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市場需求

當電力、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急,能源問題日益成為制約國際社會經濟發展的瓶頸時,越來越多的國家開始實行“陽光計劃”,開發太陽能資源,尋求經濟發展的新動力。歐洲一些高水平的核研究機構也開始轉向可再生能源。在國際光伏市場巨大潛力的推動下,各國的太陽能電池制造業爭相投入巨資,擴大生產,以爭一席之地。

目前,全球太陽能電池市場競爭激烈,歐洲和日本領先的格局已被打破。盡管主要的銷售市場在歐洲,但太陽能電池的生產重鎮已經轉移到亞洲。2012年,全球太陽能電池產量達到37.4GW,同比增長6.3%。

在世界光伏市場的強力拉動下,中國太陽能電池制造業通過引進、消化、吸收和再創新,獲得了長足的發展。中國太陽能電池產業的發展大致可分為三個階段。第一階段為1984年以后的研究開發時期；之后迎來了2001年以后的產業形成時期,第二階段也是尚德等太陽能電池廠商開始創業的時期；2005年至今的第三階段是中國太陽能電池產業的快速發展時期。

得益于國家對太陽能等新能源產業的政策、資金支持,2011年中國太陽能電池產業增長迅速,在世界10大太陽能電池生產商中有6家是中國企業。對太陽能電池產業而言,2012年及2013年是相當辛苦的兩年,市場競爭激烈導致價格大幅下跌,歐、美、中多家太陽能電池大企業破產,所幸因價格的下跌,讓新裝機的數量能夠維持成長不墜。2013年,我國太陽能電池行業累計產量同比增長19.95%,蟬聯全球最大太陽能電池市場地位。

未來發展方向

2012年2月24日,工業和信息化部發布了《太陽能光伏產業“十二五”發展規劃》,以促進太陽能產業可持續發展。該《規劃》的提出對于太陽能光伏企業來說,對市場是個極大地刺激,也將引領光伏企業走上快速發展的軌道。《規劃》將晶硅電池、薄膜電池、高效聚光太陽能電池列為“十二五”期間的發展重點。——2014年中國太陽能電池進出口數據分析

首先介紹了太陽能電池的定義、種類、應用領域等,接著分析了國際國內太陽能電池產業的現狀,然后具體介紹了單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、多元化合物太陽能電池、薄膜太陽能電池的發展。

本研究報告數據主要來自于國家統計局、海關總署、商務部、財政部、能源局、產業研究中心、市場調查中心、中國可再生能源行業協會以及國內外重點刊物等渠道,數據權威、詳實、豐富,同時通過專業的分析預測模型,對行業核心發展指標進行科學地預測。您或貴單位若想對太陽能電池行業有個系統深入的了解、或者想投資太陽能電池行業,本報告將是您不可或缺的重要參考工具。

以太陽能發展的歷史來說,光照射到材料上所引起的“光起電力”行為,早在19世紀的時候就已經發現了。

1839年,光生伏特效應第一次由法國物理學家A.E.Becquerel發現。1849年術語“光－伏”才出現在英語中。

1883年第一塊太陽電池由Charles Fritts制備成功。Charles用鍺半導體上覆上一層極薄的金層形成半導體金屬結,器件只有1%的效率。

到了1930年代,照相機的曝光計廣泛地使用光起電力行為原理。

1946年Russell Ohl申請了現代太陽電池的制造專利。

到了1950年代,隨著半導體物性的逐漸了解,以及加工技術的進步,1954年當美國的貝爾實驗室在用半導體做實驗發現在硅中摻入一定量的雜質后對光更加敏感這一現象后,第一個太陽能電池在1954年誕生在貝爾實驗室。太陽電池技術的時代終于到來。

1960年代開始,美國發射的人造衛星就已經利用太陽能電池作為能量的來源。

1970年代能源危機時,讓世界各國察覺到能源開發的重要性。

1973年發生了石油危機,人們開始把太陽能電池的應用轉移到一般的民生用途上。

目前,在美國、日本和以色列等國家,已經大量使用太陽能裝置,更朝商業化的目標前進。

在這些國家中,美國于1983年在加州建立世界上最大的太陽能電廠,它的發電量可以高達16百萬瓦特。南非、博茨瓦納、納米比亞和非洲南部的其他國家也設立專案,鼓勵偏遠的鄉村地區安裝低成本的太陽能電池發電系統。

