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      高效太陽能電池技術:國家競爭高地

      2016-08-19

        目前,我國正處于創新驅動發展的關鍵時期,正面臨從高速增長向科學發展轉型的挑戰,面臨著對“全球價值鏈”原有分工秩序和角色的挑戰。我們必須根據我國的基本國情以及所面臨的國際環境,圍繞國家戰略,選擇和培育對我國經濟社會有“支撐”與“引領”作用的重大技術,力爭取得新的突破,以把握我國的發展主動權,提升我國的國際地位。

        所謂重大技術,是指其技術地位在眾多技術中處于核心、關鍵的地位。具體衡量主要包括三個層面:一是是否具有基礎性;二是是否具有公共性;三是是否具有戰略性。重大技術既不是三項指標的機械相加,也不是相乘,而是基礎性、公共性和戰略性的融合。

        當下,第三次工業革命的核心是新能源革命,高效太陽能電池技術作為提高太陽能利用率的關鍵,代表了先進的技術發展方向,對我國光伏產業的結構調整和可持續發展具有重要影響,屬于當前應該發展的重大技術之一。對于高效太陽能電池技術而言,我們已“不是要不要發展的問題,而是怎么使其更好發展的問題”。

        高效太陽能電池技術發展現狀

        鑒于太陽能資源豐富、廉價、安全、無污染、可自由利用等特性,太陽能利用日益受到各國政府和普通民眾的關注。作為太陽能利用重要形式的太陽能發電,是一種可持續的能源替代方式,近年來實現了快速發展。

        按照技術類型,太陽能發電主要分為光伏發電和光熱發電兩類;其中,光伏發電是以太陽能電池技術為核心,將太陽能直接轉換為電能的技術。目前,因成本居高不下,這項技術尚未能普及。但隨著太陽能電池技術水平的不斷提升、規模效應的增強、價格不斷下降,以高效太陽能電池技術為核心的光伏發電將會得到廣泛應用。

        1.高效太陽能電池相關技術特點

        太陽能電池(solar cell,SC)具有持久性、清潔性和靈活性等優點,并且在轉化過程中,無污染、無噪聲,既可以直接為小型電器提供離網電能,又可以進行并網發電,應用前景廣闊。

        太陽能電池是光伏發電系統的核心,其開發和制造是光伏產業鏈中最關鍵、最重要的一環,將直接影響到太陽能發電的普及和發展。有效提高太陽能電池的光電轉換效率,降低制造、應用成本并實現發電穩定性,是高效太陽能電池開發、制造中必須要解決的關鍵問題。

        目前,普通太陽能電池產業化水平的光電轉換效率大致為,單晶18%-19%、多晶17.3%-17.8%,非晶硅薄膜8%~9%。根據國務院發布《國務院關于促進光伏產業健康發展的若干意見》,明確提出新上光伏制造項目應滿足單晶硅光伏電池轉換效率不低于20%、多晶硅光伏電池轉換效率不低于18%、薄膜光伏電池轉換效率不低于12%。

        >20%>18%>12%。當然,高效太陽能電池也是一個隨時間變化而變化的概念。

        太陽能電池是一種利用“光生伏特效應”原理將太陽能轉化為電能的半導體器件,其核心原材料是可釋放電子的半導體物質。電池產品主要分為以晶硅電池為代表的太陽能電池,和以硅基薄膜、碲化鎘(CdTe)電池、硒銦銅(CuInSe)電池、硫化鎘(CdS)電池、銅銦鎵硒(CIGS)電池、砷化鎵(GaAs)疊層電池等薄膜電池為代表的太陽能電池,以及以染料敏化電池-光電化學電池(Grātzel電池)、有機電池、多結(帶隙遞變)電池、熱載流子電池等新型電池及新概念電池為代表的太陽能電池。

        截至2013年底,太陽能電池產品中,晶體硅太陽能電池(主要是P型單晶硅電池和多晶硅電池)占據市場主導地位,市場占有率超過90%;薄膜電池的市場占有率不到10%;新型電池及新概念電池大多處于實驗室階段或中試階段,尚未大規模產業化。

        目前,全球光伏產業尚處在導入期,有關高效太陽能電池的多種相關技術路線都在并行發展。其中,晶硅高效太陽能電池因具有高光電轉換率、低污染、性能穩定不易衰減、大規模制造技術成熟等方面的優點。因此,世界范圍內以晶體硅太陽能電池為主的高效太陽能電池結構,既是過去幾年的真實寫照,而且還將會在未來十幾年持續占據主導地位。

