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1、多晶硅和太阳能产业发展研讨会邀请报告多晶硅和太阳能产业 形势和发展战略的研究1中国科学院物理研究所 2中山大学 3中国科学院金属研究所一、前言（一）太阳能产业的重大历史意义1、 地球表面一天接受的太阳辐射能相当于当前人类 6 年的总能耗2、光伏发电是完全环保和生态友好的发电模式3、太阳能光伏发电是从根本上实现能源发展持续化的最佳技术途径之一。（二） 太阳能产业的重大现实意义在当前传统能源濒临枯竭，价格节节高攀的紧迫形势下，加快太阳能光伏发电产业的发展，对于改善我国能源安全和经济安全，具有重大现实意义和紧迫性。（三）太阳能能光伏系统成本高是太阳能产业发展的主要障碍影响因素：多晶硅、太阳能光伏电池
2、、太阳能光伏发电系统一、前言（四）可再生能源政策措施和效果1、上世纪90年代中期以来，西方发达国家实施了新的可再生能源政策和措施2、新的可再生能源政策和措施的实施推动了世界性建设家庭光伏发电站的持续热情，开启了通过扩大光伏发电市场规模，促进光伏发电系统降低成本，反过来又推动光伏发电市场规模的进一步扩大，形成良性循环，并最终顺其自然地解决太阳电池成本高问题的市场化道路的进程。3、但是，高纯多晶硅的紧缺，导致了多晶硅紧缺和高价位成了光伏产业的瓶颈。一、前言（五）我国太阳能产业的大发展2003-2007五年间，我国太阳能产业经历了历史性的大发展，近5年间世界太阳电池的平均年增长速度 为35 %, 而
3、中国太阳电池年平均年增长速度则高达 150 %，现已成为第三大太阳电池生产国。 与此相关的太阳级硅锭、硅片、光伏组件、设备制造和专用材料均有了快速的增长。10家光伏公司在国外上市，更多的国内外的上市公司加入到中国的多晶硅和太阳能产业中来，形成国际化的光伏产业群。一、前言（六）咨询项目1、2003年中长期规划讨论, 太阳能几乎被相关领导忽略。2、三次影响较大的会议：05-03-22广州院士沙龙、05-05-16长沙动力电池会议、06-03-28香山会议,，相关领导表示出了一定的积极态度3、化工冶金和材料学部立项“低成本多晶硅和太阳电池”（七）咨询项目的研究方法1、科学技术分析与经济学分析相结合2
4、、大学、研究单位与企业相结合3、理论探讨与实践相结合科技研究突破的需求、产业发展新思路的可能性二、太阳能级多晶硅制备工艺技术（一）多晶硅制备工艺技术的种类1、目前国际上多晶硅生产的在线制备技术主要有两种：（1）改良西门子法 优点：工艺成熟，生产安全，76%；缺点：还原反应产出率低（14-18%，约1/6），能耗高（250kWh/kg），生产成本高，投资门槛高（12-16亿元/千吨），建设周期长（3.5-4年)，资金回收慢。（2）硅烷法优点：能耗低，生产成本低，投资门槛较西门子法低缺点：存在爆炸危险（近年来已有改善） 二、太阳能级多晶硅制备工艺技术（一）多晶硅制备工艺技术的种类2、另有两种尚未正
5、式用于生产线的技术为：（1）流化床法，可提高反应产出率用于进一步改进西门子法和硅烷法（2）冶金法主流思想是采用载能束冶金法其中西方国家采用电子束、离子束和等离子束法，虽在提纯上 有良好的效果，但因设备投入大，生产成本高，至今未能正式投产中国民营企业目前则采用了化学能束为主，产品纯度能够达到 4N-5N，已小批量生产了3-4年.具有产出率高，能耗低，成本低，投 资门槛低等优点，但目前尚存在设备过份简陋、工艺粗放、产品均 匀性差等问题，影响了其产能的增长 二、太阳能级多晶硅制备工艺技术（二）发展趋势1、多晶硅产业向中国的转移的必然性产业大转移使我国单晶硅、多晶硅片、太阳电池及太阳能光伏发电系统产业