而推行太陽能發電最積極的國家首推日本。1994年日本實施補助獎勵辦法,推廣每戶3,000瓦特的“市電并聯型太陽光電能系統”。在第一年,政府補助49%的經費,以后的補助再逐年遞減。“市電并聯型太陽光電能系統”是在日照充足的時候,由太陽能電池提供電能給自家的負載用,若有多余的電力則另行儲存。當發電量不足或者不發電的時候,所需要的電力再由電力公司提供。

到了1996年,日本有2,600戶裝置太陽能發電系統,裝設總容量已經有8百萬瓦特。一年后,已經有9,400戶裝置,裝設的總容量也達到了32百萬瓦特。近年來由于環保意識的高漲和政府補助金的制度,預估日本住家用太陽能電池的需求量,也會急速增加。

在中國,太陽能發電產業亦得到政府的大力鼓勵和資助。2009年3月,財政部宣布擬對太陽能光電建筑等大型太陽能工程進行補貼。

晶體硅太陽能電池由于其轉換效率高、工作穩定性、壽命長、技術發展成熟等優異特性,2012年晶體硅電池已占全球光伏市場約90%的份額。而原材料成本過高一直是制約晶體硅太陽能電池行業大規模運用的一個瓶頸。

隨著多晶硅產能的擴張和釋放,近幾年,晶體硅太陽能電池主要原料——多晶硅料的價格有下降的趨勢,預期未來多晶硅料價格還將繼續下降,原材料價格的下降大大降低了晶體硅太陽能電池的發電成本。隨著太陽能光伏發電成本的不斷下降,大規模利用太陽能光伏發電將變得更加普遍,從而推動晶體硅太陽能電池產業向廣度發展。

太陽能電池按結晶狀態可分為結晶系薄膜式和非結晶系薄膜式（以下表示為a-）兩大類,而前者又分為單結晶形和多結晶形。

按材料可分為硅薄膜形、化合物半導體薄膜形和有機膜形,而化合物半導體薄膜形又分為非結晶形（a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等）、ⅢV族（GaAs,InP等）、ⅡⅥ族（Cds系）和磷化鋅 (Zn 3 p 2 ）等。

太陽能電池根據所用材料的不同,太陽能電池還可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機太陽能電池、塑料太陽能電池,其中硅太陽能電池是目前發展最成熟的,在應用中居主導地位。

硅太陽能電池

硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。

單晶硅太陽能電池轉換效率最高,技術也最為成熟。在實驗室里最高的轉換效率為24.7%,規模生產時的效率為15%（截止2011,為18%）。在大規模應用和工業生產中仍占據主導地位,但由于單晶硅成本價格高,大幅度降低其成本很困難,為了節省硅材料,發展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產品。

多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較,成本低廉,而效率高于非晶硅薄膜電池,其實驗室最高轉換效率為18%,工業規模生產的轉換效率為10%（截止2011,為17%）。因此,多晶硅薄膜電池不久將會

在太陽能電池市場上占據主導地位。

非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕,轉換效率較高,便于大規模生產,有極大的潛力。但受制于其材料引發的光電效率衰退效應,穩定性不高,直接影響了它的實際應用。如果能進一步解決穩定性問題及提高轉換率問題,那么,非晶硅太陽能電池無疑是太陽能電池的主要發展產品之一。

多晶體薄膜電池

多晶體薄膜電池硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高,成本較單晶硅電池低,并且也易于大規模生產,但由于鎘有劇毒,會對環境造成嚴重的污染,因此,并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產品。

砷化鎵（GaAs）III-V化合物電池的轉換效率可達28%,GaAs化合物材料具有十分理想的光學帶隙以及較高的吸收效率,抗輻照能力強,對熱不敏感,適合于制造高效單結電池。但是GaAs材料的價格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。

銅銦硒薄膜電池（簡稱CIS）適合光電轉換,不存在光致衰退問題,轉換效率和多晶硅一樣。具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優點,將成為今后發展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源,由于銦和硒都是比較稀有的元素,因此,這類電池的發展又必然受到限制。

有機聚合物電池

以有機聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電池制造的研究方向。由于有機材料柔性好,制作容易,材料來源廣泛,成本低等優勢,從而對大規模利用太陽能,提供廉價電能具有重要意義。但以有機材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始,不論是使用壽命,還是電池效率都不能和無機材料特別是硅電池相比。能否發展成為具有實用意義的產品,還有待于進一步研究探索。

納米晶電池

納米TiO2晶體化學能太陽能電池是新近發展的,優點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩定的性能。其光電效率穩定在10%以上,制作成本僅為硅太陽電池的1/5～1/10．壽命能達到20年以上。