        但是,就現在的規模化生產而言,要達到上述的效率要求,可能需要我們實現從常規P型晶體硅技術,到P型晶體硅的PREC/PERT技術以及N型電池技術(含N型雙面、異質結、背接觸、異質結背接觸電池)的轉變。同時,薄膜電池與晶硅電池相比,在光電轉換效率、成本和穩定性等方面可以進行的改善空間較大,薄膜技術領域的突破有望使其成為未來高效太陽能電池發展的熱點。

        這里,我們對三大類高效太陽能電池作簡要說明。

        (1)晶硅高效太陽能電池

        晶硅太陽能電池主要包括單晶硅(mono-Si)電池和多晶硅(poly-Si)電池。其制造流程比較復雜,其產業鏈包括從硅質原料(石英巖、石英砂巖等)——多晶硅——硅錠(棒)——硅片——光伏電池——光伏系統的產業鏈。從技術上考慮,晶體硅并非最佳材料,但因其易于獲取、冶煉技術與化工、電子相契合;所以,晶硅太陽能電池成為目前光伏電池市場的主流技術。

        其中,晶體硅電池的理論光電轉換效率達31%,但存在著晶硅冶煉和提純過程復雜、能耗大的缺點。且多晶硅電池與單晶硅電池的轉換效率差距正逐漸縮小,多晶硅具有制造成本較低與單位產出量較大等優勢。因此多晶硅(以及類單晶/多晶硅,mono-like poly-Si)電池市場份額逐漸超過單晶硅電池而成為市場主流產品,未來可能還將繼續扮演主流角色。同時,由于電池成本在系統成本比重的逐漸下降,高效率電池組件在終端系統上仍然比較有優勢。

        總體而言,晶硅高效太陽能電池的技術發展方向是低成本、高效率、高穩定性,主要包括效率的提高、成本的下降及組件壽命的提升等方面。其中,效率的提高依賴工藝的改進、材料的改進及電池結構的改進;成本的下降依賴于現有材料成本的下降、工藝的簡化及新材料的開發;組件壽命的提升依賴于組件封裝材料及封裝工藝的改善。因此,晶硅高效太陽能電池的研發和產業化,除了依賴產業規模的擴大外,電池效率的提升可能不僅要依靠工藝水平的改進,更有賴于產業技術(包括設備和原材料)的改進,特別是新結構、新工藝的建立。

        (2)薄膜高效太陽能電池

        薄膜太陽能電池是在玻璃、塑料、不銹鋼等基板上沉積形成很薄的感光材料以實現光電轉換,主要包括非/微晶硅薄膜電池、碲化鎘(CdTe)薄膜電池、砷化鎵(GaAs)薄膜電池和銅銦硒/銅銦鎵硒(CIS/CIGS)薄膜電池四種。

        其中,非/微晶硅薄膜電池的光電轉換效率最低,一般為6%-9%,原材料為硅烷,最易獲取。CdTe薄膜電池的光電轉換效率次之,約為8%-11%。CIS/GIGS薄膜電池的光電轉換效率相對較高,約為10%-12%,原材料中含稀有元素化合物銦、鎵、硒,儲量小且不易獲取。另外,如何確保多元素的嚴格均勻配比,依然是大面積電池制備應用中的一大挑戰。

        GaAs薄膜電池的光電轉換效率最高,約為20%-30%,原材料中含稀有元素化合物鎵,儲量小且不易獲取,砷有毒,會對環境造成污染。相較而言,CIS/GIGS薄膜電池成本低、性能穩定、抗輻射能力強,有可能成為未來最有前途的光伏電池之一。

        總體而言,薄膜高效太陽能電池的技術發展方向也是低成本、高效率、高穩定性,未來發展前景巨大,其中,生產工藝的不斷成熟改進以實現成本的降低可能將是未來發展的關鍵。因此,薄膜高效太陽能電池的研發和產業化,更依賴于各類技術之間的競爭和技術積累,以實現不斷縮小與國際先進水平的差距。

        (3)新型太陽能電池

        (>900℃)擴散制結工藝限制了生產效率的提高和能耗的進一步降低,因此,不斷探索新的電池材料和制造工藝技術以實現低成本、高效率成為業界的努力方向。

        目前,既利用了薄膜制造工藝優勢同時又發揮了晶體硅和非晶硅的材料性能特點,具有高效低成本的異質結太陽能電池、高性能硅基柔性薄膜電池等特別受到各國研究人員的普遍重視并迅猛發展。

