【摘 要】介紹了硅太陽(yáng)能光伏電池的不同分類(lèi)及其優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了硅太陽(yáng)能電池和LED照明發(fā)展的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題。并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】硅太陽(yáng)能電池；多晶硅；LED照明

化石能源危機(jī)的日益臨近和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，發(fā)展可再生能源已近在眉睫。太陽(yáng)能具有儲(chǔ)量的無(wú)限性、存在的普遍性、利用的清潔性、開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)型等優(yōu)點(diǎn)而使其可能成為理想的替代能源。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，節(jié)約能源也是社會(huì)面臨的重要問(wèn)題。LED作為第四代光源，以其自身的優(yōu)點(diǎn)，作為節(jié)能產(chǎn)品、“綠色光源”正快速進(jìn)入應(yīng)用。

1.硅太陽(yáng)能電池的發(fā)展現(xiàn)狀

基于硅元素豐富的儲(chǔ)量，微電子工業(yè)所積累的先進(jìn)技術(shù)和硅材料太陽(yáng)電池技術(shù)的飛速進(jìn)展，使硅材料太陽(yáng)電池在光伏產(chǎn)業(yè)中占有90℅以上的市場(chǎng)份額。

1.1單晶硅太陽(yáng)能電池

目前全世界光伏工業(yè)晶體硅太陽(yáng)電池所用的硅錠的投爐料，都采用半導(dǎo)體工業(yè)的次品硅及其單晶硅的頭尾料，半導(dǎo)體硅碎片，經(jīng)過(guò)單晶爐的復(fù)拉，生產(chǎn)出太陽(yáng)能級(jí)的單晶硅，這種硅料的純度大部分仍在6N到7N，以及專(zhuān)門(mén)為生產(chǎn)太陽(yáng)能電池而制備的單晶硅，如中子擅變攙雜直拉硅單晶。單晶硅生長(zhǎng)技術(shù)主要有直拉法（CZ）和懸浮區(qū)熔法。CZ法因使用石英坩堝而不可避免地引人一定量的氧，氧沉淀物是復(fù)合中心，從而降低材料少子壽命。懸浮區(qū)熔法將區(qū)熔提純和制備單晶結(jié)合在一起，能生長(zhǎng)出高純無(wú)缺陷單晶。當(dāng)前世界上直拉單晶硅太陽(yáng)電池的最高轉(zhuǎn)換效率為24.5℅、區(qū)熔單晶硅轉(zhuǎn)換效率24.7℅[1、2]，目前產(chǎn)業(yè)化的單晶硅太陽(yáng)電池效率在18-19℅左右。

1.2多晶硅太陽(yáng)能電池

多晶硅太陽(yáng)能電池省去了生產(chǎn)單晶硅這道費(fèi)用昂貴的工序，節(jié)約了硅材料，對(duì)原材料要求比較低，易于長(zhǎng)成大尺寸方錠，生長(zhǎng)時(shí)能耗低，硅片成本降低，從而大大降低了太陽(yáng)電池的生產(chǎn)成本；其缺點(diǎn)是有晶界、位錯(cuò)、空位和雜質(zhì)等，對(duì)多晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率有一定影響。多晶硅的制備方法主要有澆鑄法和電磁鑄造法，德國(guó)弗賴(lài)堡太陽(yáng)能系統(tǒng)研究院成功的用多晶硅材料制成世界上第一個(gè)轉(zhuǎn)換效率超過(guò)20%的多晶硅太陽(yáng)電池[3]，目前產(chǎn)業(yè)化的多晶硅太陽(yáng)電池效率在17-18%左右。雖然效率比單晶硅的效率稍低，但由于價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)，多晶硅太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量在1999年就已經(jīng)超過(guò)單晶硅太陽(yáng)能電池成為硅材料太陽(yáng)電池主流。

1.3帶狀硅太陽(yáng)電池

單晶和多晶體都是塊狀材料，要做成太陽(yáng)電池都需切割，采用內(nèi)圓切割法可將硅單晶錠切成硅片，幾乎有近50%的硅材料損耗，成本昂貴。通過(guò)采用多線切割工藝，可使損失降低至30%左右，但都會(huì)造成材料的浪費(fèi)。為了避免切割損失，研究了從熔融硅液中直接生長(zhǎng)帶硅的方法，一些已用于實(shí)際生產(chǎn)中。采用無(wú)需切片的帶狀硅作襯底，可使硅材料的利用率從20℅提高到80℅以上[4]。帶狀硅生長(zhǎng)方法有定邊喂膜生長(zhǎng)法、條帶生長(zhǎng)法、在襯底上的帶狀生長(zhǎng)法、粉末硅片生長(zhǎng)法、蹼狀生長(zhǎng)法等。其中定邊喂膜生長(zhǎng)法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，是目前最成熟的帶硅技術(shù)，大面積（10cm×10cm）太陽(yáng)電池的效率已經(jīng)達(dá)l4.3%[5]。德國(guó)的Fraunhofer太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所采用光學(xué)加熱技術(shù)，直接將硅粉熔制成薄硅帶，以此作為硅電池的廉價(jià)村底，所得電池的最高效率11.2%。處于世界領(lǐng)先地位。班群等在低純度SSP襯底上制備的多晶硅薄膜太陽(yáng)電池未經(jīng)過(guò)其它電池優(yōu)化工藝，在初期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5%～7%（電池面積1cm2）[6]。

