王光祖，耿直

（鄭州磨料磨具磨削研究所，河南鄭州450007）

1 環(huán)境保護的嚴峻性與開發(fā)新型能源的戰(zhàn)略性

人類賴以生存的地球環(huán)境正在發(fā)生急劇的惡化，南北半球的高山冰川和積雪消融的加速、全球海平面上升加速、極端氣候日益頻繁的出現(xiàn)……而CO2作為最主要的溫室氣體，是導致氣候變化的罪魁禍首。向大氣釋放的CO2中，80%以上來自于傳統(tǒng)礦物能源的消耗，越來越多的警示告訴我們必須節(jié)能減排，必須扶持綠色可再生能源的發(fā)展。

電能的使用是現(xiàn)代社會不可或缺的標志，多年來，人們利用礦物燃料發(fā)電，水力發(fā)電，潮汐發(fā)電，風力發(fā)電，并且隨著礦物燃料資源的枯竭和技術的不斷發(fā)展，人們將目光投向了核能發(fā)電和光能發(fā)電。核能發(fā)電已經(jīng)得到相當多的使用，然而，當相繼發(fā)生核泄漏事故之后，光伏發(fā)電則凸顯獨特的優(yōu)勢。光伏發(fā)電最重要的特征是保護氣候。光伏發(fā)電在發(fā)電過程中基本不排放CO2，可以為減緩氣候變化作出貢獻。據(jù)統(tǒng)計，光伏發(fā)電系統(tǒng)每發(fā)電1億k Wh，可以節(jié)省標準煤4萬t，可以減少4.5萬t CO2的排放，減少粉塵486t、減排灰渣約1萬t、減排SO2約756t。

其次，光伏發(fā)電不產(chǎn)生傳統(tǒng)發(fā)電技術（例如燃料發(fā)電和核能發(fā)電）帶來的污染物排放和安全問題，也沒有廢渣和噪音污染。

光伏發(fā)電是利用半導體面的光生伏特效應，將光能直接轉變?yōu)殡娔艿募夹g。該技術的推廣應用將擺脫傳統(tǒng)發(fā)電方式對煤炭資源的依賴。為實現(xiàn)能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，世界各國均將太陽能光伏發(fā)電作為新能源和可再生能源發(fā)展的重點。2000～2009年，可再生能源中并網(wǎng)光伏發(fā)電的年平均增長最快，達到60%以上，并網(wǎng)光伏發(fā)電正日益發(fā)揮替代能源的作用。

開發(fā)利用豐富的太陽能，不但對環(huán)境不產(chǎn)生或產(chǎn)生很少污染，而且太陽能既是近期急需的能源補充，又是未來能源結構的重要組成部分，并且是以光伏發(fā)電為基本形態(tài)而組成的大規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)。無論從經(jīng)濟社會走可持續(xù)發(fā)展之路和保護人類賴以生存的地球生態(tài)環(huán)境的高度來審視，還是從特殊途徑解決現(xiàn)實能源供應問題出發(fā)，開發(fā)和利用太陽能發(fā)電資源都具有重要戰(zhàn)略意義［1－4］。

太陽能光伏發(fā)電技術是一種清潔的可再生能源。是傳統(tǒng)化石能源最為重要的替代能源之一，不產(chǎn)生任何有害氣體和有害物質，因此是綠色環(huán)保能源。

具有以下特點：沒有轉動部件，不產(chǎn)生噪音；沒有有害氣體污染，不排放廢物；沒有燃燒過程，不需要燃料；維護保養(yǎng)簡單，維護費用低；運行可靠，穩(wěn)定性好；關鍵部件的太陽能電池使用壽命長，晶體硅太陽能電池壽命可達25年以上，易增容。光伏發(fā)電最重要的特征是保護氣候。光伏發(fā)電在發(fā)電過程中基本不排放CO2，可以為減緩氣候變化作出貢獻。