        第一,HIT太陽能電池。HIT電池集中了非晶硅薄膜電池和晶體硅高遷移率的優勢,而且制備工藝相對簡單,雙面結構在任何角度都可以增加光吸收,但是仍然存在生產過程中的每一步工藝要求都很嚴格、發電成本仍遠高于傳統方法的發電成本等問題。其未來的發展方向主要是,在保證電池轉換效率前提下降低晶體硅的厚度,以及用廉價金屬銅材料代替價格昂貴的金屬銀漿來制作金屬電極,或通過技術開發進一步提高晶體硅的發電效率。

        第二,砷化鎵電池。,砷化鎵電池的重量較輕,占用面積較小。且跟蹤精度準,聚焦倍數較高,相對于市場上仍在采用的單多晶硅太陽能電池,砷化鎵電池的制作工藝條件簡單,充分借鑒激光器、發光二極管等器件的先進設計方法,采用低成本,高熱穩定性的不含金的合金作為聚光光伏電池頂部網格電極材料,通過優化電極結構和制作工藝,在不改變電池外延結構的條件下,可以開發出 1000 至 2000 倍聚光太陽能電池模組,使光電轉換效率達到 30.25%,并獲得較高的工作穩定性。

        2.對高效太陽能電池技術的基本評估

        所謂重大技術,是指其技術地位在眾多技術中處于核心、關鍵的地位。具體衡量主要包括三個層面,一是是否具有基礎性,二是是否具有公共性,三是是否具有戰略性。

        我們認為,重大技術既不是三項指標的機械相加,也不是相乘,而是基礎性、公共性和戰略性的融合,即:I(Importance,重要性)=B(Basic,基礎性)×P(Public,公共性)+S(Strategic,戰略性)。

        第三次工業革命的核心是新能源革命,高效太陽能電池技術作為提高太陽能利用率的關鍵,代表了先進的技術發展方向,對我國光伏產業的結構調整和可持續發展具有重要影響,屬于當前應該發展的重大技術之一,是需要從國家戰略層面做出規劃與部署,集中資源、持續投入的戰略方向。因此,對于高效太陽能電池技術而言,我們就“不是要不要發展的問題,而是怎么使其更好發展的問題”。

        培育重大技術的基本原則

        對重大技術經濟政策的研究,其目的要根據重大技術的特點找到適合的經濟政策,以推動重大技術的進步和創新能力的提升,并實現依托該項重大技術的成果轉化和產業大發展。

        在市場對資源配置起決定性作用的背景下,政府部門的角色是什么?什么事情由政府干?什么事情不要政府干?要把政府引導支持和企業主體作用有效結合,通過抓好重大政策的引導作用,實現政府職能轉變的重大改革。

        就培育重大技術而言,應遵循以下基本原則。

        1.在職能定位上,政府既要管得少,又要管得好,要把政府引導支持和企業主體作用有效結合。

        要真正實現讓市場在資源配置中發揮決定性作用和更好發揮政府作用,對企業而言,需要的是一個良好的市場機制和發展環境,即一個鼓勵公平競爭的合理、有效市場,讓企業可以自由發揮。同時可以準確了解政府正在做什么、為何做、如何做,并能建言獻策;需要的是把企業該做的事情交還給企業,即讓企業作為資源整合的主體,搜尋未來的技術方向,承受選擇的風險。

        對政府而言,必須要簡政放權,將諸如對重大技術的選擇等自身沒有能力、沒有條件、做不到也做不好的事情更多交給市場或社會,讓諸如行業協會等具備資質的社會組織有償提供,將政府從具體的事務中解脫出來,提高政府服務管理透明度并更好地肩負起宏觀調控、監督等職責。

        政府必須避免行政化定項目、分資金,不是通過“相馬”將資金投給某幾家指定企業;而是確定支持的基本規則和所要達到的最終效果,通過“賽馬”將資金分給優勝者。因此,政府應支持國內市場競爭,扶持的重點是扶優扶強而不是扶大。

        同時,必須要改變政府決策者們自上而下的思維模式,要力爭采取自下而上的民主參與方式進行決策。應鼓勵國內各類型企業參與到政策的制定中,要讓政府相關部門知道產業界的真實需求,要防止“金喇叭效應”,即政策的制訂被那些具有話語權的大企業所左右,而缺失了小企業的聲音。如此才能讓出臺的措施、政策更加有的放矢,而且政府相關部門也會更受產業界的認可。

        此外,政府還必須不斷加強事中和事后的監管,真正做到“事前有規劃、事后有評估”,并通過建立“黑名單”制度以加強對失信者的懲戒;明確扶持政策的時間和退出的條件,要明確實行暫時和有條件的保護是為了讓企業擁有自力更生的技術能力和從根本上擺脫受制于人的局面。

