解读绿色淘金热点――太阳能电池技术探析

光伏技术提供了安全的本土能源，它不受石油产业的制约，维护成本低，模块化和可扩展程度高。目前，它是唯一可满足全球长期能源需要且不排放温室气体的技术。实际上，一个150x150km的太阳能电池阵列理论上可满足北美全部能源需求。但光伏技术仍比电网电能昂贵，而且缺少合适的负荷均衡方案，需要占用相当大的空间。

光伏电池种类

太阳能电池共有以下四大类，其中前三种都已完全量产。

III-V组电池，也被称为多结聚光电池，内部材料是直接能隙复合物，这种电池具有最高的转换效率(和成本)。它们主要用于卫星和军事应用，一般需要聚光光学系统和复杂的跟踪系统，可提供40%以上的效率。

采用单晶硅(cSi)或多晶硅(mcSi)的体硅(bulk-Si)太阳能电池，在许多应用场合可以取得约22%的转换效率。

薄膜太阳能电池，效率介于非晶硅电池的10%和用包括碲化镉(CdTe)和铜铟镓二硒(CIGS)在内的II-VI材料做的电池的约18%之间。从长期看，薄膜技术最有可能大幅降低成本，因为这种技术有望在现有工艺中引入新的或改良的材料。

最后一类囊括了各种新技术，例如业已表现出高转换效率的染料敏化薄膜太阳能电池以及到目前为止转换效率相对较低的有机材料太阳能电池等。

图1：一个薄膜α-Si电池由一个薄的p型层、一个厚的无掺杂层和一个较厚的n型层组成。来自n层的过剩电子被掺杂进p层，构成一个10-4 V/cm的电场。

转换效率

光伏转换效率的最简单定义是：撞击到光伏阵列上的全部光子中可转换为连接负载可用电流的光子比例。实际上，效率计算要复杂得多；只是吸收光并产生自由载流子是不够的。为了生成可用能量，电子和空穴载流子必须要到达电池的电极。如果由入射光子形成的电子-空穴对在向电极运动的过程中过快地重新组合在一起，则它们对光电流就没有贡献。

有许多因素会降低载流子迁移性(或增加重组可能)。对单结电池来说，晶硅体太阳能电池问题最少，效率非常高。这是因为载流子从产生这些载流子的结向给负载供电的电池电极移动的过程比较简单：电子-空穴对分开，并在相应的n型或p型材料中穿行。

多晶硅光伏电池以同样方式工作；但因存在晶界问题，电子-空穴对的重组现象会增多，从而降低了迁移性，并使转换效率降低至与CIGS薄膜电池接近的水平(约15到18%)。

虽然薄膜电池用的硅较少(或根本不用)，并且未来可能通过降低成本实现与传统发电成本相当(Grid parity)，但其转换效率却比体硅电池要低。虽然CIGS电池在转换效率上接近多晶硅电池，但基于CIGS的光伏太阳能电池工艺具有比体硅工艺更高的变异性。虽然原因尚不明朗，但一般认为对CuIn3Se5的p型α相和富含铟的n型β相进行纳米级隔离控制是形成太阳能电池一致性能隙的关键。

图2： Kaneka公司α-Si光伏电池的TEM横截面图。

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市场前景分析

体硅光伏电池约占目前全球太阳能电池生产量的94%，其中日本和德国占有最大的份额。中国正在迅速成为全球光伏制造强国，并可能在今后几年内超越日本(目前日本是生产光伏电池最多的国家)。虽然大多数公司主要关注的是增强电池和模块的生产力，但许多新兴企业希望能抓住目前供需不平衡所带来的机遇。并非所有新兴企业都能如愿以偿，主要原因与无经验和引入新技术带来的高风险有关。

随着许多国家引入收购价格(feed-in tariff)制度(政府承诺以事先约定的价格购买由光伏产生的能源的一种补贴)，在过去5年中，全球光伏电池产能一直以每年超过50%的速度增长，并预计将继续高速增长。

光伏电池产业的营收从2006年的100亿美元上升到2007年的130多亿美元，而同期在产能扩充和研发方面的投入近160亿美元。对许多公司来说，供应链的重要性是历经困苦才学得的一课；电池和模块的一致性和可靠性取决于最初材料的一致性和成分。从硅给料到晶圆和结晶，全球范围内的硅短缺一直威胁着硅“饥渴”的光伏市场，并促进人们寻找新的解决方案，有时也会带来意想不到的结果。

就拿中国的尚德太阳能电力有限公司来说，扩张供应链以满足需求的举措起初导致了硅采购和质量方面的问题，从而促使该公司使用专有的衬底处理工艺来应对杂质变异问题。这些工艺不仅提升了效率，还提高了太阳能电池的稳定性。

虽然中国光伏产业的发展不久将使中国成为全球太阳能电池和模块的领先供应商，但德国和日本也在高速扩充产能。美国目前还不是光伏太阳能电池和模块的重要全球性供应国，但它宣布计划到约2012年使其光伏电能达到传统发电成本，该进度明显领先于全球其它地区。美国对利用裂变技术实现光伏成本达到传统发电成本抱有浓厚的兴趣，而通过几个值得注意的意外事例可以看出，美国并没有很专注于体硅技术(Sunpower公司制造出具有全球最高转换效率的单晶硅电池，在2008年将带来约12亿美元收入)。

随着收购电价制度的引入，德国的光伏系统装置得到了迅速普及。德国本土太阳能电池和模块的生产每年都翻番。该地区的主要竞争者Q-Cell公司向德国本土和全球市场提供体硅模块。但认识到非体硅技术的重要性后，该公司通过兼并和收购对各种薄膜光伏技术进行了投资。

日本宣称其目标是成为一个能源独立和自给自足的国家，并在光伏能源生产方面保持全球领先。该国生产的太阳能电池产量占全球的一半，执全球产能之牛耳。虽然日本主要生产的是体硅太阳能电池(主要供应商是夏普和三洋)，日本也生产薄膜产品(Kaneka公司制造的非晶薄膜电池和Showa Shell公司制造的CIGS光伏太阳能电池的产能有望继续提高)。

关注IP问题

由于业界将主要精力放在增加产能以便创收方面，所以目前很少有人关注知识产权问题。不过也有一些IP研究开发活动正在进行，包括改进初始材料以增加迁移性，改进接口技术来增强光散射和反射(增加吸收)，以及改进复合薄膜各层间的附着力以增加迁移性和转换效率。

随着收购电价和其它形式补贴的逐年减少，创新技术将以更快速度出现，从而表现出技术内和技术间的差异。当这种情况发生时，这些技术将对公司的成功起到重要作用。

通过仔细研究专利申请行为，可在一定程度上评估这种创新行为和重点，其中最重要的观点是“专利速度”，也即提交的IP速度。在过去10年间光伏领域提交的大量薄膜专利清楚地表明薄膜光伏技术是主攻方向。

与半导体产业一样，为了应对财大气粗的后起之秀提出的挑战，保护并强化这些竞争优势将很有必要。我们确信，几乎每家大型半导体制造商都有某类光伏项目，并正在评估充分利用其制造经验和不断折旧资产的策略。随着许多光伏技术公司向传统发电价格目标的迈进，以及IP资产的强力支持，各公司的技术优势将得到进一步强化，光伏产业也会迎来新一轮的整合和洗牌。在此期间，光伏产业将得益于未来几年“牛市”带来的好处。

作者：John Boyd

技术分析师

Semiconductor Insights公司