大局光伏技术路线发展趋势探讨

一个国家的发展，基础是能源；国与国的竞争，焦点也是能源。相对于水能、风能等可再生能源，光伏发电是对太阳能...



一个国家的发展，基础是能源；国与国的竞争，焦点也是能源。相对于水能、风能等可再生能源，光伏发电是对太阳能的直接利用，对地域性及其他气候特征依赖性较弱，因此也更具发展潜力。近年来，随着全球能源危机和环境问题的日益恶化，光伏产业作为最具发展前景的可再生能源产业，在世界主要国家的高度关注和持续支持下快速发展，已成为未来国家间综合国力竞争的关键领域。目前，国际上实现规模化生产和应用的光伏技术主要分为晶硅和薄膜两种，业界对于晶硅和薄膜技术哪一种更具优势和发展前景的争论由来已久，至今仍是业界持续关注的热点之一。本文将从技术基础理论出发，对未来光伏技术的发展趋势进行探讨，并作出相应的预期。

一、光伏技术的材料选择

光伏产业是半导体产业的延伸，从技术层面看，光伏技术的理论基础是作为半导体物理基础理论的能带论，利用某些材料能量结构的不对称性、通过光激发形成内部电势差，从而提供持续的电能。以硅PN结为例，符合一定能量要求的入射光激发价带电子到导带，电子和空穴分别向PN结两侧定向移动，形成电势差（如图1所示）。

从光伏发电的物理机理可知，实现光伏效应必须满足2个条件：一是材料本身应具备导电、能带结构不对称、电子能量不连续分布等三个特征。一定的导电性是载流子（电子和空穴）移动的先决因素，而能带结构的不对称性使载流子定向移动成为可能，同时电子能量不连续分布使得正负载流子“有时间”移动而不会马上中和。二是入射光能量需大于激发层半导体的禁带宽度。假设入射光能量为Ep，半导体禁带宽度为EG,由于电子能量不连续分布，只有当Ep>EG时，电子才可受激发进入导带，并在PN结两端形成电势差U（=Eg）。

若考虑第一个条件，则能够用于光伏发电的材料结构必须含有（但不必全部为）半导体材料。因此常用的4价半导体材料如硅（Si）、锗（Ge）以及Ⅲ-Ⅴ族类半导体化合物GaN、GaAs等材料都可作为可作为光伏电池的材料选择。

若考虑第二个条件，仅有能量大于半导体禁带宽度的辐射才能被半导体吸收。当入射光为太阳光时，其光谱中能量较高的可见光及紫外光范围占据了整个辐射能量的约70%（如图2所示），若我们选择典型半导体材料Si和GaAs进行比较，则其对太阳辐射的吸收情况如下：

（1）若考虑材料为Si，其禁带宽度为1.12eV，对应波长1100nm，即硅材料可吸收波长小于1100nm的太阳光；但同时，Si为间接跃迁半导体，且每个光子仅可激发一个电子，硅材料对光波选择吸收的实际比例要低很多，理论转换效率小于30%。（2）若考虑材料为GaAs，直接跃迁半导体，禁带宽度1.43nm，对应波长869nm，对光波选择吸收的能量范围约为总辐射的70%，实际中GaAs电池的理论转换效率亦可达约50%。（3）若在GaAs材料中嵌入InGaAs量子阱，降低半导体禁带宽度，可使电池理论转换效率达到70%以上。因此，从发电效率上看，GaAs等直接跃迁半导体的光伏性能要优于硅材料，单从发电机理看，硅材料并非用于光伏发电的首选材料。二、晶硅技术具有较强的产业优势

晶硅光伏技术通过在硅片表面形成掺杂区建立发电机制，相较于其他光伏技术路线，目前具有明显的产业优势。

（一）晶硅技术的原料来源充足

任何一种技术实现大规模产业化的先决条件便是原料来源的充足。硅材料地壳平均丰度达到约28%，是地球上除氧元素外储量最丰富的元素；现行铜铟镓硒、砷化镓等薄膜技术中的关键元素镓（Ga）的丰度约为19ppm，而铟的探明丰度仅有不足0.2ppm。原料来源丰富直接导致了开采难度及生产成本的降低，从这一点看，目前晶硅光伏技术具有绝对的基础优势。

（二）晶硅技术产业化进程较快

一方面，多晶硅材料提取难度与其他半导体材料相比较低，晶硅光伏结构是半导体光伏效应的最简单也是最基础的构成模式，其实现难度较其他复杂结构的光伏技术路线低得多。另一方面，集成电路等大半导体行业多年的发展为晶硅光伏技术的产业化发展提供了技术基础和配套支持。相较于其他技术路线，晶硅技术目前仍是产业化进程较快且较成熟的光伏技术路线。