1.4硅薄膜太陽(yáng)電池

1.4.1非晶硅薄膜太陽(yáng)電池

非晶硅薄膜電池材料是硅和氫的一種合金，在可見(jiàn)光的一定領(lǐng)域內(nèi)，非晶硅的吸收系數(shù)要比單晶硅的吸收系數(shù)大10倍左右。要獲得滿(mǎn)意的吸收要求，單晶硅厚度約為100μm。而使用非晶硅僅需0.5～1.0μm厚度，大大降低材料的需求量。同時(shí)可采用集成技術(shù)在電池制備過(guò)程中一次完成組件，省去材料、器件、組件各自單獨(dú)的制作過(guò)程；可采用多層技術(shù)，降低對(duì)材料品質(zhì)要求等。非晶硅主要由氣相沉積法制備的，氣相沉積法可分為輝光放電分解法、濺射法、真空蒸發(fā)法、光化學(xué)氣相沉積法和熱絲法等[7]，其中等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD）已經(jīng)普遍被應(yīng)用。

非晶硅薄膜電池材料由于存在Staebler—Wronski效應(yīng)使得非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池在太陽(yáng)光下長(zhǎng)時(shí)間照射會(huì)產(chǎn)生效率的衰減，從而導(dǎo)致整個(gè)電池效率的降低，沉積速率低，后續(xù)加工困難等使非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的應(yīng)用受到了很大的限制。

1.4.2多晶硅薄膜太陽(yáng)電池

多晶硅薄膜是由在襯底上生長(zhǎng)的具有不同晶粒取向的很多小晶粒組成，多晶硅薄膜電池是兼具單晶硅和多晶硅體電池的高轉(zhuǎn)換效率和長(zhǎng)壽命以及非晶硅薄膜電池的材料制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)化等優(yōu)點(diǎn)的新一代電池。目前多晶硅薄膜的制備方法主要有：低壓化學(xué)氣相淀積、熱絲化學(xué)氣相淀積、固相晶化、激光誘導(dǎo)晶化、金屬誘導(dǎo)晶化等。多晶硅薄膜太陽(yáng)電池在提高太陽(yáng)電池效率、節(jié)約能源和大幅度降低成本方面都具有極其誘人的前景。在國(guó)內(nèi)，研究工作才起步，我國(guó)河北保定英利集團(tuán)生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池多晶硅電池片效率已達(dá)15%。

2.LED照明的發(fā)展現(xiàn)狀

LED 光源也就是發(fā)光二極管（LED）為發(fā)光體的光源，屬于固態(tài)光源。LED的主要優(yōu)點(diǎn)有：發(fā)光效率高；耗電量少，在同等的照明效果下，僅為白熾燈的八分之一；使用壽命長(zhǎng)，理論使用壽命可達(dá)10萬(wàn)個(gè)小時(shí)，產(chǎn)品的壽命一般也超過(guò)5萬(wàn)個(gè)小時(shí)；發(fā)光亮度高，散發(fā)熱量少；響應(yīng)快，呼應(yīng)時(shí)間在微秒級(jí)。LED光源主要應(yīng)用在：景觀燈，裝飾燈；背光照明；道路照明；室內(nèi)照明；汽車(chē)用燈；便攜燈具；投影光源等。

當(dāng)前，LED照明存在的主要問(wèn)題有：光通量有待進(jìn)一步的提高，當(dāng)前LED芯片的轉(zhuǎn)換效率都在20-30%左右，有很大的提高空間；LED發(fā)出的光和自然光有一定的差距，LED光中有過(guò)多藍(lán)光，由于光環(huán)效應(yīng)導(dǎo)致不均勻色空間的產(chǎn)生[8]，有一定的光生物安全問(wèn)題；價(jià)格較高，近年來(lái)，LED正朝高效率，低成本方向發(fā)展，這將有利于其在照明領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.當(dāng)前太陽(yáng)能光伏LED照明發(fā)展中的問(wèn)題

3.1核心技術(shù)與核心設(shè)備

改良西門(mén)子法是目前生產(chǎn)多晶硅的主要工藝，產(chǎn)量占當(dāng)今世界總量的 70%～80%。我國(guó)企業(yè)的核心生產(chǎn)技術(shù)水平低，特別是多晶硅生產(chǎn)的核心技術(shù)掌握在全球幾個(gè)大的化工聯(lián)合企業(yè)手里，國(guó)內(nèi)的大部分多晶硅企業(yè)的生產(chǎn)成本比國(guó)外高10 美元/kg；國(guó)外貿(mào)易主義的抬頭；中國(guó)光伏產(chǎn)品的市場(chǎng)主要在國(guó)外，國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電發(fā)展緩慢，是造成目前中國(guó)多晶硅和光伏產(chǎn)業(yè)困境的主要原因[9]。

