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晶体硅与薄膜发电 谁是未来太阳能电池王者?

导读: 目前,全球90%的光伏电池是晶体硅电池,且主要产自亚洲。面对亚洲国家在晶体硅方面的产能和成本优势,欧美国家已经或开始将光伏产业的重点放在了薄膜发电技术。相比晶体硅技术,近年来,薄膜技术进步较快,未来的光伏市场属于晶体硅还是薄膜,目前还很难下定论。

  目前,全球90%的光伏电池是晶体硅电池,且主要产自亚洲。面对亚洲国家在晶体硅方面的产能和成本优势,欧美国家已经或开始将光伏产业的重点放在了薄膜发电技术。2015年5月,欧洲推出新研究项目Sharc25,目的是将CIGS薄膜太阳能电池转换效率从现有记录21.7 %升高到25 %,对抗来自亚洲的晶硅组件。美国的FirstSolar公司今年在CdTe实验室转化率方面刷新世界纪录,从2014年的21%提高至当前的21.5%,未来数年的产业转化率目标是18.6%。相比晶体硅技术,近年来,薄膜技术进步较快,未来的光伏市场属于晶体硅还是薄膜,目前还很难下定论。本期数说能源向您介绍薄膜发电技术和应用的现状。

  目前已经实现商业化的薄膜发电技术主要包括碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)以及非晶硅(a-Si)等。2015年6月,中国提出要实施光伏组件“领跑者”计划,引导光伏技术进步和产业升级。多晶硅电池组件和单晶硅电池组件的转换效率分别达到16.5%和17%以上,硅基、铜铟镓硒、碲化镉及其他薄膜电池组件的转换效率分别达到12%、13%、13%和12%以上可获得这一称号。但今年7月公布的第一批“领跑者”认证申请企业清单中仅汉能一家薄膜电池企业,其余22家均为晶硅电池企业,对比悬殊。

晶体硅与薄膜发电 谁是未来太阳能电池王者?

  薄膜组件市场份额

  光伏组件产量自2000年以来经历了爆发式的增长,复合年均增长率约为44%,薄膜发电也取得了较大的增长。2014年全球光伏组件总产量约47.5吉瓦,其中薄膜组件、单晶硅和多晶硅的产量分别约为4.4、16.9和26.2吉瓦。在1990年左右,薄膜发电的市场占有率一度达到30%,随后逐年下降至4%,直到2006年因晶体硅价格昂贵,薄膜电池又迎来一段较快的发展期,2009年的市场占有率达到16.5%,但随着晶体硅价格从400美元/千克逐步下降到20美元/千克,薄膜电池的市场份额越来越小,2014年下降至9%。

  技术路线预测

  三类薄膜技术之中,a-Si是2004年之前最主要的技术,但在2009年之前总产量均未超过0.5吉瓦,2009后产量开始快速增长,但2011年达到近1.4吉瓦的峰值后已经连续3年产量下降,到2014年产量只有0.8吉瓦。CdTe自2004年之后产量取得爆发式增长,2007年后一直是产量最大的薄膜电池,同a-Si一样也在2011年达到产量峰值2吉瓦,随后经历2年的产量下降后,2014年产量有所回升,达到1.9吉瓦;CI(G)S在2001~2006年间几乎停产,自2007年后保持增长态势,尤其是2011年后另两种薄膜技术经历衰退的过程中,CI(G)S依然保持较强劲的增长,2013年超过a-Si成为产量第二高的薄膜技术,2014年的产量为1.7吉瓦,有预测认为CI(G)S将是最有前途的薄膜技术。

  电池效率PK

  尽管薄膜的效率仍然低于单晶硅(电池和组件的最高实验室纪录分别是25.6%和22.9%),但CI(G)S(21.7%)和CdTe(21.5%)电池的实验效率已经超过多晶硅(20.8%),组件的纪录也均达到了17.5%,与多晶硅组件的18.5%的差距已经缩小。a-Si的电池和组件最高记录则分别达到了10.9%和13.4%。

  自1992年以来,多晶硅和单晶硅的转换效率基本稳定,仅有很小的提升。CI(G)S和CdTe的进步则非常显着,从15%左右,提升至20%左右,尤其是CI(G)S在2010年后的进步非常快。

  此外,聚光太阳能电池主要材料是耐高温的砷化镓(GaAs),尽管转换效率高(聚光三结和四结太阳能电池的转换效率已达到44.4%和46%),但主要适用于年均太阳直接辐射非常高(超过2000千瓦时/平方米)的地区(如撒哈拉沙漠、澳大利亚内陆等),由于只能利用直射光,且散热问题尚需解决,因此目前仍然难以量产,商业化还不够成熟,全球的并网总量仅330 兆瓦。

  价格持续下降

  2014年9月份,瑞德集团(LAZARD)发布的能源平准化成本报告显示,美国2009~2014年光伏电池的成本下降了78%。Fraunhofer ISE的数据显示,德国典型的光伏太阳能屋顶系统的价格从1990年的14欧元/瓦下降到2014年底的1.3欧元/瓦,24年间下降了近90%,年均下降率约为9%。

  光伏组件价格的经验曲线(或学习曲线)显示,过去34年间,受益于规模经济和技术进步,累计产量每翻一倍,组件价格便下降20%,从1980年超过11欧元/瓦下降至2014年的约0.5欧元/瓦,累计下降了约95%。这一规律对晶体硅和薄膜发电组件均适用。截至2014年年底,晶体硅组件的累计产量达到了167吉瓦,其价格从2006年超过4欧元/瓦下降到了约0.5欧元/瓦;薄膜电池组件的价格一直低于晶体硅,从2006年的近3欧元/瓦下降至不到0.5欧元/瓦,但两者的价格差距正在减小。

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