此類電池的研究和開發剛剛起步,不久的將來會逐步走上市場。

有機薄膜電池

有機薄膜太陽能電池,就是由有機材料構成核心部分的太陽能電池。大家對有機太陽能電池不熟悉,這是情理中的事。如今量產的太陽能電池里,95%以上是硅基的,而剩下的不到5%也是由其它無機材料制成的。

染料敏化電池

染料敏化太陽能電池,是將一種色素附著在TiO2粒子上,然后浸泡在一種電解液中。色素受到光的照射,生成自由電子和空穴。自由電子被TiO2吸收,從電極流出進入外電路,再經過用電器,流入電解液,最后回到色素。染料敏化太陽能電池的制造成本很低,這使它具有很強的競爭力。它的能量轉換效率為12%左右。

塑料電池

塑料太陽能電池以可循環使用的塑料薄膜為原料,能通過“卷對卷印刷”技術大規模生產,其成本低廉、環保。但目前塑料太陽能電池尚不成熟,預計在未來5年到10年,基于塑料等有機材料的太陽能電池制造技術將走向成熟并大規模投入使用。

組件線又叫封裝線,封裝是太陽能電池生產中的關鍵步驟,沒有良好的封裝工藝,多好的電池也生產不出好的組件板。電池的封裝不僅可以使電池的壽命得到保證,而且還增強了電池的抗擊強度。產品的高質量和高壽命是贏得可客戶滿意的關鍵,所以組件板的封裝質量非常重要。

流程

1、電池檢測

2、正面焊接—檢驗

3、背面串接—檢驗

4、敷設（玻璃清洗、材料切割、玻璃預處理、敷設）

5、層壓

6、去毛邊（去邊、清洗）

7、裝邊框（涂膠、裝角鍵、沖孔、裝框、擦洗余膠）

8、焊接接線盒

9、高壓測試

10、組件測試—外觀檢驗

11、包裝入庫

質量保證技巧

1、高轉換效率、高質量的電池片；

2、高質量的原材料,例如：高的交聯度的EVA、高粘結強度的封裝劑（中性硅酮樹脂膠）、高透光率高強度的鋼化玻璃等；

3、合理的封裝工藝

4、員工嚴謹的工作作風；

由于太陽電池屬于高科技產品,生產過程中一些細節問題,一些不起眼問題如應該戴手套而不戴、應該均勻的涂刷試劑而潦草完事等都是影響產品質量的大敵,所以除了制定合理的制作工藝外,員工的認真和嚴謹是非常重要的。

光—熱—電轉換

光—熱—電轉換方式通過利用太陽輻射產生的熱能發電,一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉換成工質的蒸氣,再驅動汽輪機發電。前一個過程是光—熱轉換過程；后一個過程是熱—電轉換過程,與普通的火力發電一樣.太陽能熱發電的缺點是效率很低而成本很高,估計它的投資至少要比普通火電站貴5～10倍.一座1000MW的太陽能熱電站需要投資20～25億美元,平均1kW的投資為2000～2500美元。因此,目前只能小規模地應用于特殊的場合,而大規模利用在經濟上很不合算,還不能與普通的火電站或核電站相競爭。

光—電直接轉換

光—電直接轉換方式該方式是利用光電效應,將太陽輻射能直接轉換成電能,光—電轉換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應而將太陽光能直接轉化為電能的器件,是一個半導體光電二極管,當太陽光照到光電二極管上時,光電二極管就會把太陽的光能變成電能,產生電流。當許多個電池串聯或并聯起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源,具有永久性、清潔性和靈活性三大優點.太陽能電池壽命長,只要太陽存在,太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發電、核能發電相比,太陽能電池不會引起環境污染；太陽能電池可以大中小并舉,大到百萬千瓦的中型電站,小到只供一戶用的太陽能電池組,這是其它電源無法比擬的

電池測試

由于電池片制作條件的隨機性,生產出來的電池性能不盡相同,所以為了有效的將性能一致或相近的電池組合在一起,所以應根據其性能參數進行分類；電池測試即通過測試電池的輸出參數（電流和電壓）的大小對其進行分類。以提高電池的利用率,做出質量合格的電池組件。

正面焊接

是將匯流帶焊接到電池正面（負極）的主柵線上,匯流帶為鍍錫的銅帶,我們使用的焊接機可以將焊帶以多點的形式點焊在主柵線上。焊接用的熱源為一個紅外燈（利用紅外線的熱效應）。焊帶的長度約為電池邊長的2倍。多出的焊帶在背面焊接時與后面的電池片的背面電極相連

