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薄膜光伏技术与市场发展前景 |
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作者：中国科学院武汉文献情报中心 张军 |
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仅在数年以前，薄膜光伏（Thin Film Photovoltaics，以下简称TF PV）技术在光伏产业中还只能用“微不足道”来形容，只是在诸如计算器这样一些简单的产品中得到应用。除非晶硅外，一些TF PV材料还只是刚刚走出实验室。
但在今天，TF PV已经是PV技术中最耀眼的一员，其生产份额不断扩张。起初，这一市场是由于晶硅的短缺而得以发展，但如今短缺现象已经结束，TF PV则以其低成本、低重量和灵活性而继续发展。而且，除了非晶硅外，铜铟镓硒（CIGS）具有TF PV的所有优点，能量转换效率也并不远逊于传统PV，碲化镉太阳能面板已经出现了繁荣局面。根据美国NanoMarkets公司2008年3月发布的白皮书《走向成功的薄膜光伏》及之前出版的《薄膜、有机、可印刷光伏市场：2007-2015》研究报告中的预测，由于采用简单印刷和roll-to-roll（R2R）制造工艺降低了成本，新产能的增加，以及通过技术改进提高了效率，这些都将使得薄膜光伏成为PV市场的主要角色，TF PV太阳电池将取代目前市场上由传统的晶硅制造的PV面板而成为主流技术。
1.市场前景
根据预测，TF PV市场将由2007年的10亿美元增加到2008年的16亿美元，在2010和2015年则将分别攀升到34亿美元和72亿美元。2005年TF PV占整个PV市场的份额还不到5%，但到2015年有望上升到约50%。较传统PV技术，TF PV将通过在很多应用中提供更有成本竞争力的解决方案去抢占市场，并凭藉其独有的特性（重量轻、灵活性、易于嵌入其他材料）开发出新的应用。
传统PV的最大弱点是高昂的电池制造成本。PV面板是以晶硅为原料，通过昂贵的步进重复批处理工艺制造。薄膜技术可以解决类似问题并开发太阳能的新应用。但TF PV的发展道路也并非一片阳光，这项技术还将面临诸多挑战，例如，近来晶硅原料的短缺由于替代材料的兴起而开始缓解，这样就消除了TF PV需求增长的一个主要动力。
2.成本/性能
TF PV技术所涉及的材料主要包括非晶硅（α-Si）、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）、铜铟硒（CIS）以及有机和有机-无机混合材料，每种材料都各有利弊。下表列出了主要TF PV材料及其利用状况。
表1 PV材料及利用状况
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 | 25 | PV市场中最常用的材料 | 多晶硅 | 20 | 广泛应用 | 铜铟镓硒 | 20 | TF PV市场中份额正在增长 | 碲化镉 | 17 | TF PV场中增长迅速，但大多来自一家公司 | 非晶硅 | 10 | TF PV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 |
能源价格的波动对向替代能源技术的转移起着重要的推动作用。太阳能因其取之不尽、用之不竭的特性对人类有着巨大的吸引力，但传统的PV有其弱点：面板较重，生产成本高，不够灵活，而且硅原料的供应不稳定。因此，PV大多只能针对相对狭窄的市场或其应用必须具备特定的条件，例如可以获得补贴或其他电力来源匮乏的地方。
薄膜技术的机遇倚赖于减少这些制约因素的影响以及扩大PV可发生作用的市场。尽管这是大势所趋，但直到最近，较低的效率和技术上的不够成熟仍妨碍着TF PV及时捕捉这一机遇。
3.发展态势
随着近年来能源价格如火箭般上窜，加之PV价格的滑落，PV领域的成长非常显著，有些观察家声称PV最终可满足美国能源需求达20%之多。
与传统PV比较，TF PV因用于制造薄膜电池的材料较少，因而成本更为低廉。TF PV的制造是将由光电材料构成的薄层沉积于衬底，这就大大减少了原料的使用。新生产工艺的出现，包括roll-to-roll和印刷技术，又可以进一步降低成本。
性能方面，在不久的将来薄膜技术效率的显著提高已成为大势所趋。例如，CIS/CIGS的效率已经可以和传统PV相提并论。但尽管已取得某些进展，薄膜技术和传统PV的效率之间仍存在一定差距，且在某些情况下差异明显。其结果是：TF PV必须与传统PV在成本基础上竞争，或者TF PV需要在性能基础上创造出新的应用。
4. 市场开拓
根据对2007-2015年的预测，TF PV涵盖的所有应用都将取得强劲增长。在成本和重量成为关键因素而转换效率并不占优先地位的市场，TF PV具有最大的竞争优势。增长最快的领域很可能是在受TF PV价格优势驱动的消费电子和住宅市场。表2列举了TF PV可获得突破的机遇所在。
表2 TF PV的机遇