6、均飞速发展。 “不对中国转让技术,不向中国转移产业”,对于国际多晶硅大公司，并非有利2、多种多晶硅工艺技术竞争的发展时期当前,多晶硅产业已迅速转化为同时服务于微电子和光伏发电。但光伏产业所需的多晶硅数量极为巨大,但质量、价格要求与微电子差别很大;微电子需求也分为芯片和一般器件两个层次,造成了市场分割驱动力,使多晶硅产业将会由改良西门子法独大,逐步进入多种工艺技术既相互竞争,又各自针对合适目标协调发展的时期。二、太阳能级多晶硅制备工艺技术（二）发展趋势3、各种工艺的发展势态（1）改良西门子法，目前虽拥有最大的市场份额，但其技术的固 有缺点，经营风险也最大，2015年后达到高峰。只有通过引入等离子
7、体增强、流化床等先进技术，加强技术创新，才有可能提高其市 场竞争能力。（2）硅烷法的优势有利于为芯片产业服务,目前,其生产安全性已逐 步得到改进,其生产规模可能会迅速扩大,甚至取代改良西门子法。 （3）冶金法，在为太阳能光伏发电产业服务上，存在成本低能耗低的优势，通过发展新一代载能束高真空冶金技术，可使纯度达到 6N以上，并在若干年内逐步发展成为太阳能级多晶硅的主流制备技术。二、太阳能级多晶硅制备工艺技术（三）创建环保零排放的完整硅材料产业链工业硅是所有多晶硅流程的原料。目前，我国工业硅是在电弧炉或矿热炉中用木炭还原生产的，其年产量已达到200万吨，大部份廉价出口，不仅附加值低，污染环境，大量
8、排放温室气体，还严重破坏森林，建议领导及早重视，采取坚决措施。最近，我国有人用高温熔盐电解法，从硅石矿原料还原出了工业硅，其产品纯度可达3N，电耗略低于电弧法工业硅。由于是电解还原，完全没有温室气体排放，也没有用木碳的必要性，明显优于电弧法和矿热炉法。如果将此法推进到产业化，并解决其废渣的回收利用问题，则可与多晶硅工艺一道构成硅材料的完整的无环保问题的产业链三、薄膜硅太阳电池太阳电池是光伏发电的关键器件，目前大量使用的是其第一代（一）第一代光伏电池是块体硅电池,其结做在昂贵的同质基板上1、单晶硅太阳电池转化效率达22%，但单晶硅衬底造价高，占电池成本的60%,2、多晶硅太阳电池多晶硅衬底成本仅
9、占电池成本的25%，转化率略低于单晶硅电池，但有进一步提高的潜力。因此，目前多晶硅电池正在逐步取代单晶硅电池。总的说来，单晶硅电池用硅量（硅层加上切缝的总厚度）在0.5 mm以上，进一步降低价格的潜力远不如多晶硅电池大三、薄膜硅太阳电池（二）第二代光伏电池第二代光伏电池是薄膜电池，其p-n结直接做在廉价基片上，以节约昂贵的半导体硅材料1、非晶硅太阳电池具有在太阳光非直射条件下仍有光伏效应、光学吸收率高、吸收谱与太阳光谱接近、成本最低等优点，且已投入市场, 但其转化率比单晶硅和多晶硅电池都低，并且还存在一定程度的老化问题2、其它薄膜电池有染料敏化二氧化钛、碲化镉、铜铟锡等类型, 目前尚在研制中，
10、存在稳定性差、原料稀缺、环境污染和毒性等问题三、薄膜硅太阳电池（三）纳米复合薄膜硅电池 1、第三代光伏电池为了克服第一代和第二代光伏电池的缺点，人们发展了第三代光伏电池，其方案有：（1）级联电池；（2）多量子阱(MQW)电池；（3）、热载流子太阳能电池；（4）量子点；（5）Si/Ge薄膜；（6）纳米复合Si薄膜电池（简称硅薄膜电池）。前5种近期难以成功。（1） （2） （3）三、薄膜硅太阳电池（三）纳米复合薄膜硅电池1、在第三代光伏电池各方案中，只有纳米复合薄膜硅电池能够在近期内实现产业化3、目前，国际上（例如德国）以非晶硅电池生产线为起点，采用 a-Si / nc-Si / c-Si 纳米复
11、合多层膜方案，把第二代非晶硅电池水平的提高与电池升级到第三代这两件事结合起来做， 既有利于加快太阳电池的发展，又实现了其平稳的升级，大大降低了第三代电池的经营风险4、硅薄膜电池的成功将导致单位瓦数电池用硅量上百倍的大幅度减少, 使多晶硅需求紧张显著缓和三、薄膜硅太阳电池（三）纳米复合薄膜硅电池5、纳米复合硅薄膜电池以硅烷为原料（1）更为重要的是硅薄膜电池是以硅烷（而不是多晶硅）为原料，用等离子体增强化学气相沉积工艺来制备。（2）而硅烷是一种化工原料产品，硅烷的提纯是用分馏工艺完成的，硅烷的沸点远低于三氯氢硅，其提纯能耗和成本也低于三氯氢硅，近年来硅烷沉积的安全性已明显改善，但尚沉积速率尚待提高
