最完整太阳能电池行业分析报告.docx

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最完整太阳能电池行业分析报告

2012年最完整太阳能电池行业分析报告

内容提要：

2012年最完整最新太阳能电池行业分析报告目录

本报告从太阳能电池发电整体市场角度，详细分析了薄膜太阳能电池发展的现状，列举各种薄膜太阳能电池的技术特点，收集了国内外主要薄膜太阳能电池生产厂家的情况，分析了薄膜太阳能电池存在的问题和风险、发展前景等。

30年前出现的非晶硅薄膜，由于转换效率太低及效率衰退的问题，被束之高阁多年。

前几年的硅材料供应危机，强烈刺激了薄膜太阳能电池研究和投资。

2008年全球薄膜太阳能电池产量达892MW，同比增长123%。

权威估计，2050年太阳能在整个能源结构中会占到1/5的份额，意味着它的经济规模将在100万亿以上。

一、太阳能电池行业近年发展概况及前景展望

太阳能电池产品分为晶体硅电池、薄膜电池两类：

前者包括单晶硅电池、多晶硅电池两种，占据全球该行业绝大多数的市场份额；后者主要包括非晶硅电池、铜铟镓硒电池和碲化镉电池等，目前市场份额较小。

图1太阳能电池产品分类

传统的硅基太阳能电池容量大,对太阳光的转换率可以达到20%,技术成熟,但是它存在的最大问题就是主要原料多晶硅或单晶硅制造工艺复杂、耗能大，成本高，而且必须加工成坚硬的板块状电池板,限制了它的许多用途。

DisplaySearch在09年第三季最新发行的全球太阳能电池产能数据库与趋势季度研究报告中指出：

从2008年1月到2009年7月为止，全球总共新增了11.4GW（114亿瓦）的新的太阳能第2页共30页电池产能，这庞大的新增产能是2009年在需求不佳的情形之下产能仍大幅成长56%的最主要原因；

截至2006年为止，日本拥有全球最大的产能，但中国大陆厂商自2005年起积极投入新厂产能扩建，并在2007年成为全球最大的太阳能电池生产地，预计在2009年占全球太阳能电池产能的三分之一；

2009年薄膜（ThinFilm）太阳能电池的产能达到3.58GW（35.8亿瓦），其中有30%采用了600mm×1,200mm的基板尺寸。

这个尺寸也是碲化镉（CdTe）太阳能电池的标准基板尺寸，并且目前为FirstSolar等厂商所采用。

一般称之为5代的1,000×1,200mm到1,100×1,400mm尺寸的玻璃基板产能则在薄膜太阳能电池中排名第二，占了所有薄膜的18%；

2005年时全球太阳能电池产能有95%属于结晶系，5%属于薄膜技术。

2009年时薄膜技术预计达到全球总产能的20%，2013年时预计成长到30%；

针对非晶硅的生产产能，2009年的主要四家设备供货商为AMAT、Oerlikon、ULVAC以及EPV；这四家设备厂商所供应的产能达到了946MW（9亿4,600万瓦），也就是所有非晶硅产能的一半；

2030年以后光伏发电的成本会继续降低，电池的转换效率将进一步提高，光伏系统组件将发展成建筑物通用的构件，可以实现大规模的标准化应用，几乎所有新建筑都将安装光伏阵列。

欧盟希望在2030年安装的光伏发电装置增加到200GW左右，全球可能会达到1000GW。

欧洲联合委员会研究中心（JRC）的预测，到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，其中太阳能发电占到60%以上，充分显示出其重要的战略地位。