我國的太陽能資源十分豐富，如果光伏技術在將來可以大規(guī)模付諸應用，不僅可以提供未來國民經(jīng)濟發(fā)展的電力能源，還可以降低室溫氣體和污染物的排放，而且可以創(chuàng)造更多的就業(yè)機會，這對國民經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護和社會穩(wěn)定具有十分積極的意義。

2 發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)的迫切性

煤、石油、天然氣……這些積蓄了億萬年的化石能源，經(jīng)過數(shù)百年的巨大消耗，已經(jīng)不可逆轉地走向枯竭。世界各國的能源研究機構和專家經(jīng)過縝密的測算，得出了比較一致的結論：全球化石燃料的生產(chǎn)和消耗峰值將出現(xiàn)在2030～2040年之間。圖1給出了中國主要能源儲量和世界能源儲量對比。

圖1 中國主要能源儲量和世界對比Fig.1 Comparison between major energy reserves in China and those of the world

面對日益枯竭的傳統(tǒng)能源，人們在不斷地尋找替代能源。從核能發(fā)電問世以來，被作為替代性的能源得到重視，但是切爾諾貝利和福島核電站的泄漏事件，以及核廢料的處理給環(huán)境構成的巨大安全威脅，促使公眾更加審慎地對待未來的替代能源。而資源無限，不會造成污染的光伏發(fā)電，或將成為今后替代能源的首選。

3 技術發(fā)展的先天性

傳統(tǒng)礦物資源的枯竭和環(huán)境問題的日益惡化，促使人類將目光轉向取之不盡、用之不竭、清潔無污染，隨時可開發(fā)的太陽能資源，據(jù)統(tǒng)計計算，太陽能每秒鐘到達地面的能量高達80萬千瓦，如果把到達地球表面0.1%的太陽能轉換為電能，以5%的轉換效率計算，每年發(fā)電量可達5.6×1012千瓦小時，相當于目前世界上能耗的40倍，因此，光伏發(fā)電技術是近年來發(fā)展最快、最具活力的研究領域之一。

太陽每秒鐘照射到地球上的能量相當于燃燒500萬噸標準煤，人類一年消耗的能源是130萬億千瓦時，而地球接受的太陽能每年是120萬萬億千瓦時，是人類當今消耗能源的一萬倍。因此，太陽能被認為是最廉價的可再生能源，廣泛受到世界各國的高度重視。

中國2／3的囯土面積日照時數(shù)在2200h以上，年太陽幅射總量超過每平方米5000MJ，為發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)提供了良好的先天條件。

中國太陽輻射開闊地利用小時數(shù)平均1350小時。我國沙漠、沙化土地120萬平方公里，2平方公里可以安裝100MW，1%的荒漠可安裝，則能裝600GW，即6億千瓦。

4 技術上的可行性

太陽能電池的發(fā)展已經(jīng)歷了三代：笫一代為單晶硅太陽能電池；第二代為多晶硅、非晶硅等太陽能電池；第三代是銅銦鎵（CIGS）薄膜太陽能電池。

不過從目前市場構成來看，晶體硅電池仍然是目前太陽能光伏電池的主流。晶體硅電池主要應用于太陽能屋頂電站，是目前技術最成熟、應用最廣泛的太陽能光伏產(chǎn)品，所占世界光伏市場份額超過80%。

在硅系列太陽能電池中，單晶硅太陽能電池轉換效率最高（16%～20%），技術也最為成熟，但成本居高不下。多晶硅太陽能電池成本低，但轉化效率一般為14%～16%，不過由于當前生產(chǎn)工藝成熟，已成為占有率最高的主流產(chǎn)品。薄膜太陽能電池雖然成本低，但存在轉化率低（5%～7%），光致衰退性能不穩(wěn)定等缺點。目前，已產(chǎn)業(yè)化的薄膜光伏電池材料有三種：非晶硅（α－Si）、銅銦硒（CIS）、銅銦鎵（CIGS）和鍗化鎘（Cd Te），其中非晶硅薄膜電池生產(chǎn)比重最大。