12、（3）综上所述，纳米复合硅薄膜电池可以完全不依靠多晶硅原料，不受多晶硅原料紧缺和高价位的影响，独立自主地发展。三、薄膜硅太阳电池（三）纳米复合薄膜硅电池6、薄膜硅电池的竞争焦点和技术关键（1）竞争焦点：国内多家公司联手，已能提供非晶硅电池生产线。然而，这只是良好的开端。由非晶硅薄膜电池生产线到纳米复合 薄膜硅电池生产线的升级，难度更大，更为重要（2）升级的技术关键 非晶硅薄膜结构稳定性和功能特性行为的控制技术 非晶硅和多晶硅表面的重新形核技术 PECVD非晶硅和多晶硅的表面均匀生长技术 PECVD非晶硅和多晶硅的表面快速生长技术 硅烷沉积相关的安全技术 资源富有环保型透明电极制备及其界面传输线
13、特性匹配三、薄膜硅太阳电池（四）光伏电池的市场前景1、能源是极为巨大的市场，太阳能产业的高速发展势在必行。近十年来，首先是德国对光伏发电系统的巨大需求，推动了世界性光伏产业的大发展，其中也包括了中国的光伏产业。最近，西班牙的光伏系统需求超过了德国，意大利的需求也正在快速上升。2、市场增长超过了预期, 也是导致多晶硅高价位的因素之一。3、“经济全球化”、“产业大转移” 带来的 “两头在外” 虽有一定风险，但主要还是机遇，带动了我国太阳能产业的大发展，增强了企业和行业的实力。4、中国国内市场的发展迅速, 潜力巨大。5、薄膜硅电池现已成为国际光伏电池市场竞争白热化的焦点。四、光伏建筑一体化（一）光伏
14、建筑的两种概念1、光伏系统与建筑集成（Integration of photovoltaic system to building)即把光伏系统和建筑物做到了一起，国际上通常采用此概念，这是光伏建筑发展起步阶段的认识水平。通常所说的光伏屋顶，即属于此范畴。2、光伏建筑一体化（Unified photovoltaic building)主张对于光伏系统和建筑物实行一体化的设计、制造和安装，这是我国在近两三年来发展光伏建筑过程中，逐步酝酿形成的独特新概念。这是对于光伏建筑认识进一步发展的高级阶段水平。四、光伏建筑一体化（二）光伏建筑一体化概念的新内涵1、一体化设计在建筑物的设计中，统一安排建筑物、
15、光伏发电系统及其它需要的器件和结构，使其分布在房顶和墙体中，并把建筑物的墙体和 房顶分解为若干种大小不等、形状各异的结构模块2、一体化制造建立专用的生产线, 对设计好的建筑结构模块的图纸, 进行大规模的制造生产3、一体化安装采用电动吊装设备, 把生产出的结构模块, 集中安装成房屋。显然，这种安装不仅包括了结构件的安装，还应当包括电路系统部件 和线路的安装。四、光伏建筑一体化（三）光伏建筑一体化设计和制造的优越性1、把建筑工程变成了一种高度自动化的高效率制造产业，大幅度降低光伏建筑的成本，有利于促进光伏建筑的迅速的大面积推广。2、直接推进建筑节能, 有利于迅速缓解我国能源紧张的状态，大幅度增强我
16、国的能源安全。3、直接产出可有偿转让的温室气体排放指标4、有利于通过市场渠道, 在我国提前实现居者有其房，极大地缓和社会矛盾，加快和谐社会创建的进程。5、有利于实现居住条件的绿色、环保、减排，促进人类生存环境大幅度地改善。6、有利于推动高新技术的推广应用和更新换代。四、光伏建筑一体化（四）关键核心技术建筑物、光伏发电系统，以及其它有用器件组成的一体化设计和制造技术1、 一体化设计技术对于建筑物进行建筑结构与光伏电路一体化的设计， 并把建筑物分解为结构模块的技术2、 一体化制造技术对于建筑结构模块实行在生产流水线上的的大规模批量化生产制造的技术3、一体化安装技术术在建筑现场，采用电动吊装设备，对于建筑模块实行自动化安装的技术四、光伏建筑一体化（五）辅助技术1、光伏系统伏安特性和电路控技术2、储能器技术3、低能耗低成本优质绿色建筑材料技术（1）低能耗低成本优质绿色建筑材料降低烧结温度、低温固结陶瓷（2）高强高硬低热导热导 低成本植物纤维纤维