统计显示，2002年以前国内光伏发电装机容量一直徘徊在5MW左右。

2002年到2004年，国内光伏市场大幅攀升。

2008年我国太阳能电池以2050MW的产量跃居全球第一，但国内装机容量仅为20MW，我国制造的太阳能电池几乎全部出口。

估计2008年中国累计安装量达到115MW。

中国光伏应用仍然以独立系统为主，并网光伏发电应用比例还很小。

据中国电力科学院预测，2010年我国电力供应缺口为52.9GW，占需求的7.7%；2020年为91GW，占8.2%。

可见国内电力市场日益增长的需求为光伏产业的应用发展提供了有力支撑。

国家发改委提出了2010年光伏组件及系统累计安装450MW的目标。

预计2008-2010年太阳能光伏装机容量的年均复合增长率将达到80.86%。

到2020年，我国光伏累计装机容量将达到1.8GW。

科技市场调研机构isuppli2009nian9月4日发表研究报告指出，以生产量来看，2009第3页共30页年全球前10大太阳能电池制造商依序将为FirstSolar（市占率由08年的7.5%攀升至12.8%）、尚德（市占率由08年的7.3%下滑至6.9%）、SharpElectronics（市占率由08年的7.6%下滑至6.8%）、Q-Cells（市占率由08年的8.5%下滑至6.3%）、英利绿色能源（市占率由08年的4.2%攀升至5%）、晶澳太阳能（市占率由08年的4.1%攀升至4.7%）、SunPower（市占率由08年的3.5%攀升至4.6%）、京瓷（市占率由08年的4.5%攀升至4.6%）、茂迪（市占率由08年的4%攀升至4.2%）、昱晶（市占率由08年的3.3%攀升至4.1%）。

表12009年世界太阳能电池生产企业前十名排序

二、现有各种薄膜太阳能电池的特点

薄膜（Thinfilm）光伏电池,其薄膜厚度一般在2～3μm。

其中包括硅薄膜型（主要包括多晶硅、非晶硅和微晶硅）、化合物半导体薄膜型（主要包括非结晶型（a-Si:

H,a-Si:

H:

F,a-Six-Gel-x:

H等）、III-V族砷化镓、磷化铟（GaAs,InP等）、II-VI族硫化镉（Cds系）和磷化锌（Zn3P2）等）。

新材料薄膜型电池（主要包括聚合物薄膜太阳能电池和染料敏化太阳能电池）。

不同材料研究已经达到的应用水平如下：

材料效率（%）利用状况

镓硒/磷化铟/锗混合材料35仅实验室

镓硒25除某些空间利用外尚未广泛应用

磷化铟22仅实验室

晶硅25PV市场中最常用的材料

多晶硅20广泛应用

铜铟镓硒20TFPV市场中份额正在增长

碲化镉17TFPV场中增长迅速，但大多来自一家公司

非晶硅10TFPV中最为常见

有机材料4-8尚未应用，但有几家公司正积极尝试商业化

（一）、多晶硅薄膜光伏电池

从70年代中期人们就已经开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜,但由于生长的硅膜晶粒太小,未能制成有价值的太阳能电池。

目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法,包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺,另外还有液相外延法（LPPE）和溅射沉积法。

化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上,衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等。

但是,在非硅衬底上很难形成较大的晶粒,并且容易在晶粒间形成空隙。

解决这一问题办法是先用LPCVD在衬底上沉一层较薄的非晶硅层,再将这层非晶硅层退火,得到较大的晶粒,然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜,这就是再结晶技术,目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。

多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外,另外采用了几乎所有制备单晶硅光伏电池的技术,这样制得的光伏电池转换效率明显提高。

液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里,降低温度析出硅膜。

由于多晶硅薄膜电池所使用的硅远较单晶硅少,又无效率衰退问题,并且可以在廉价衬底材料上制备,其成本远低于单晶硅电池,而效率高于非晶硅薄膜电池，可能成为薄膜太阳能电池当中发展速度最快的一个品种。

（二）非晶硅薄膜太阳能电池

非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜太阳能电池,它与单晶硅和多晶硅太阳能电池的制作方法完全不同,硅材料消耗少、电耗低。