        2.在治理方式上,政府對重大技術發展方向的引導宜粗不宜細。

        應本著“布局一代、研究一代、產業化一代”的原則,扶持而不是指揮重大技術及其發展方向,即政府應支持所有類別高效太陽能電池技術的研發和產業化,而不是代替企業去選擇、確定具體的技術方向;同時避免企業壟斷并綁架政府科研資源。

        一方面,政府應在廣泛征求產業界的基礎上設定中長期技術發展和應用目標,不僅可以成為重大技術方向選擇的依據,更可成為引導社會各界的“共同愿景”以使資源集聚并投入到相關領域的相關方向。此外,政府部門因其地位特殊,相關意見易被產業界放大解讀而造成不必要的誤解,因此,應充分利用專業性行業協會紐帶和橋梁的特性進行協調和溝通。

        另一方面,受制于信息不對稱,政府很難正確、及時獲悉技術發展的動態信息,而且由于技術更新速度越來越快,預測未來的具體技術方向更是件費力不討好的事情,且更可能是件“不可能完成的任務”。因此,對政府而言,需要的是營造有利的市場環境,通過一些制度的安排和政策的完善,改善服務,提高效率,幫助、引導企業及時、準確地把握信息和趨勢,讓企業在市場競爭中發揮主導作用。

        同時,為有效發揮政府資金的扶持作用,政府的扶持必須以產業健康可持續發展為導向,應對重大技術發展過程中制約產業核心競爭力提升的關鍵設備和關鍵材料等瓶頸問題,給予重點支持。在高效太陽能電池領域,無論是晶硅電池、薄膜電池還是新型電池,都僅僅是光伏產業為實現降低成本、提高轉換效率的技術手段。

        此外,在政府研究資金的分配上,需要“雪中送炭”,而非“錦上添花”,支持專業性強的小微企業科研資金需求;同時避免企業壟斷并綁架政府科研資源,極力避免一些行業龍頭企業借助與政府相關部門的良好關系及其影響力,而通過排斥競爭對手、“攻關”以獲得有限科研投入情況的發生。

        3.在策略方法上,政府的支持應“聚焦”企業并長期持續投資。

        政府應將支持的重點放在企業,突出企業的主導作用,同時,需要持續、長期的支持,并加大企業和研究所及高校的產學研合作。鑒于創新主體所應具備的具有對創新活動自主的決策權、具有進行創新活動所必需的基本能力、承擔創新活動的責任與風險、獲取創新活動的收益等特征,相對于科研院所和高校,企業是更加高效地運作主體。而且,有效的工業研發一般需要與企業保持良好的溝通渠道,因為企業是問題的來源,也是研發成果的最終使用者。

        因此,一方面,政府需要整合政出多門的專項資金,杜絕一題多報、重復資助等現象,強化資金監管,集中財力支持以企業為主的光伏領域的“重大技術”研發和產業化;另一方面,政府還必須通過調整扶持條件,讓扶持資金更加聚焦在核心項目和有一定影響力和自主品牌的重點企業,以避免撒胡椒面式的分散扶持。同時,鑒于重大技術的特點決定了研究的長期性和累積性,必須要在經費配置上,對企業的研究項目給予長期連續滾動資助。

        明確改革的具體政策

        在明確培育原則后,我們還需要明確改革的具體政策,以防陷入“改革疲憊癥”。當然,具體政策要從“群眾最期盼的領域改起”,同時,可行的政策也要立足于充分考慮各個利益群體的現實利益,以防改革阻力過大而難以執行落實。

        1.在需求管理上,應重視“種子用戶(示范戶)”的培育和發展。

        要有效發揮市場配置資源的決定性作用,必須要立足長遠利益而積極培育市場,變潛在需求為現實需求,進而促進光伏產業的良性發展。對于高效太陽能電池技術而言,從技術創新的角度看,主要集中于不斷提升的轉化效率和逐年降低的成本,而要真正促進太陽能市場的良性發展,必須使高效太陽能電池技術產生實際效用,讓人們的生產、生活方式更加便利、實效。

        在產業發展初期,以及分布式光伏發電應用迎來政策利好的最佳時機,如何培育和發展“種子用戶”以探索應用創新模式,并帶動大眾用戶而真正實現分布式光伏發電的美好前景,繼而最終帶動產業發展成為技術發展和產業發展的關鍵。所謂“種子用戶”,是那些最初使用并高度認可且能引導大眾用戶積極使用高效太陽能電池產品的用戶。

