧洲特别是德国市场拉动下,尚德和保定英利持续扩产,其他多家企业纷纷建立太阳电池生产线,使我国太阳电池的生产迅速增长,目前,我国太阳能电池产量占到世界总产量的30%。
  王占国院士指出:“近年来我国太阳能电池相关的技术研发取得了一些突破,但是,与国外相比可能还存在一些差距,主要表现在技术水平、产业和市场发展等方面。比如,几种典型太阳电池的实验室最好效率都比国外要低,我国单晶硅、多晶硅的实验室效率分别为19.8%、16.5%,而国外的分别为24.8%和19.8%。”
  而且,王占国院士表示,我国太阳能电池制造中,很多设备都是从国外进口,耗费了企业大笔资金,所以,我们应该加大设备的研发和制造,以降低成本。

  北京地铁站旁安装的太阳能路灯
  2005,我国拉开多晶硅大发展的序幕
  多晶硅是整个太阳能电池产业的“命脉”,多晶硅原材料的短缺使太阳电池的成本居高不下,严重制约了太阳能电池产业和市场的发展。
  另外,多晶硅原材料的先进生产技术一直基本上掌握在美国、日本、德国等几家主要生产商手中。由于种种原因(生产商对光伏产业能否保持稳定需求的疑虑、技术和市场垄断的需要、扩产的滞后性),这些企业没有一家宣布在中国建厂,更遑论技术转让。
  洛阳中硅高科技有限公司副总工程师严大洲表示:“国内光伏企业要摆脱受制于人的局面,必须‘苦练内功’,走自主研发的道路,加大技术创新力度。”
  严大洲介绍说,我国多晶硅始于1964年,但是技术水平低、规模小、产品单耗高、生产成本高。2005年之前,我国年产多晶硅还不到世界年总产量的0.5%。
  因此,2005年,业内著名专家梁骏吾、周廉、阙端麟三位两院院士联名报送中共中央、国务院等一份建议书,呼吁:“打破垄断、政府主导、多方融资迅速建立年产上千吨级的多晶硅生产厂。”严大洲说:“院士的上书在业界引发了强烈反响,也坚定了我们走自主研发道路的决心。”
  在此背景下,科技部组织实施了863攻关计划、“十一五”支撑计划等,同时,国家发改委组织实施了《高纯硅材料高技术产业化重大专项》,围绕多晶硅生产各环节的重大技术难题,实施重点攻关,取得了一系列攻关和产业化成果,拥有了自主知识产权技术体系,为多晶硅的产业化发展赢得了主动权。
  2004年,洛阳单晶硅厂与中国有色设计总院共同组建的中硅高科自主研发出了12对棒节能型多晶硅还原炉,以此为基础,2005年,国内第一个300吨多晶硅生产项目建成投产,从而拉开了中国多晶硅大发展的序幕。
  严大洲说:“我国首条产业化示范线建成,一方面给了业内人士信心,另一方面,也标志着多晶硅规模化生产技术体系形成,打破了国外多年的技术封锁和市场垄断。”
  另外,在多晶硅的提纯技术上,我国也不断取得突破。目前,世界上普遍采用“改良西门子工艺”提纯,纯度虽高,但能耗大、不环保。中科院上海技术物理所高文秀团队另辟蹊径,发明了“物理法”进行提纯,2007年7月16日,部分样品经日本方面测定,纯度高达5N至6N(用于太阳能电池的多晶硅纯度,要求远远高于99.9%:以“N”代表小数点后“9”的数量,须在4N以上),电耗和水耗分别只有“改良西门子工艺”的1/3和1/10。
  目前,国内绝大部分多晶硅生产都采用三氯氢硅工艺,这种高耗能工艺因四氯化硅等无法全部回收难以处理,环境污染严重。2008年,中硅高科承担了国家“863”重点科技攻关项目—多晶硅副产物利用关键技术研究,该公司通过自主研发,成功完成了低温加压氢化技术的研究。严大洲介绍说:“目前,该项目已经在1000t/a和2000t/a多晶硅等项目上运行,四氯化硅经过几次循环后,几乎可实现全部回收利用。”
  而天威英利六九硅业现在采用的新硅烷生产多晶硅工艺耗电少,生产成本比同行业低24%,产量同比提高30%,副产品无污染并且可全部出售再利用。
  王占国院士称,对目前占据光伏市场90%的晶体硅太阳电池来讲,转换效率的提高和硅片的薄型化是降低成本的主要途径。
  据江西赛维公关部总监姚伟介绍,该公司最薄的硅片为160m左右,达到了世界领先的产业化水平。
  2007,我国成为生产太阳电池最多的国家
  严峻的晶硅短缺使很多太阳能电池生产设备处于停产状态;不断上涨的晶硅价格一步步蚕食着太阳能电池生产商的利润。因此,寻找晶硅或减少对晶硅的依赖成为太阳能电池企业不得不面临的选择。非晶硅薄膜太阳能电池跃入了人们的眼球,获得了难得的发展机遇。
  王占国告诉记者,薄膜电池不用硅片,而是在玻璃等廉价衬底上沉积薄膜半导体有源层,可望大幅度降低材料消耗和成本。他呼吁,国家应该多多重视薄膜太阳能电池的研究。
  薄膜电池中最常见的是非晶硅太阳能电池。与普通太阳能电池相比,非晶硅太阳能电池成本低、能耗低、无污染、弱光好,厚度仅为前者的二百分之一,更适合与建筑外墙结合构成墙体型太阳能发电系统,还可以应用在便携式电子设备上。
