編者語(yǔ)：來(lái)自太陽(yáng)的綠色能源取之不盡，用之不竭，人類(lèi)利用太陽(yáng)能的步伐也在不斷加快。越來(lái)越多的研究成果降低了利用太陽(yáng)能的成本，提高了利用效率，不斷給市場(chǎng)注入活力。處在萌芽階段的太陽(yáng)能光伏技術(shù)方興未艾，或許可以成為帶領(lǐng)人類(lèi)走出經(jīng)濟(jì)危機(jī)、走向低碳生活的“火車(chē)頭”。
光伏技術(shù)方興未艾
太陽(yáng)能是首屈一指的綠色能源，太陽(yáng)能每秒鐘到達(dá)地面的能量高達(dá)80萬(wàn)千瓦，假如把地球表面0.1%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率5%，每年發(fā)電量可達(dá)5.6×1012千瓦小時(shí)，相當(dāng)于全球能耗的40倍。
太陽(yáng)能光伏發(fā)電（PV）市場(chǎng)正蓬勃發(fā)展。光伏發(fā)電指利用太陽(yáng)能電池組件將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏發(fā)電具有轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)少、資源蘊(yùn)含量取之不盡、能源質(zhì)量高、建設(shè)周期短、發(fā)電方式接近零排放等優(yōu)勢(shì)。
但光伏技術(shù)也有其“硬傷”：首先，建太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)需要大量土地。美國(guó)加利福尼亞計(jì)劃興建的550兆瓦太陽(yáng)能設(shè)備將占地約25平方公里。其次，獲得能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關(guān)。另外，安裝成本也很貴，要收回成本，可能需要花費(fèi)20多年。
光伏發(fā)電產(chǎn)品主要用于三大方面：一是為無(wú)電場(chǎng)合提供電源；二是太陽(yáng)能日用電子產(chǎn)品，如各類(lèi)太陽(yáng)能充電器、太陽(yáng)能路燈和太陽(yáng)能草地?zé)艟叩龋蝗遣⒕W(wǎng)發(fā)電，這在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)大面積推廣實(shí)施。
自2002年以來(lái)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電逐步成為增長(zhǎng)最快的能源領(lǐng)域。近5年，全球光伏產(chǎn)業(yè)年均增長(zhǎng)49.5%，2007年比2006年更是增長(zhǎng)了56.2％。
另外，相關(guān)的研究不斷延伸，使得其成本不斷降低。世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）在2009年6月份的報(bào)告中稱(chēng)，專(zhuān)利合作條約組織（PCT）接收到的與太陽(yáng)能有關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量從2004年的460件增加到2008年的1411件，增加了兩倍。
早在1839年，法國(guó)科學(xué)家埃德蒙·貝克雷爾就發(fā)現(xiàn)，光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來(lái)被稱(chēng)為“光生伏打效應(yīng)”，簡(jiǎn)稱(chēng)“光伏效應(yīng)”。
1904年，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦因?yàn)槌霭媪讼嚓P(guān)的理論著作而獲得了當(dāng)年的諾貝爾獎(jiǎng)。1954年，美國(guó)科學(xué)家恰賓和皮爾松在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室首次制成了實(shí)用的單晶硅太陽(yáng)能電池，將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)由此誕生。
受1950年到1969年之間美蘇兩國(guó)太空競(jìng)賽刺激，人們對(duì)光伏發(fā)電進(jìn)行了緊鑼密鼓的深入研究，到1955年，許多公司就研發(fā)并且生產(chǎn)出了太陽(yáng)能電池，也被稱(chēng)為光伏電池，并在市場(chǎng)上銷(xiāo)售。
第一顆太陽(yáng)能動(dòng)力衛(wèi)星“先驅(qū)者1號(hào)”于1958年發(fā)射并運(yùn)行了8年，其他太陽(yáng)能動(dòng)力衛(wèi)星隨之而來(lái)。隨后，太陽(yáng)能發(fā)電繼續(xù)作為輔助能源被廣泛應(yīng)用在宇宙飛船上，并為軌道衛(wèi)星提供動(dòng)力。
優(yōu)惠政策推動(dòng)光伏技術(shù)發(fā)展
隨著全球化石能源的日漸枯竭和人類(lèi)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，以光伏為核心的太陽(yáng)能發(fā)電事業(yè)近年來(lái)有了飛速的發(fā)展。據(jù)預(yù)測(cè)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電在21世紀(jì)會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。