背面串接

背面焊接是將36片電池串接在一起形成一個組件串,我們目前采用的工藝是手動的,電池的定位主要靠一個膜具板,上面有36個放置電池片的凹槽,槽的大小和電池的大小相對應,槽的位置已經設計好,不同規格的組件使用不同的模板,操作者使用電烙鐵和焊錫絲將“前面電池”的正面電極（負極）焊接到“后面電池”的背面電極（正極）上,這樣依次將36片串接在一起并在組件串

的正負極焊接出引線。

層壓敷設

背面串接好且經過檢驗合格后,將組件串、玻璃和切割好的EVA 、玻璃纖維、背板按照一定的層次敷設好,準備層壓。玻璃事先涂一層試劑（primer）以增加玻璃和EVA的粘接強度。敷設時保證電池串與玻璃等材料的相對位置,調整好電池間的距離,為層壓打好基礎。（敷設層次：由下向上：鋼化玻璃、EVA、電池片、EVA、玻璃纖維、背板）。

組件層壓

將敷設好的電池放入層壓機內,通過抽真空將組件內的空氣抽出,然后加熱使EVA熔化將電池、玻璃和背板粘接在一起；最后冷卻取出組件。層壓工藝是組件生產的關鍵一步,層壓溫度層壓時間根據EVA的性質決定。我們使用快速固化EVA時,層壓循環時間約為25分鐘。固化溫度為150℃。

修邊

層壓時EVA熔化后由于壓力而向外延伸固化形成毛邊,所以層壓完畢應將其切除。

裝框

類似與給玻璃裝一個鏡框；給玻璃組件裝鋁框,增加組件的強度,進一步的密封電池組件,延長電池的使用壽命。邊框和玻璃組件的縫隙用硅酮樹脂填充。各邊框間用角鍵連接。

焊接接線盒

在組件背面引線處焊接一個盒子,以利于電池與其他設備或電池間的連接。

高壓測試

高壓測試是指在組件邊框和電極引線間施加一定的電壓,測試組件的耐壓性和絕緣強度,以保證組件在惡劣的自然條件（雷擊等）下不被損壞。

組件測試

測試的目的是對電池的輸出功率進行標定,測試其輸出特性,確定組件的質量等級。目前主要就是模擬太陽光的測試Standard test condition（STC）,一般一塊電池板所需的測試時間在7-8秒左右。

陣列設計步驟

1、計算負載24h消耗容量P

P=H/V

V——負載額定電源

2、選定每天日照時數T(H）。

3、計算太陽能陣列工作電流。

IP=P(1+Q)/T

Q——按陰雨期富余系數,Q=0.21～1.00

4、確定蓄電池浮充電壓VF。

鎘鎳（GN）和鉛酸（CS）蓄電池的單體浮充電壓分別為1.4～1.6V和2.2V。

5、太陽能電池溫度補償電壓VT。

VT=2.1/430(T-25)VF

6、計算太陽能電池陣列工作電壓VP。

VP=VF+VD+VT

其中VD=0.5～0.7

約等于VF

7、太陽電池陣列輸出功率WP?平板式太陽能電板。

WP=IP×UP

8、根據VP、WP在硅電池平板組合系列表格,確定標準規格的串聯塊數和并聯組數。

目前市場上大量產的單晶與多晶硅的太陽電池平均效率約在15%上下,也就是說,這樣的太陽電池只能將入射太陽光能轉換成15%可用電能,其余的85%都浪費成無用的熱能。所以嚴格地說,現今太陽電池,也是某種型式的“浪費能源”。當然理論上,只要能有效的抑制太陽電池內載子和聲子的能量交換,換言之,有效的抑制載子能帶內或能帶間的能量釋放,就能有效的避免太陽電池內無用的熱能的產生,大幅地提高太陽電池的效率,甚至達到超高效率的運作。而這樣簡易的理論構想,在實際的技術上,卻可以用不同的方法來執行這樣的原則。超高效率的太陽電池（第三代太陽電池）的技術發展,除了運用新穎的元件結構設計,來嘗試突破其物理限制外,也有可能因為新材料的引進,而達成大幅增加轉換效率的目的。　

薄膜太陽電池 包括非晶硅太陽電池,CdTe 和 CIGS（copper indium gallium selenide）電池。雖然目前多數量產薄膜太陽電池轉換效率仍無法與晶硅太陽電池抗衡,但是其低制造成本仍然使其在市場有一席之地,且未來市場占有率仍會持續成長。