5 太陽能電池材料特點的多樣性

從技術上講，晶體硅并不是最佳材料，其中光電轉換效率亦非最佳；從成本上來說，晶體硅電池成本偏高，其市場價格約為＄3／Wp～＄4／Wp。因此，進一步發(fā)展高轉換率和低成本的太陽能電池就成為光伏領域必然的發(fā)展趨勢［5，6］。

從光電轉換效率來講，Ga As基多結太陽能電池的轉換效率已經(jīng)突破35.8%［7］。是目前所有太陽能電池中最高的，但是，Ga、In、P、Ge等都屬稀有元素，其成本遠大于硅電池的材料成本，而電池片的價格是光伏系統(tǒng)成本最主要部分。因此，較高的發(fā)電成本制約了其大規(guī)模地面應用。

從降低成本來說，薄膜技術近年來異軍突起，世界第二大光伏生產(chǎn)商First solar主要以薄膜太陽能電池為主。有望成為光伏電池技術未來發(fā)展趨勢之一［8］。目前已商業(yè)化生產(chǎn)的薄膜電池有三種：非晶硅（α－Si）、銅銦硒（CIS）和鍗化鎘｛Cd Te｝。

更有希望的薄膜太陽能電池是多晶薄膜太陽能電池。與傳統(tǒng)多晶硅太陽能電池相比，制造多晶硅薄膜電池可以節(jié)省硅材料70%以上，減少能耗60%以上，可顯著降低電池制造過程中碳的排放。因此，研制多晶硅薄膜太陽能電池具有更大的經(jīng)濟效益和社會效益。

6 世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的計劃性

世界上將光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢分為三個階段：

6.1 近期發(fā)展趨勢

Solar Annual認為2007～2011年內太陽能電池產(chǎn)量仍將持續(xù)增長，且仍以晶體硅太陽能電池為主。

太陽能電池組裝件隨著成本迅速降低，高純硅材料價格從2008年10月的3.55美元∕Wp，降低到2009年12月的1.78美元∕Wp。

2011～2013年光伏發(fā)電可實現(xiàn)平價上網(wǎng)，美國對光伏發(fā)電成本下降的預測相當樂觀。認為2015年前后光伏發(fā)電成本將與常規(guī)發(fā)電成本相一致。

6.2 中期發(fā)展趨勢

按照歐洲2020年光伏新發(fā)展計劃，到2020年，裝機容量為400GW，而美國奧巴馬政府2020年的宏偉發(fā)展目標則將實現(xiàn)裝機容量350GW。

6.3 遠期發(fā)展趨勢

根據(jù)歐盟委員會聯(lián)合研究中心（JRC）預測，到2030年可再生能源在世界能源結構中占30%以上，太陽能光伏發(fā)電在世界電力供應總量中占10%以上；2040年可再生能源將占世界能源消費總量的50%以上，太陽能光伏發(fā)電在世界電力供應總量中占20%以上；到本世紀末，可再生能源將在世界能源結構中占到80%以上，而太陽能發(fā)電將在世界電力供應總量中占60%以上。

7 金剛石線鋸加工技術的先進性

高新行業(yè)中使用之材料，經(jīng)常屬于高單價的材料，例如單晶硅、多晶硅和藍寶石?！肮琛笔且环N存在于地殼中僅次于“氧”的元素，其特性為硬脆，莫氏硬度6.5，可依需要制作成單、多晶硅，廣泛使用在集成電路基板、綠色能源如太陽能電池上。由于材料制造成本昂貴，加工中多要求精度高，加工效率快，材料損失小及潔凈的加工環(huán)境。因此，在光伏產(chǎn)業(yè)整個產(chǎn)業(yè)鏈中，硅片生產(chǎn)是多晶硅或單晶硅光伏電池技術中成本最昂貴的部分。

當晶圓直徑達到Ф300mm時，內圓刀片的外徑將達到1.18m，內徑為410mm，這會在制造、安裝與調試上帶來很多困難。所以，后期主要發(fā)展線切割為主的硅片切割技術。隨著300mm和更大直徑的單晶和多晶硅鑄錠出現(xiàn)以及對更薄硅片的需求，上世紀90年代出現(xiàn)了多線鋸，它可以高效率地切割大直徑薄硅片，目前成為硅片切割最常用的方法。