《全球光伏市場(chǎng)分析和2020年展望》報(bào)告指出，全球的光伏產(chǎn)能將從2001年的13億瓦特增長(zhǎng)到2008年的152億瓦特。歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(huì)和綠色和平組織聯(lián)合撰寫(xiě)的研究預(yù)測(cè)，如果投資和效率繼續(xù)以目前的速度增長(zhǎng)或者提高，到2030年，光伏系統(tǒng)將提供2600太瓦特/小時(shí)的電能，占全球所需電量的14%。
上述報(bào)告指出，到21世紀(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到80％以上，太陽(yáng)能發(fā)電將占到60％以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。
各國(guó)都在爭(zhēng)先恐后地將光伏發(fā)展列入國(guó)家的發(fā)展規(guī)劃中：美國(guó)、歐洲和日本到2010年規(guī)劃的光伏安裝量分別為50億瓦、100億瓦和80億瓦；到2020年的規(guī)劃分別為360億瓦、410億瓦和300億瓦。
在2008年，西班牙的總發(fā)電能力達(dá)到226.3兆瓦，今年1月份，西班牙超越其他國(guó)家成為安裝光伏設(shè)備最多的國(guó)家。
而且，越來(lái)越多的個(gè)人開(kāi)始安裝光伏設(shè)備；光伏發(fā)電廠(chǎng)如雨后春筍般冒出，以“潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲”的姿勢(shì)改變了光伏市場(chǎng)的格局，速度之快可以用“城頭變幻大王旗”來(lái)形容。
從各國(guó)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，政府的財(cái)政激勵(lì)政策是啟動(dòng)光伏市場(chǎng)的主要?jiǎng)恿?。這些政策通常以投資補(bǔ)貼的方式進(jìn)行，這種補(bǔ)貼將一部分安裝成本返還給個(gè)人或者發(fā)電廠(chǎng)；激勵(lì)政策還包括當(dāng)?shù)仉娏κ聵I(yè)單位以收購(gòu)電價(jià)稅率的形式從光電生產(chǎn)商那里購(gòu)買(mǎi)光電。
2004年，德國(guó)政府最先出臺(tái)上網(wǎng)電價(jià)法，實(shí)施購(gòu)電補(bǔ)償，根據(jù)不同的太陽(yáng)能發(fā)電形式，給予為期20年不同等級(jí)的補(bǔ)貼，幾年后超過(guò)日本成為世界最大的光伏市場(chǎng)。
隨后，西班牙、法國(guó)、意大利、希臘等國(guó)紛紛效仿，日本、韓國(guó)和美國(guó)的部分州也相繼開(kāi)放了市場(chǎng)。中國(guó)已通過(guò)《可再生能源法》，并規(guī)定了“上網(wǎng)電價(jià)”和“全網(wǎng)平攤”的法規(guī)條款。
硅短缺制約光伏市場(chǎng)的發(fā)展
然而，當(dāng)這一技術(shù)落到地面時(shí)，其發(fā)展卻有點(diǎn)緩慢。光伏市場(chǎng)的回報(bào)與投資不相匹配，其他資源比如煤、水利或者核能發(fā)電現(xiàn)在還是便宜很多。除此之外，原材料硅短缺成為制約光伏技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展的瓶頸。
作為整條產(chǎn)業(yè)鏈的核心，太陽(yáng)能電池目前主要分為單晶硅、多晶硅及以非晶硅為代表的薄膜技術(shù)三種。
標(biāo)準(zhǔn)的光伏組件由單晶和多晶硅制成。制作一個(gè)組件的成本中，50%的成本在于經(jīng)過(guò)加工了的硅片的成本。1980年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的伊曼紐爾·薩克斯發(fā)明了成串帶狀晶體生長(zhǎng)技術(shù)（美國(guó)4661200號(hào)專(zhuān)利），這個(gè)工藝使生產(chǎn)連續(xù)的薄條多晶硅片成為可能，消除了之前切割硅棒造成的浪費(fèi)和巨大費(fèi)用，生產(chǎn)成本的降低使更廣泛應(yīng)用太陽(yáng)能技術(shù)變得更加切實(shí)可行，太陽(yáng)能電池板行業(yè)從此開(kāi)始高歌猛進(jìn)。
單晶硅技術(shù)工藝成熟，實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率最高為25%，商業(yè)化轉(zhuǎn)換效率為15%至18%，但成本較高；多晶硅技術(shù)成本較低，但轉(zhuǎn)換效率不如單晶硅，實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率最高為21%，商業(yè)化轉(zhuǎn)換效率為13%至16%。
而且，晶體硅的生產(chǎn)是能源密集型，使光伏產(chǎn)業(yè)依賴(lài)于昂貴而稀缺的原材料硅，導(dǎo)致光伏太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)同微電子產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)。