  我国的非多晶硅太阳能电池研究也走了一条曲折的道路。早在1975年南开大学就开始进行非晶硅薄膜太阳电池的研究。上世纪80年代,我国从美国克罗拉公司引进一条1兆瓦非晶硅太阳能电池生产线,工业化较为成功。但截至2003年底,我国非晶硅太阳能电池还只有这一条生产线。
  然而,还是不断有厂家朝非晶硅太阳能电池领域进发,并取得一定的成果。2008年北京奥运会期间,奥运村的太阳能热水器系统采用的是由北京行者集团研发的非晶硅太阳能电池技术。这种太阳能热水器可以为16800余名运动员提供洗浴热水;奥运会后,它可以满足约1868户居民的生活热水需求,每年可节电1000万千瓦时。
  行者集团总裁马昕表示:“行者具有完全自主知识产权的非晶硅太阳能薄膜电池主要以钢化玻璃作为制作原料,灵敏度高,而且能够实现全光谱吸收,即便利用微弱的月光也可以照常发电。”
  近年来,非晶硅太阳能电池获得了较大的发展。数据显示,2007年全球薄膜太阳能电池产量由2006年的181MW提升到了2007年的400MW。在我国,2007年行业增速约120%,预计未来3年内年均增速高达100%。
  8月29日,国务院参事、中国可再生能源学会理事长石定环在第四届绿色财富(中国)论坛上表示,尽管我国从2007年开始成为世界生产太阳能电池最多的国家,但与国外还有不少的差距。而且,在各种新型太阳能电池的开发上,我们还处在起步的阶段,而国外已经有了很大的发展,因此,我国太阳能电池的发展任重而道远。
  这样理性的思考正是此时需要的。目前,全球正在经历一场前所未有的能源革命,太阳能是其中最耀眼的明珠,雄关漫道真如铁,而今迈步从头越,中国的太阳能电池产业正在慢慢抖落身上的泡沫,迈着更加扎实坚定的步伐,大踏步前行。正如《基督山伯爵》的结尾所言:“人类的全部智慧都包含在这两个词中:等待和希望。”
  大事记
  1999年,保定天威英利新能源有限公司承建了由原国家计委批复立项的“多晶硅太阳能电池及应用系统示范工程”项目,2003年12月19日正式通过国家验收,全线投产,填补了我国不能商业化生产多晶硅太阳能电池的空白。
  2002年9月,无锡尚德公司第一条10兆瓦太阳电池生产线正式投产,产能相当于此前4年全国太阳电池产量的总和,一举将我国与国际光伏产业的差距缩短了15年。
  2004年1月19日,中国第一台12对棒多晶硅高效节能大还原炉在中硅高科试验成功,各项技术指标均达到国际先进水平。至此,中国人掌握了由美国、日本、德国等国垄断20余年的多晶硅生产核心技术。
  2005年,国内第一个300吨多晶硅生产项目在洛阳中硅建成投产,拉开了中国多晶硅大发展的序幕。
  2005年12月14日,无锡尚德在美国纽约证券交易所挂牌,成为中国内地首家在纽交所挂牌上市的民营高科技企业。
  2007年,尚德公司总产能将超过500兆瓦,产量超过300兆瓦,销售收入超过100亿元,名列世界光伏行业第二。
  2007年3月31日,由中硅高科承担的国家863攻关课题——24对棒节能型多晶硅还原炉成套装置,通过科技部组织的专家验收。
  2007年7月16日,中科院上海技术物理所高文秀团队自主研发的物理提纯法,产出99.9999%以上纯度的太阳能电池硅产品,电耗和水耗分别只有“改良西门子工艺”的1/3和1/10。
  2008年8月,江西赛维LDK正式向全球宣布,公司太阳能多晶硅片实际产能达到1000兆瓦,成为全球唯一一个进入太阳能光伏行业“G瓦俱乐部”的企业。
  2009年3月30日,尚德电力控股有限公司把冥王星技术应用在其冥王星电池生产线上顺利生产,其中其单晶和多晶光伏电池转换率分别约19%和17%。
  延伸阅读
  未来的太阳能电池
  中科院院士褚君浩在接受本报记者采访时曾表示,除了单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池外,第三代太阳能电池是一些新概念、新结构的电池,如染料敏化电池、有机薄膜电池、纳米结构电池等,这些电池在未来10年将根据其稳定性、效率和成本情况先后进入市场。
  我国科学家也一直在进行新型太阳能电池的研发工作并取得一定成果。2004年,中科院等离子体物理研究所在大面积染料敏化纳米薄膜太阳电池方面取得了一定的突破,其造价仅为硅太阳电池成本1/10,而且工艺更简单、性能更稳定,并建成了世界上第一个真正用于发电的500W染料敏化太阳电池示范系统。
  王占国院士介绍说,高效、低成本的有机/无机复合纳米半导体柔性太阳能电池是目前国际前沿研发热点之一。以微米不锈钢带为衬底的柔性非晶硅薄膜太阳能电池,具有重量轻、抗冲击、可弯曲、易安装以及应用领域宽等多方面的优点。
  据悉,2009年5月份,天津津能投资公司与美国联合太阳能公司签署了合同共同投资建设年产25兆瓦柔性非晶硅薄膜太阳能电池项目。
  展望太阳能电池的未来,王占国院士说:“薄膜化、高转换效率、原材料丰富、无毒性和低成本是理想的第三代太阳能光伏电池,这是人们追求的最高目标。”

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