制造非晶硅太阳能电池最常见的方法有辉光放电法、反应溅射法、化学气相沉积法、电子束蒸发法和热分解硅烷法等。

辉光放电法是将一石英容器抽成真空,充入氢气或氩气稀释的硅烷,用射频电源加热,使硅烷电离,形成等离子体。

非晶硅膜就沉积在被加热的衬底上。

若硅烷中掺人适量的氢化磷或氢化硼,即可得到N型或P型的非晶硅膜。

衬底材料一般用玻璃或不锈钢板。

这种制备非晶硅薄膜的工艺,主要取决于严格控制气压、流速和射频功率,对衬底的温度的要求也很严格。

非晶硅太阳能电池有各种不同的结构,其中有一种经典的结构叫PiN型,它是在衬底上先沉积一层掺磷的N型非晶硅,再沉积一层未掺杂的i层,然后再沉积一层掺硼的P型非晶硅,最后用电子束蒸发一层减反射膜,并蒸镀银电极。

此种制作工艺,可以采用一连串沉积室,在生产中构成连续程序,以实现大批量生产。

同时,非晶硅太阳能电池很薄,可以制成叠层式,或采用集成电路的方法制造,在一个平面上,用适当的掩模工艺,一次制作多个串联电池,以获得较高的电压。

非晶硅可以生长在很薄的不锈钢和塑料衬底上,制备出超轻量级的太阳能电池。

这种电池具有很高的电功率/重量比,首先被用在太阳功率飞机上,并在1990年完成了首次跨越美国的飞行,创造了太阳功率飞行的新记录。

目前,非晶硅太阳能电池存在的问题是光电转换效率偏低,国际先进水平为10%左右,且不够稳定,常有转换效率衰降的现象,制约着非晶硅电池作为大型太阳能电源,只能应用于弱光电源。

非晶硅太阳能电池还存在稳定性秒高等缺点，直接影响了它的实际应用。

由于非晶硅光学禁带为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池取得更的高的转换效率。

此外，其光电效率会随着光照的时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退效应，使得电池性

能不稳定。

解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池，叠层太阳能电池是由在制备的单结太阳能电池上淀积一个或多个多电池制得的。

目前，非晶硅薄膜太阳能电池的研究取得两大进展：

第一，三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到13%，创下新的记录；第二，三叠层太阳能电池年生产能力达5MW。

美国联合太阳能公司（VSSC）制得的单结太阳能电池最高转换效率为9.3%，三叠层电池最高转换效率为13%。

估计效率衰降问题克服后,非晶硅太阳电池将促进太阳能利用的大发展,因为它成本低,重量轻,应用更为方便,它可以与房屋的屋面结合构成住户的独立电源。

（三）多元化合物薄膜太阳能电池

在发展硅系太阳能电池的同时,为了避开硅系太阳能电池存在的普遍问题,人们也在研制其它材料的太阳能电池。

这其中主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉及铜铟硒薄膜电池等。

砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。

砷化镓属于III-V族化合物半导体材料,其能隙1.4eV,并且耐高温性强,在二百多度的温度下,光电转换性能仍不受到太大的影响,并且由于其最高光电转换,效率约30%,特别适合做高温聚光太阳电池。

因此,是一

种很理想的电池材料。

已研究的砷化镓系列太阳能电池有单晶砷化镓、多晶砷化镓、镓铝砷———砷化镓异质结、金属-半导体砷化镓、金属2绝缘体2半导体砷化镓太阳能电池等。

砷化镓等III-V化合物薄膜电池的制备类似硅半导体材料的制备,有晶体生长法、直接拉制法、气相生长法、液相外延法等。

除砷化镓外,其它III-V化合物如GaSb、GaInP等电池材料也得到了开发。

1998年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的砷化镓太阳能电池转换效率为24.2%,为欧洲最高记录。

首次制备的GaInP电池转换效率已经达到为14.7%。

另外,该研究所还采用堆叠结构制备GaAs,GaSb电池,该电池是将2个独立的电池堆叠在一起,GaAs作为上电池,下电池用的是GaSb,所得到的电池效率达到31.1%。