晶硅片的線切割方式有兩種，即游離磨料式鋼絲線鋸切割和固結金剛石線鋸切割，而固結金剛石線鋸比游離磨料式鋼絲線鋸具有明顯的優(yōu)勢［9－10］：

（1）切割效率成倍提高，線鋸材料消耗大幅降低，減少故障時間，從而降低總成本（TCO）支出。

（2）避免使用由聚乙二醇和碳化硅組成的研磨漿液，從而解決了廢料回收的難題。

（3）采用金剛石線鋸能改善晶片的質量。

（4）能降低金屬的污染。如使用≤Φ0.1mm的線鋸切割，污染將更少。

國外金剛石線鋸尤其是金剛石多線鋸在晶片切割中的應用，也是最近幾年發(fā)展起來的。在臺灣和日本兩地大量推廣使用，使用率已達到80%，而歐美的金剛石線鋸僅有20%。目前，多線鋸切割機廠家為適應兩種切割方式，進行了大力改進，線速度提高到1000m∕min以上，進給速度提高到0～15mm∕min。

我國金剛石線切割技術研發(fā)的難點：

（1）線材的合理選擇。不但要求有最高的拉伸強度，還要有好的抗疲勞強度。

（2）保證整條線鋸上金剛石電鍍的均勻性和質量的穩(wěn)定性。

（3）產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝及其成套技術設備的設計與制造。

（4）科研基礎薄弱，許多先進的核心技術依然被歐美日等掌握。

（5）強有力的光伏產(chǎn)業(yè)技術戰(zhàn)略同盟尚未形成。

為了迎合新材料、新能源等戰(zhàn)略性高新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢頭，我們必須在穩(wěn)中求進中，調整和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構，強勢開發(fā)和研究包括金剛石線鋸在內的用于加工硬脆貴重材料的金剛石工具，才能取得突破性的高速發(fā)展。

2011年2月在上海舉行的世界最大的第五屆國際太陽能產(chǎn)業(yè)及光伏工程展覽會上，制造設備和加工工具是國外知名品牌廠商的天下。國外多線切割機報價少則600萬元∕臺，多則1000萬元∕臺，而同樣性能的國產(chǎn)多線切割機只要200萬元∕臺。

用于太陽能電池的硅片厚度僅有0.18～0.25mm，其厚度誤差（TTV）要求10～20μm，對硅片要求極高，表面不能有細微裂紋和劃痕，不能有彎曲、凹凸的形貌缺陷。

在多線切割設備技術和制造領域，瑞士、日本、美國和德國等工業(yè)發(fā)達國家處于領先水平

呂智等提出：“要以戰(zhàn)略的眼光考量金剛石線鋸技術對于發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)、電子產(chǎn)業(yè)的作用，降低太陽能成本將起到十分重要的關鍵作用?！币蚨芮嘘P注和追蹤最新金剛石線鋸的發(fā)展動態(tài)，不斷創(chuàng)新，縮短差距，努力追趕世界先進水平。

近年來太陽能行業(yè)對大面積薄硅片的需求量不斷增加。據(jù)統(tǒng)計，80%的太陽能電池都要求使用大直徑多晶硅錠。隨著光伏電池技術發(fā)展，要求硅片的厚度不斷降低，從1990年的400μm到2005年的240μm，同時單晶硅片的面積也從100cm2增加到240cm2，光伏電池的效率從10%增加到現(xiàn)在的13%。隨著3G技術的進一步發(fā)展，將來對柔性、透明、超薄（40μm）硅片的需求量也逐步增加。但是太陽能電池用的硅片的切割成本一直居高不下，占總的制造成本的30%左右。

隨著對硅晶體切割厚度、質量和效率要求的不斷提高，對相應的切割設備和切割工具也提出了更高的要求。傳統(tǒng)硅片切割使用的是金剛石外圓和內圓切割。外圓切割由于受外圓鋸片剛度的影響，硅片的切縫較大（1mm左右），而且切割硅片的直徑也一般限制在100mm以內。內圓切割由于在外圓部分夾緊，這使內圓鋸片的剛性提高，其切縫也可以達到300μm左右。由于在切縫和切割直徑上的優(yōu)勢，內圓切割成為切割直徑為150～200mm硅片的主要方法。