| - | 当前状况 | 未来机遇 | | 大型项目和公用事业 | 大部分装机是用传统PV，但也有些采用了碲化镉 | 随着效率的提高，CIGS和s-SI很可能有更多的应用。因效率和稳定性问题，有机和混合技术不太可能渗透进这一领域 | | 商业和工业建筑应用 | 有些采用了碲化镉和非晶硅，特别是在德国和日本 | 所有TF PV技术在此领域都将得到某些应用，包括可嵌入墙壁、屋顶和窗户用材的新型有机材料 | | 住宅应用 | 有些采用了碲化镉，也可能有CIGS | TF PV的主要机遇，因其重量轻而非常适合自行安装。与其他材料结合的能力也是一个优点。对发展中国家的农村地区尤具吸引力 | | 消费电子 | 非晶硅在计算器和其他小型消费电子设备中已得到广泛应用，碲化镉过去也已采用 | 有些制造商认为在低效率无关大局的情况下可采用有机材料开发市场；而另外一些制造商则认为除了销售一些太阳电池充电外，这里并没有市场 | | 军事和紧急状态 | 利用包括TF PV在内的PV服务于边远地区和战场 | 军方将继续是TF PV技术的积极资助者，并寻找新的应用 ，例如由太阳能提供动力的作战服装。这里并不需要有一个大的市场，但却将是技术的前沿方向 |
从市场价值来看，商业和工业建筑应用将占2008年TF PV需求的50%左右，其他则来自于大型项目和公用事业。到2015年，对TF PV的需求将扩大到更为广泛的应用。其中住宅约占15%，比2008年增长9个百分点；消费电子应用将得到更大的需求份额，到2015年达到近8%，比2008年增长3.2%。对于大型项目甚至是集中式发电，TF PV由于重量轻以及低成本等因素而有望在屋顶获得广泛应用。
TF PV最大的机遇是在建筑应用，其中包括了商业、工业和住宅市场。由于薄膜技术固有的灵活性，TF PV能够以多种方式嵌入屋顶和墙壁。将PV集成到建筑材料有着极大的降低成本的潜力。例如，可以采用in-line工艺将TF PV嵌入屋顶材料，从而抵消传统安装PV的安装成本。已有几家TF PV制造商正在开发这类产品，对他们来说，这是一个非常有前景的市场，可以做到“胜者通吃”。那些大型项目尽管装机数量巨大，却缺乏这一特点。
对将TF PV集成到屋顶材料的一个担忧是这些材料能否满足屋顶市场对长寿命的要求。对屋顶材料来说，保证几十年的寿命是很普通的要求，但现在的TF PV产品能否做到还有待于实际验证。
嵌入式PV的另一个新兴应用是PV智能窗户，它没有这类问题。在这个应用中PV电池并不仅仅是成本低，而且为窗户增加了新的功能。TF PV起到了光传感器的作用，可以调节窗户的透明度。这个应用需要有透明PV，因此最适合采用有机PV材料。尽管还没有实现商业化，采用有机和有机-无机混合材料的TF PV将有潜力实现非常低的发电成本，这足以使PV进入全新的市场。对这类PV的需求预计将从2008年的100万美元增长到2015年的3.72亿美元。
尽管未来8年中TF PV在消费电子领域也将继续增长，并为很多新型产品所采用，但这还并不是一个具有巨大价值的市场。TF PV已经或将应用于一些相对简单的产品，如耳机、收音机、温度计、天平、除臭器、腕表、时钟、秒表、LED照明灯、感应灯、遥控器、检测器、电池充电器、教具、风扇等等。一个具有更大潜力的市场是手机和笔记本电脑，TF PV可有助于解决这些产品的电力问题。TF PV可以嵌入到电池中，在下次充电之前起到延长使用时间的作用，这类似于建筑材料集成TF PV应用的规模缩小版。这个应用起初的目的是增强现有锂离子电池的电力，长期目标则是取代这类电池。但存在的问题是这些面向手机市场的PV阵列的体积必须非常小，这样可能使得这部分市场PV电池的出货量最终会很低。
作为最成熟的薄膜技术，2008年非晶硅将占所有TF PV应用的大部分。待其他材料技术成熟后，这一现象很可能发生变化。碲化镉和CIS/CIG将占总PV能量输出的近45%（按装机容量）。作为最有前景的技术之一，到2015年，有机和有机-无机混合TF PV将占整个PV工业相对较小的一部分（按市场价值），但可能与目前整个TF PV市场规模相仿（按装机容量）。除成本外，有机PV将有相对较好的室内性能，且衬底选择上较为灵活。对这类PV的需求有望从2008年的100万美元增长到2015年的3.72亿美元。
5. 风险衡量
最主要的风险是推动TF PV需求增长的某些因素将不再存在。如前面所提到的，推动薄膜技术发展的最初因素—— 硅原料的短缺现象正在迅速消失。但由于TF PV的优点较多，对其造成的影响可能不会太大。此外，替代能源热潮的结束有可能影响对PV的需求，结果会造成市场增长率的下降。
薄膜技术也存在着效率不能如预计的那样得到提高的风险。这些担忧是实实在在的，但主要受到影响的是一些新型材料，如有机和有机-无机混合材料。在TF PV创造新产品的同时，这些产品的引入也会伴随着其固有的高风险。
尽管对PV，特别是TF PV存在这些风险，但未来8年内这一工业的显著成长是很有可能的。(end)
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(1/6/2009) |
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