（三）晶硅技术已具较大的产业规模

经过多年的发展，晶硅技术已具有较大的产业规模。2014年，全球光伏电池组件总产量约52GW，其中晶硅电池组件为48GW，占比达到92.3%。按照现有产业规模估算，晶硅技术领域从多晶硅到组件的制造业总体投资规模已达千亿美元以上，而新近产业投资仍以晶硅技术为主，晶硅技术较其他光伏技术路线的产业规模优势显著。

（四）晶硅技术领域创新活跃

产业规模效应导致晶硅光伏技术领域的技术创新活跃，资本的集中亦使该领域形成较强的技术创新规模。目前，我国骨干光伏企业产业化晶硅电池光电转换效率可达20%以上，国际先进水平如美国SunPower公司晶硅电池产品的产业化效率已可达到24%以上，不断趋近晶硅电池光电转换效率理论值。技术水平的提升也推动晶硅光伏技术发电成本不断下降，2008年以来晶硅技术发电度电成本已下降近80%。

三、薄膜技术具备较强的技术潜力

与晶硅技术相比，薄膜光伏技术具有多种技术优势，在未来仍具有一定的发展潜力。

（一）薄膜发电具有多种技术优势

薄膜与晶硅的技术区别并非仅在材料本身，薄膜技术将原料某一维度尺寸降至纳米级，使产品结构产生更多在宏观尺寸量级无法显现的特性，如弱光相应改善、可弯曲等，可节约物料，同时实现更多应用模式。特别是结合我国城市建筑特点，薄膜光伏产品更易与建筑物设计结合而实现光伏建筑一体化应用，而晶硅光伏发电技术受光照入射倾角限制更适于独立发电系统的应用。

（二）薄膜技术创新尚有较大空间

目前，受产业投资过度集中于晶硅技术影响，薄膜技术规模化创新活动相对贫乏。同时，薄膜技术设备一次性投入大、成本回收期长，在我国以产业带动研发的逆向发展环境中难以生存，近年来多家著名光伏企业都曾计划布局薄膜技术，但均宣告失败。但必须注意到，现有薄膜技术的产业化转换效率水平普遍不足20%，与理论极限值仍有较大差距，技术创新尚存较大空间，未来仍具较强技术潜力。

（三）薄膜技术路线存在多样化发展可能

纳米薄膜工艺的实现使一维方向上复杂材料结构设计成为可能，从而使人们得以开发出千变万化的复合材料。薄膜光伏技术通过纳米薄膜工艺使光伏电池的结构设计存在多种可行性，除已知的硅基、CIGS、GaAs等，更有无数多种未知的发展可能性。结构决定性能，薄膜技术的未来发展趋势及种类亦存在多种可能，尚无法准确预测，且不排除产生颠覆性的技术路线彻底改变当前光伏产业技术布局的可能。

四、多种光伏技术融合发展将成主流趋势

若将晶硅和薄膜两种光伏技术相比较，晶硅技术具有投资成本较低、产业规模优势明显、原料来源充足等优势，但也面临着产业化技术水平提升空间有限、应用模式较单一等问题；薄膜技术具有弱光响应好、应用模式多样等优势，但也存在设备一次性投入大、技术门槛高、规模化创新乏力等负面因素。

一方面，随着晶硅电池转换效率不断逼近理论极限，技术进步难度不断增大，业内曾普遍认同的“每年提升1%”的增速早已难于实现，未来的创新增长点很可能更多的转移到薄膜技术。另一方面，考虑到原料来源及已有规模化投资等现实情况，规模化的光伏应用仍应以晶硅技术为主，但薄膜及其他技术路线仍可作为有效补充，获得一定的市场份额。

事实上，晶硅和薄膜的产品分类方法源于早期对同样采用多晶硅为基本原料的晶硅电池和硅基薄膜电池的区分，若应用于目前及未来光伏技术的划分，则并不科学，这种分类方法随着未来半导体技术的不断进步和发展将会被逐步打破。一是更多的薄膜工艺方法将会在现有晶硅技术中不断渗透，用以改善电池的发电性能；二是利用薄膜工艺，光伏电池的制造工艺将从单一半导体材料向多元半导体材料复合使用转变；三是通过人工合成材料替代稀缺材料的研究不断深入，如通过有机结构替代铟（In）、用以改善半导体能带特性等，以解决材料来源匮乏等问题，并将推动光伏技术路线多样化发展。

整体而言，传统意义上的“晶硅”和“薄膜”等光伏技术都是光伏产业发展中的阶段性产品，多种光伏技术的融合发展将成为光伏产业发展的未来方向。正如企业并购导致垄断会引起市场畸形发展，技术路线的单一性过强也会带来较强的发展风险。目前，我国近99%的光伏产品采用晶硅技术，后续发展风险剧增，有关部门应进一步正确认识光伏产业技术发展趋势，加强对新兴光伏技术研发及应用的引导和支持，特别是推动企业及研发机构等对部分尚处基础理论研究阶段的前瞻性技术研发的支持，为我国光伏产业可持续发展提供坚实的技术储备。

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