固著磨料線鋸切片技術，以其鋸口損耗小，精度好和切割環(huán)境清潔等優(yōu)點［10］，有望成為單晶硅等硬脆材料切片的未來發(fā)展方向。

由于固著磨料多線鋸的諸多優(yōu)點，已經(jīng)逐漸取代游離磨料多線鋸。但目前受磨料在基體上固著方法的限制，金剛石磨料與鋸絲基體結合強度不高，鋸絲的壽命也受到限制。因此，使用更細、強度更高的鋸絲基體，提高鋸絲的壽命，改進多線鋸鋸切工藝參數(shù)，減小切縫寬度，提高切割晶體表面質量將是硅片精密切割多線鋸的研究和發(fā)展方向。這一動向應引起我們的高度重視。

8 多晶硅技術與價格的挑戰(zhàn)性

光伏行業(yè)是一個高度國際化市場，中國的多晶硅組件98%依靠出口，中國的光伏組件企業(yè)也進口國外的多晶硅料。就多晶硅而言，現(xiàn)在國外一些企業(yè)已經(jīng)能夠做到30美元／公斤的成本，但國內大多數(shù)企業(yè)成本仍然在50美元／公斤左右。

中國多晶硅成本之所以這么高，是因為多晶硅材料并不屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，企業(yè)都是規(guī)?；透叨茸詣踊?，而中國大多數(shù)多晶硅材料企業(yè)都是成套引進國外設備，并不掌握核心技術，多晶硅技術一直被國外8家大公司壟斷。與發(fā)達國家相比，國內生產(chǎn)多晶硅能耗高而且產(chǎn)品質量不穩(wěn)定［11］。

由于一直沒有掌握真正核心的多晶硅生產(chǎn)技術，我國多晶硅生產(chǎn)能耗和成本較高，成為太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一道“硬傷”。破解多晶硅生產(chǎn)技術的瓶頸，提高全行業(yè)技術水平，進而提高綜合競爭力，已經(jīng)是國內多晶硅行業(yè)能否健康發(fā)展的關鍵。

多晶硅是太陽能光伏電池的主要原材料。2007年多晶硅管最高賣到400美元／公斤，國內許多企業(yè)在暴利的吸引下蜂擁而至，產(chǎn)量迅速增加。但受金融危機的影響，2008年多晶硅價格驟降。太陽能電池組件伴隨著成本的降低迅速降價。高純多晶硅材料價格從2008年10月的3.55美元／Wp降到2009年12月的1.78美元／Wp。值得注意的是，國外低價多晶硅的大量涌進，將嚴重沖擊作為新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一的太陽能產(chǎn)業(yè)。

與此同時，太陽能產(chǎn)業(yè)的不斷擴大，使得國內多晶硅的缺口進一步擴大，直接刺激多晶硅進口量增大。2009年我國多晶硅產(chǎn)量為1.8萬t～2萬t，而需求在4萬t左右，約50%需要依賴進口；預計我國多晶硅的產(chǎn)量將達到2.5萬t～3萬t，仍將有40%～50%的多晶硅需求缺口。

進口多晶硅價格繼續(xù)下滑，2010年2月份降至47.4美元／公斤，同比下降27.7%，為2009年以來江蘇口岸多晶硅月進口均價最低水平

9 政策扶持的重要性

世界各國的光伏激勵政策及相關法律的保障對降低光伏發(fā)電成本的作用不可忽視。圖2給出了美國能源部對光伏價格的預測結果，其中，SAI為美國太陽能先導計劃，從這個圖中可以看出政策的扶持對光伏發(fā)電成本的降低具有十分顯著的作用。不難想像，當光伏發(fā)電成本與常規(guī)能源發(fā)電成本相當?shù)臅r候，它的市場將會更加廣闊。