我國(guó)的企業(yè)大多集中在電池片的制造和組裝等附加值較低的中間環(huán)節(jié)，造成太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)非常不穩(wěn)。我國(guó)在消耗大量的能源資源以及受到嚴(yán)重環(huán)境污染后，卻把綠色無(wú)污染的能源輸送給歐美等國(guó)家[10]。國(guó)產(chǎn)設(shè)備雖然占據(jù)國(guó)內(nèi)一半以上市場(chǎng)，是因性?xún)r(jià)比而非性能指標(biāo)，關(guān)鍵技術(shù)與國(guó)外廠商尚有一定差距。因此要不斷提高設(shè)備的性能、穩(wěn)定性和工藝能力[11]。LED芯片生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)也與國(guó)外先進(jìn)水平有較大的差距。

3.2全球產(chǎn)能過(guò)剩和市場(chǎng)“兩頭在外”

2011年我國(guó)光伏電池產(chǎn)量達(dá)到20吉瓦，約占全球產(chǎn)量的65%；2012年，光伏電池組件出貨量約23吉瓦。現(xiàn)在全球光伏產(chǎn)能是60吉瓦，而整體需求只有30吉瓦，產(chǎn)能?chē)?yán)重過(guò)剩。產(chǎn)能過(guò)剩導(dǎo)致價(jià)格快速下降，行業(yè)整體毛利率不足10%。同時(shí)國(guó)內(nèi)企業(yè)擴(kuò)張?zhí)欤?fù)債率過(guò)高，多數(shù)光伏企業(yè)陷入虧損。我國(guó)80%以上太陽(yáng)能電池產(chǎn)品用于出口，國(guó)外市場(chǎng)依存度過(guò)高，“兩頭在外”的現(xiàn)狀致使我國(guó)大部分光伏企業(yè)陷入了更大的困窘[12]。

3.3并網(wǎng)瓶頸與政策支持

由于太陽(yáng)能的特點(diǎn)限制，導(dǎo)致光伏發(fā)電的間歇性與不確定性。光伏發(fā)電接入電網(wǎng)的技術(shù)并未成熟，容易對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)造成不上的影響。

2013年國(guó)務(wù)院出臺(tái)《關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見(jiàn)》，提出2013年至2015年，年均新增光伏發(fā)電裝機(jī)容量1000萬(wàn)kW左右，到2015年總裝機(jī)容量達(dá)到3500萬(wàn)kW以上，并且要著力推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)進(jìn)步。2010年國(guó)務(wù)院出臺(tái)《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，將半導(dǎo)體照明列為我國(guó)未來(lái)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。2012年7月頒布的《半導(dǎo)體照明科技發(fā)展“十二五”專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》將我國(guó) LED 照明產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略定位提升到了一個(gè)全新的高度。我國(guó)已出臺(tái)了較多的扶持政策，但各政策之間缺少體系結(jié)構(gòu)，落實(shí)起來(lái)也存在很多困難，要確保政策的落實(shí)，才能更好的促進(jìn)行業(yè)的健康發(fā)展[13]。

4.前景

光伏產(chǎn)業(yè)和LED產(chǎn)業(yè)一定要堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新，特別是多晶硅的生產(chǎn)及拉晶，切片等關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)水平和LED芯片的關(guān)健生產(chǎn)技術(shù)。加大對(duì)新技術(shù)的攻關(guān)力度，如正在進(jìn)行的準(zhǔn)單晶技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)新的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的生產(chǎn)方法，物理法提純金屬硅方法的產(chǎn)業(yè)化，大功率LED的封裝和散熱問(wèn)題等。國(guó)家要制定相應(yīng)的行業(yè)準(zhǔn)入和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以減少行業(yè)初始發(fā)展過(guò)程中的混亂局面，規(guī)范行業(yè)發(fā)展。要加快對(duì)行業(yè)的整合，遲早淘汰過(guò)剩產(chǎn)能和落后產(chǎn)能[13]?？缮钊胙芯刻?yáng)能LED照明系統(tǒng)，以發(fā)揮其在照明與環(huán)保兩個(gè)方面所起的重要作用。充分發(fā)展國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，同時(shí)大力發(fā)展國(guó)外的新興市場(chǎng)，完全可以消化目前過(guò)剩的產(chǎn)能。

總之，太陽(yáng)能光伏LED照明作為前景看好的產(chǎn)業(yè)，隨著各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展成熟，成本的不斷降低，國(guó)家政策的大力扶植，必然會(huì)得到健康快速發(fā)展。

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