铜铟硒CuInSe2简称CIS。

是以铜、铟、硒三元化合物半导体为基本材料制成的太阳能电池。

它是一种多晶薄膜结构,CIS材料的能降为1.leV,适于太阳光的光电转换。

另外,CIS薄膜太阳能电池不存在光致衰退问题。

CIS电池薄膜的制备一般采用真空镀膜、硒化法、电沉积、电泳法或化学气相沉积法等工艺来制备,材料消耗少,成本低,性能稳定,光电转换效率在10%以上。

真空蒸镀法是采用各

自的蒸发源蒸镀铜、铟和硒。

硒化法是使用H2Se叠层膜硒化,但这种方法很难得到组分均匀的CIS。

近来还发展用铜铟硒薄膜加在非晶硅薄膜之上,组成叠层太阳能电池,提高了太阳能电池的效率,并克服了非晶硅光电效率的衰降问题。

CIS薄膜电池从80年代最初8%的转换效率发展到目前的15%左右。

预计到2000年CIS电池的转换效率将达到20%,相当于多晶硅太阳能电池。

CIS作为太阳能电池的半导体材料,具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点。

铜铟硒薄膜太阳能电池对宇宙射线的耐受性比其他电池高，是一种成本低、质量轻的宇宙用太阳能电池，可作为人造卫星的电源等。

1954年雷诺兹发现了硫化镉具有光生伏打效应。

1960年采用真空蒸镀法制得硫化镉太阳能电池,光电转换效率为3.5%。

1964年美国制成的硫化镉太阳能电池,光电转换效率提高到4%～6%。

除了烧结型的块状硫化镉太阳能电池外,人们更着重研究簿膜型硫化镉太阳能电池。

它是用硫化亚铜为阻挡

层,构成异质结,按硫化镉材料的理论计算,其光电转换效率可达16.4%。

尽管非晶硅薄膜电池在国际上有较大影响,但是至今有些国家仍指望发展硫化镉太阳能电池,因为它在制造工艺上比较简单,设备问题容易解决。

镉碲薄膜电池在薄膜电池中历史是最久的,典型的CdTe光电池结构的主体是由约2μm层的p型CdTe层与后仅0.1μm的n型CdS形成。

CdS层的上沿先结合TCO,再连接基材CdTe上沿接合背板,以形成一个光电池架构。

CdTe光电池的制备方法目前有多种工艺可以采用。

最常见的方法有溅镀法、化学蒸镀、ALE、丝网印刷、电流沉积、化学喷射、密集堆积升华法等,其中电流沉积法是最便宜的方法之一,沉积操作需要的温度较低,所耗用碲元素也最少,也是工业界采用的主要方法。

综上所述,尽管多元化合物薄膜太阳能电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高,成本较单晶硅电池低,并且也易于大规模生产,但由于其组成元素大都剧毒,会对环境造成严重的污染,有的素比较稀有。

因此,这种电池并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代品。

（四）聚合物薄膜太阳能电池

在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池的研究方向。

其原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势,在导电材料（电极）表面进行多层复合,制成类似无机P—N结的单向导电装置。

其中一个电极的内层由还原电位较低的聚合物修饰,外层聚合物的还原电位较高,

电子转移方向只能由内层向外层转移;另一个电极的修饰正好相反,并且第1个电极上2种聚合物的还原电位均高于后者的2种聚合物的还原电位。

当2个修饰电极放入含有光敏化剂的电解液中时,光敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上,还原电位较低电极上积累的电子不能向外层聚合物转移,只能通过外电路通过还原电位较高的电极回到电解液,因此外电路中有光电流产生。

聚合物薄膜太阳能电池的制备的关键步骤是聚合物半导体的层的形成。

目前主要有3种技术

1）真空技术是目前制备薄膜普遍采用的方法之一,主要包括真空镀膜溅射和分子束外延生长技术;