圖2 美國能源部對光伏發(fā)電價格的預測Fig.2 Predication on the price of electricity generated photovoltaically by the United States

圖3給出了世界太陽能電池歷年產(chǎn)量的柱形圖，可以看出光伏發(fā)電已經(jīng)從“候補能源”逐步向“替代能源”過渡，這其中離不開政策的扶持。眾所周知，目前光伏發(fā)電成本較傳統(tǒng)能源發(fā)電來說，相對較高，單純市場的拉動不可能使光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展如此迅猛，這主要得益于德國、日本、美國和西班牙各國的鼓勵政策。

圖3 世界太陽能電池歷年產(chǎn)量柱形圖Fig.3 The chart of historical solar battery output of the world

10 給力內需確保發(fā)展的可持續(xù)性

世界光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模呈現(xiàn)中、日、德三足鼎立格局，中國光伏電池產(chǎn)量并不具備絕對優(yōu)勢，特別是中國光伏產(chǎn)業(yè)鏈的上游發(fā)展比較滯后，一度需要大規(guī)模進口多晶硅以滿足光伏電池生產(chǎn)的需要，即使近幾年上游多晶硅的產(chǎn)能擴張很快，但在技術水平，環(huán)境治理方面與世界先進水平仍存在較大差距。

與光伏產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展大相徑庭的是中國光伏應用市場的發(fā)展非常緩慢。中國的光伏應用起步于20世紀70年代，但應用規(guī)模很小，直到90年代裝機容量才超過1MW。2008年，中國光伏系統(tǒng)的安裝總量總計40MW，僅相當于當年太陽能電池生產(chǎn)量的2%，這意味著98%的太陽能電池用于出口。

中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要得益于國外市場需求快速增長的拉動。世界光伏市場主要在發(fā)達國家。相比之下，中國光伏市場的發(fā)展遠遠滯后于產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國內光伏產(chǎn)業(yè)的應用范圍非常有限，90%以上的產(chǎn)品用于出口。

光伏產(chǎn)業(yè)表現(xiàn)為“兩頭在外”的特征，一方面關鍵的多晶硅材料進口量較大，另一方面產(chǎn)品主要以滿足國際市場需求為主，國內市場需求很小，特別是商業(yè)化市場規(guī)模有限。

我國光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)過近幾年發(fā)展，已經(jīng)躍升成為全球最大的光伏產(chǎn)業(yè)制造基地，全球最大的15家太陽能電池生產(chǎn)企業(yè)中，就有10家來自中國。產(chǎn)能占全球的一半以上，然而光伏產(chǎn)業(yè)嚴重依賴囯外市場，出口比例甚至高達90%，原材料也有一半來自國外，給整個行業(yè)的健康發(fā)展帶來不安定因素。因此，開發(fā)光伏產(chǎn)業(yè)的國內應用市場已經(jīng)迫在眉睫！

最近，大家議論的一個較多的話題，就是有很多光伏企業(yè)倒閉了！筆者認為那些以“急功近利”為動力的、沒有技術含量或低水平重復上馬的企業(yè)的倒閉，并不是什么壞事，而對未來的發(fā)展卻是個好事！上述企業(yè)倒閉越多越徹底越好，沒有什么可惜的。最后需要提醒的是，不要因歐美等工業(yè)發(fā)達國家債務危機而放緩包括光伏產(chǎn)業(yè)在內的工業(yè)發(fā)展速度，而迷失發(fā)展方向。他們是放緩，而不是放棄！今天的放緩，是為未來的快速發(fā)展創(chuàng)造條件，積蓄力量！

據(jù)了解，我國在制定的新能源“十二五”發(fā)展規(guī)劃中，將光伏裝機目標上調至10GW，而去年我國裝機容量尚不足900兆瓦，這意味著，“十二五”期間，我國光伏發(fā)電的裝機容量將增長10倍以上。隨著更多扶持政策的出臺，隨著相關技術越來越成熟，相信我國光伏產(chǎn)業(yè)依然會具有廣闊的前景。

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