染料敏化太陽電池

染料感光太陽電池（Dye-sensitized solar cell,DSSC）是最近被開發出來的一種嶄新的太陽電池。DSsC也被稱為Grätzel cell,因為是在1991年由Grätzel等人發表的構造和一般光伏特電池不同,其基板通常是玻璃,也可以是透明且可彎曲的聚合箔（polymer foil）,玻璃上有一層透明導電的氧化物（transparent conducting oxide,TCO）通常是使用FTO（SnO2:F）,然后長有一層約10微米厚的porous納米尺寸的 TiO2粒子（約10～20 nm）形成一nano-porous薄膜。然后涂上一層染料附著于TiO2的粒子上。通常染料是采用ruthenium polypyridyl complex。上層的電極除了也是使用玻璃和TCO外,也鍍上一層鉑當電解質反應的催化劑,二層電極間,則注入填滿含有iodide/triiodide電解質。雖然目前DSC電池的最高轉換效率約在12%左右（理論最高29﹪）,但是制造過程簡單,所以一般認將大幅降低生產成本,也同時降低每度電的電費。

串疊型電池

串疊型電池（Tandem Cell）屬于一種運用新穎原件結構的電池,借由設計多層不同能隙的太陽能電池來達到吸收效率最佳化的結構設計。目前由理論計算可知,如果在結構中放入越多層數的電池,將可把電池效率逐步提升,甚至可達到50%的轉換效率。

光纖太陽能電池

光纖太陽能電池（Fiber-based solar cell 或者Fiber cell）由美國Wake Forest University納米與分子研究中心首先提出,并在美國《Applied Physics Letters》（doi:10.1063/1.3263947）和《Physical Review B》（DOI: 10.1103/PhysRevB.84.085206,2011）上報道了這種電池的最新成果。目前,它利用特有的光纖結構,并結合有機吸收層,達到了超出平面電池的吸收效率,并已被證明能夠很好的應用到超光強的聚光型電站中。

透明太陽能電池

據美國物理學家組織網近日報道,美國能源部布魯克海文國家實驗室和洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家們研發出了一種可吸收光線并將其大面積轉化成為電能的新型透明薄膜。這種薄膜以半導體和富勒烯為原料,具有微蜂窩結構。相關研究發表在最新一期的《材料化學》雜志上,論文稱該技術可被用于開發透明的太陽能電池板,甚至還可以用這種材料制成可以發電的窗戶。　這種材料由摻雜碳富勒烯的半導體聚合物組成。在嚴格控制的條件下,該材料可通過自組裝方式由一個微米尺度的六邊形結構展開為一個數毫米大小布滿微蜂窩結構的平面。

負責該研究的美國布魯克海文國家實驗室多功能納米材料中心的物理化學家米爾恰·卡特萊特說,雖然這種蜂窩狀薄膜的制作采用了與傳統高分子材料（如聚苯乙烯）類似的工藝,但以半導體和富勒烯為原料,并使其能夠吸收光線產生電荷這還是第一次。

據介紹,該材料之所以還能在外觀上保持透明是因為聚合物鏈只與六邊形的邊緣緊密相連,而其余部分的結構則較為簡單,以連接點為中心向外越來越薄。這種結構具有連接作用,同時具有較強的吸收光線的能力,也有利于傳導電流,而其他部分相對較薄也更為透明,主要起透光的作用。

研究人員通過一種十分獨特的方式來編織這種蜂窩狀薄膜：首先在包含聚合物以及富勒烯在內的溶液中加入一層極薄的微米尺度的小水滴。這些水滴在接觸到聚合物溶液后就會自組裝成大型陣列,而當溶劑完全蒸發后,就會形成一塊大面積的六邊形蜂窩狀平面。此外,研究人員發現聚合物的形成與溶劑的蒸發速度緊密相關,這相應地又會決定最終材料的電荷傳輸速度。溶劑蒸發得越慢,聚合物的結構就越緊湊,電荷傳輸速度也就越快。

“這是一種成本低廉而效益顯著的制備方法,很有潛力從實驗室應用到大規模商業化生產之中。”卡特萊特說。

通過掃描探針式電子顯微鏡和熒光共焦掃描顯微鏡,研究人員證實了新材料蜂窩結構的均勻性,并對其不同部位（邊緣、中心、節點）的光學性質和電荷產生情況進行了測試。

卡特萊特表示：“我們的工作讓人們對蜂窩結構的光學特征有了更深的了解。下一步我們計劃將這種材料應用于透明且可卷曲的柔性太陽能電池以及其他設備的制造當中,以推動這種蜂窩薄膜盡快進入實用階段。”