        在高效太陽能電池領域,必須要瞄準那些對普通大眾有示范性、影響力和權威性的高勢能人群,利用對高勢能人群的洞察以提升客戶體驗;選擇適當的領域和合適的地區,借助高勢能地區、領域的影響,順勢而為,以逐步擴大內需市場。

        同時,政府可以尋求利用諸如航空、航天、無人船、無人機等某些軍事應用需求為主的高端市場,以及民用領域的光伏空調、光伏車棚、光伏幕墻等特殊應用,通過挖掘潛在需求并開拓新市場以鼓勵相關技術能力的提升。

        此外,為避免當前產能過剩背景下,企業惡性競爭而造成的質量下降,確保產品、設備的長期安全可靠,與其他先發國家更好銜接,要繼續建立健全太陽能光伏行業的原料和產品的技術標準、檢測和認證體系,保證多晶硅、光伏組件、光伏電站等原料和最終產品的質量,規范引導產業健康發展,并為先進技術的發展提供市場空間。

        2.在關鍵技術工藝、重大關鍵設備上,應逐步提升本土技術能力,擴大市場占有率。

        重大關鍵設備市場不是一個完全自由競爭市場,具有很強的路徑依賴性,而且對于積累本土技術能力具有決定性作用;如果缺乏對關鍵設備的國家層面扶持,僅僅依靠本土企業自身的發展很難實現技術能力的提升以及通過不斷修改、改進、創新而占領市場的目的。

        因此,要結合產業發展的實際情況對引進的成套關鍵設備和產業化前期關鍵技術實行國產化方針,通過對引進技術和關鍵裝備的分解、研制進行創新開發;同時,要逐步減少成套關鍵設備的引進,著重引進技術專利、技術情報和基礎性科研成果。

        政府可以通過優惠貸款、減稅、建立特殊工業聯合體、公共費用的折扣、提高進口關稅以及其他間接措施來鼓勵國內企業進入市場參與競爭,力爭獲得具有自主知識產權的生產工藝和技術,增強我國在技術路徑選擇上的自主性。

        同時,鑒于職業化、專業化行業協會具有服務性、代表性、協調性和自律性等特點,因此應充分發揮行業協會的作用,通過建立社會公共平臺(聯合創新中心),以從事工程性、產業化研究為核心,進一步實現創新資源聚合、創新成果共享。

        在增強行業整體技術能力基礎上,加強行業標準的話語權和對外專利談判的主動權。鼓勵企業自愿參加,取得成果、知識產權歸平臺所有,參與企業有優先使用權。

        即使本土技術能力得到提升,常常也會面臨將技術優勢轉化為市場能力的困局。某種程度而言,關鍵技術工藝、重大關鍵設備在需求端的市場化障礙可能要遠遠高于供給端的技術研發障礙。因此,要推動產業鏈各環節加強合作,要認可用戶在創新活動中的參與和互動,進一步完善和落實“首臺套”扶持等相關政策,建立使用國產首臺套產品的風險補償機制,并加強政策的透明度,讓企業和用戶全方位了解政策。

        3.在科技供給上,應對支持重大技術并提升國際競爭力的方式進行必要的改變。

        應該說,特定的科技制度可以使得部分國家在接近其知識和技術水平的前沿位置高效運行并取得重大突破,而使得大多數國家在遠遠低于其知識和技術水平可能的位置低效運行并形成低端鎖定。同時,作為技術追隨者的主要問題不是“投入多少進行研發?”而是“進行何種研發?”因此,我們當前面臨的主要問題是,如何將有限的扶持資金用在刀刃上,向“有效果、有效率”聚焦。

        某種程度而言,實現政府科研資金資助組織方式的變革成為實現資金扶持“有效果、有效率”的有效途徑。我們認為,必須讓政府從科研項目評估、定價、選擇的角色中退出;可以借鑒發達國家的成熟經驗,成立針對重大技術評估和推進的專項委員會。委員會依托一定的技術評估的理念與方法,是重大技術評估的基礎,也是重大技術經濟政策和決策支持系統的重要組成部分。

        重大技術的評估和推進主要包括評價對象的屬性、可能產生的經濟效果、對社會未來發展的影響,以及具體推進重大技術的研發和產業化等,目的是推進決策的科學化、民主化,完善決策信息和智力支持系統,實現政府“有效果”、“有效率”的引導。為充分利用好委員會制度,使其真正成為選擇和培育重大技術的權力組織并持之以恒地發揮效用,就必須強化委員會的作用,同時,做到過程開放、細節明確、操作透明、接受監督。

        (作者單位:國家發改委產業所。本文有所刪節。)

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