（2）溶液处理成膜技术。

常用的溶液成膜技术主要有电化学沉积技术、甩膜技术、铸膜技术、预聚物转化技术、Langmuir2Blodgett技术、分子组装技术、印刷技术等;（3）单晶技术。

制备聚合物半导体单晶的方法有:

电化学法、扩散法和气相法。

由于有机材料柔性好,制作容易,材料来源广泛,成本底等优势,从而对大规模利用太阳能,提供廉价电能具有重要意义。

新型有机薄膜太阳能电池在原有的两层构造中间加入一种混合薄膜，变成三层构造，这样就增加了产生电能的分子之间的接触面积，从而大大提高了太阳能转换率。

可折叠薄膜的太阳能电池是一种利用非晶硅结合PIN光电二极管技术加工而成的薄膜太阳能电池。

此系列产品具有柔软便携、耐用、光电转换效率高等特点；可广泛应用于电子消费品、远程监控/通讯、军事、野外/室内供电等领域。

有机薄膜太阳能电池使用塑料等质轻柔软的材料为基板，因此人们对它的实用化期待很高。

研究人员表示，通过进一步研究，有望开发出转换率达20%、可投入实际使用的有机薄膜太阳能电池。

专家认为,未来5年内薄膜太阳能电池将大幅降低成本，届时这种薄膜太阳能电池将广泛用于手表、计算器、窗帘甚至服装上。

（五）染料敏化太阳能电池

染料敏化电池的原理是TiO2表面吸附一层对可见光具有良好的吸收性能的染料光敏化剂后,染料分子在可见光的作用下,通过吸收光能而跃迁到激发态,通过染料分子和TiO2表面的相互作用,电子跃迁到较低能级的导带,进入TiO2导带的电子被导电电极薄膜收集,通过外回路,回到反电极产生光电流。

染料敏化薄膜太阳能电池主要由以下几部分组成:

透明导电玻璃、纳米TiO2多孔半导体薄膜、染料光敏化剂、电解质和反电极。

透明导电玻璃作为导电电极,就是在普通玻璃上镀上一层掺F或Sb的SnO2的透明导电膜,也可以是ITO薄膜,在导电膜和玻璃之间最好扩散一层几纳米的SiO2。

正、负电极电子的传输和收集主要是通过导电玻璃进行的,其制备方法主要有:

磁控溅射、化学气相沉积等。

光阳极通常是由纳米TiO2多孔半导体薄膜组成。

很多成熟的薄膜制备方法都可以用于制备光阳极。

反电极也称为光阴极,是有透明半导体膜构成,主要用于收集电子和催化作用,加速I-/I-3以及阴极电子之间电子交换速度。

另外,光阴极中厚厚的一层铂还起光反射作用。

染料的性能决定电池的光电转换效率。

电解质主要作用是传输I-3和I-。

纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。

其光电效率稳定在10%以上,制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10,寿命能达到20年以上。

（六）柔性光伏电池

柔性太阳能电池重量轻,而且可以折叠、卷曲,甚至可以粘贴在其他物体表面,例如:

汽车玻璃、衣服等。

2002年美国加利福尼亚大学的科学家借助纳米技术和聚合物研制出一种太阳能电池,整个太阳能电池两侧的电极之间夹着几百纳米的有机薄膜,最关键的是其中的硒化镉纳米棒,这种纳米棒受到特定波长的光的照射后产生电子空穴对,从而产生电势差,其太阳能的利用率为1.9%。

荷兰、法国和葡萄牙的科学家在从事一项命名为H-AlphaSolar（H—AS）的柔性电池的研制工作,H—AS的效率约为13%,生产成本低、通用性好。

研制人员称其产品将在3年内出现。

日本夏普公司2004年发明出一种如纸张一般薄的电池,这种太阳能电池像2张名片一样大,厚200um,重1g,发电能力为2.6瓦,光电转换效率高达28.5%。

佳能公司发明了一种由新材料制成的柔性太阳能电池,其特点是:

由树脂包封的非晶硅作为主要光电转换层平铺在柔性材料制成的底版上。

2005年7月韩国电子和电信研究所太阳能电池研究小组开发出了全球效率最高的柔性太阳能电池的原型产品。

据介绍,这种太阳能电池只有0.4mm厚。

美国IowaThinFilm公司利用太阳能电池制造技术生产PowerFilm光伏系列产品,这种技术允许半导体层沉积在一种如纸张一样薄的耐用柔性聚合物的衬底上,从而实现卷曲制造工艺。

（七）铝箔上生长直立的纳米柱太阳能电池

将整个电池封装在透明的胶状聚合物内后就能制作出可弯曲的太阳能电池，成本低于传统的硅太阳能电池。

负责研究的是美国加州大学电气工程和计算机科学教授阿里•杰威。

与传统硅和薄膜电池相比，纳米柱技术可使研究人员使用更为廉价和低质的材料。

更重要的是，该技术更适于在薄铝箔上制作出可卷曲的太阳能电池板，从而降低了制造成本。

一旦获得成功，其生产成本将可低至单晶硅太阳能板的1/10。

这种太阳能电池是将统一的500纳米高的硫化镉嵌入碲化镉薄膜中制成的，这两种材料均是薄膜太阳能电池中经常使用的半导体。

杰威及其同事在《自然•材料》上发表的报告称，此种电池将光能转换为电能的效率可达6%。

此前，也有科学家使用了这种立柱设计思想，但其方法较为昂贵，且光电转换效率不到2%。

截至到2008年底，已经能进行产业化生产的薄膜电池主要有3种：

硅基薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池（CIGS）、碲化镉薄膜太阳能电池（CdTe）。

表2现有各种太阳能电池比较

三、薄膜太阳能电池标杆企业——美国第一太阳能公司

FirstSolar（国内翻译成第一太阳能公司）是总部位于美国亚利桑那州一家从事碲化镉第10页共30页薄膜电池生产制造的厂商，成立于1998年，2002年生产出第一块光伏电池产品，2006年底在美国纳斯达克上市，代号FSLR。

FirstSolar作为薄膜电池标志性厂商，是美国市场上享受最高估值水平的光伏股，2007年实现销售收入5.39亿美元（合人民币约37亿元），目前市值达202亿美元（合人民币1380亿元）。

薄膜电池产品供不应求，订单已排至2010年后，目前市值相当于人民币1380亿元，成为投资者热烈追逐的对象。

自2002年实现碲化镉薄膜电池量产以来，第一太阳能一直以惊人速度扩张，产量从2004年的6.5兆瓦增至2008年的504兆瓦，年复合增长率高达139%，2008年已成为产量仅次于Q-Cells的全球第二大光伏厂商。

而从2009年上半年的收入来看，第一太阳能已跃身成为全球最大的光伏厂商。

表32009年上半年世界太阳能列强的比较（单位：

亿美元）

该公司的薄膜太阳能电池单位制造成本已经从2004年的2.94美元/瓦压缩至2008年的1.08美元/瓦。

而在光伏产业掉头向下的2008年四季度，第一太阳能的平均生产成本降到了每瓦0.98美元，是全球首家生产成本低于每瓦1美元的太阳能厂商。

2009年其生产成本进一步降低，一季度和二季度分别为0.93美元/瓦和0.87美元/瓦。

表4美国第一太阳能公司薄膜太阳能电池单位成本走势

美国第一太阳能公司强劲表现显示了薄膜电池的良好发展前景。

2008年美国薄膜电池巨头FirstSolar的财政收入从07年的5.04亿美元增长至12.463亿美元。

而在2008年第四季度全球光伏巨头大幅亏损之时，FirstSolar该季的纯收入更是达到1.328亿美元。

FirstSoalr。

在2009年8月举行的一次会议上，美国第一太阳能表示，计划