目前，全球只有12家工廠(chǎng)生產(chǎn)光伏級(jí)別的多晶硅，當(dāng)微處理器和光伏市場(chǎng)都繁榮發(fā)達(dá)時(shí)，硅價(jià)就會(huì)飆升。比如，2004年，因?yàn)殡娮有袠I(yè)的需求相當(dāng)旺盛，硅的成本大幅上漲。因此，科學(xué)家在繼續(xù)進(jìn)行硅研究的同時(shí)，也開(kāi)始著手尋找替代原材料的研究。
能效提升初露端倪
固態(tài)物理學(xué)表明，硅并非光電轉(zhuǎn)換的理想材料。外太空應(yīng)用方面使用的技術(shù)都是最先進(jìn)的，使用的也是最純凈的、高性能的硅，其光電轉(zhuǎn)換效能約為30%。但市場(chǎng)上絕大部分光伏組件的平均轉(zhuǎn)換效能為12%至18%，改進(jìn)轉(zhuǎn)換效率是業(yè)內(nèi)的頭等大事。
最近，能效轉(zhuǎn)換取得的進(jìn)步依靠集中太陽(yáng)光線(xiàn)，這同放大鏡集中光線(xiàn)來(lái)點(diǎn)火有異曲同工之處，它需要配備30厘米厚的透鏡的笨重裝置。研究人員使用革新的薄膜技術(shù)，可以在打破能效轉(zhuǎn)換記錄的同時(shí)，制造比以往更加輕便的太陽(yáng)能電池。他們的目的是找出太陽(yáng)能電池的理想結(jié)構(gòu)，更好地降低成本、縮小尺寸、方便大批量生產(chǎn)。
2007年，美國(guó)特拉華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一個(gè)項(xiàng)目，旨在為新的高效的晶體硅太陽(yáng)能電池研發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)21個(gè)月的刻苦攻關(guān)，該研究團(tuán)隊(duì)獲得了42.8%的能效轉(zhuǎn)換記錄。他們獨(dú)特的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)將光學(xué)設(shè)計(jì)整合進(jìn)入太陽(yáng)能電池，研制出了一種很容易安裝在筆記本電腦上的便攜小設(shè)備，該研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是，到2010年突破50%的能效轉(zhuǎn)換記錄。
隨著多晶硅產(chǎn)能的不斷增長(zhǎng)，目前供不應(yīng)求的狀況會(huì)得到緩解，預(yù)計(jì)到2010年前后，太陽(yáng)能面板的價(jià)格將降至目前的1/3，這將縮小和傳統(tǒng)能源價(jià)格方面的差距，從而進(jìn)一步增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。
新材料技術(shù)前景廣闊
最近，科學(xué)家除了在利用硅制造太陽(yáng)能電池方面取得新突破之外，也在使用非硅物質(zhì)，比如半導(dǎo)體和有機(jī)化學(xué)化合物替代硅方面取得了一定的突破。使用其他物質(zhì)而不是硅能夠降低成本，因?yàn)槠渖a(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單而廉價(jià)，并且也不會(huì)同其他使用硅的工業(yè)“勢(shì)如水火”。然而，還需要對(duì)這些替代物質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，看其能效是否優(yōu)異于硅。這些研究正在快速發(fā)展中。
“薄膜光伏”無(wú)疑是備受追捧的技術(shù)之一，與硅基太陽(yáng)能電池相比，薄膜太陽(yáng)能電池用材少、成本低，盡管其轉(zhuǎn)換效率也相對(duì)較低，但其安裝方便的優(yōu)勢(shì)可能可以開(kāi)辟出另一片市場(chǎng)。
另外，薄膜太陽(yáng)能電池既可安裝在屋頂，也可安裝在建筑物的側(cè)墻或窗戶(hù)上，將來(lái)甚至可能印刷或裝訂在柔軟的書(shū)脊或衣服上，豐田汽車(chē)目前正在試驗(yàn)將薄膜太陽(yáng)能電池運(yùn)用在其混合動(dòng)力車(chē)如普瑞斯（Prius）上的技術(shù)。歐洲能源協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，到2010年，薄膜太陽(yáng)能電池將占據(jù)光伏市場(chǎng)20%的份額。
目前，市場(chǎng)上的太陽(yáng)能新技術(shù)出現(xiàn)了單晶硅、多晶硅、薄膜太陽(yáng)能電池幾足鼎立的格局，薄膜已經(jīng)占據(jù)了光伏市場(chǎng)的7%到10%。據(jù)總部位于美國(guó)馬薩諸塞州的“普羅米修斯可持續(xù)發(fā)展研究所”預(yù)測(cè)，到2012年，非硅薄膜應(yīng)用將占據(jù)40%的市場(chǎng)份額。
世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織6月份的報(bào)告指出，瑞士洛桑聯(lián)邦工學(xué)院參與的“薄膜光伏”聯(lián)合研究機(jī)構(gòu)旨在提高非硅薄膜太陽(yáng)能電池的效率，他們特別關(guān)注銅銦硒化鎵（CIGS）、有機(jī)的以及染料敏化太陽(yáng)能電池的能效。2006年，該項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)，CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率大約為11%。研究人員使用CIGS和染料敏化光伏技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室中將“薄膜光伏”的轉(zhuǎn)換效率提高到了15%。該聯(lián)合研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為，轉(zhuǎn)換效率還有進(jìn)一步提高的潛力。
2008年3月，“美國(guó)能源部國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室”打破了“薄膜光伏”的記錄，其研制的CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.9%。這使薄膜技術(shù)的效能同晶體硅并駕齊驅(qū)。可再生能源實(shí)驗(yàn)室宣稱(chēng)，在生產(chǎn)過(guò)程中使用了品質(zhì)優(yōu)異的材料，因此提升了輸出功率。該實(shí)驗(yàn)室對(duì)CIGS電池的發(fā)展前景滿(mǎn)懷信心。因?yàn)檫@種電池很輕，它可上天入地，既可應(yīng)用于太空，也可用于便攜電子產(chǎn)品市場(chǎng)。這種電池還適合特殊的建筑應(yīng)用，比如光伏屋瓦和光伏窗戶(hù)等。
《世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織》雜志6月份的報(bào)道指出，與傳統(tǒng)的光伏技術(shù)相反，染料敏化太陽(yáng)能電池將吸收陽(yáng)光的任務(wù)同電荷載體輸送的任務(wù)分開(kāi)。在染料敏化太陽(yáng)能電池中，吸光染料因光伏作用產(chǎn)生的電子被傳輸?shù)竭\(yùn)輸電荷的半導(dǎo)體材料薄層。這一技術(shù)可以生產(chǎn)出可直接涂在鋼板上的染料敏化太陽(yáng)能電池涂料，英國(guó)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在著手進(jìn)行相關(guān)的研發(fā)活動(dòng)，有望于2011年投放市場(chǎng)。
目前，美國(guó)更多地專(zhuān)注于不同的薄膜技術(shù)；而歐洲和亞洲則更青睞單晶和多晶硅太陽(yáng)能電池。隨著研究不斷深入，太陽(yáng)能電池的能效將進(jìn)一步提高，越來(lái)越多前景廣闊的其他非硅技術(shù)將涌入市場(chǎng)。正如WIPO（世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織）在即將公布的替代能源技術(shù)研究中所揭示的：在過(guò)去的20年中，主要的工業(yè)產(chǎn)權(quán)機(jī)構(gòu)收到的太陽(yáng)能發(fā)明方面的專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量增加了近兩倍。
光伏產(chǎn)業(yè)或成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展新引擎
金融危機(jī)放慢了光伏市場(chǎng)的發(fā)展速度，但不會(huì)使市場(chǎng)停滯不前。由于技術(shù)的改進(jìn)和新的突破性發(fā)明，太陽(yáng)能領(lǐng)域的PCT專(zhuān)利越來(lái)越多，這是太陽(yáng)能領(lǐng)域快速發(fā)展的證據(jù)。
美國(guó)奧巴馬政府提出的7000億美元經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃中，把發(fā)展太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)作為擺脫經(jīng)濟(jì)衰退、創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)、搶占未來(lái)發(fā)展制高點(diǎn)的重要國(guó)家戰(zhàn)略。
而在中國(guó)，根據(jù)《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，中國(guó)力爭(zhēng)使太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到18億瓦，到2050年將達(dá)到6000億瓦。預(yù)計(jì)到2050年，中國(guó)可再生能源的電力裝機(jī)將占全國(guó)電力裝機(jī)的25%，其中光伏發(fā)電裝機(jī)將占到5%。預(yù)計(jì)2030年之前，中國(guó)太陽(yáng)能裝機(jī)容量的復(fù)合增長(zhǎng)率將高達(dá)25%以上。
縱觀(guān)近現(xiàn)代歷史，大蕭條中孕育著蓬勃的新技術(shù)和新觀(guān)念，推動(dòng)著人類(lèi)發(fā)展這個(gè)列車(chē)不斷向前進(jìn)，在本世紀(jì)，光伏技術(shù)基于其技術(shù)先進(jìn)性、資源無(wú)限性和綠色環(huán)保性等特征，無(wú)疑是下輪產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命的核心，或許也是帶領(lǐng)經(jīng)濟(jì)走出泥潭的火車(chē)頭。
（轉(zhuǎn)載）
