高效太阳能电池技术：国家竞争高地

 当今世界，能源问题已成为国际争端的触发点。寻找安全、清洁、经济的新能源，已成为人们通过科技手段，摆脱能源困境的必然选择。这已经不是技术问题，而是国家间战略竞争的高地。比如，高效太阳能电池技术就是这样一个属于重大科技突破的项目。对此类项目应该采取什么方法来培育呢？这是个问题。——亚夫■目前，我国正处于创新驱动发展的关键时期，正面临从高速增长向科学发展转型的挑战，面临着对“全球价值链”原有分工秩序和角色的挑战。我们必须根据我国的基本国情以及所面临的国际环境，围绕国家战略，选择和培育对我国经济社会有“支撑”与“引领”作用的重大技术，力争取得新的突破，以把握我国的发展主动权，提升我国的国际地位。■所谓重大技术，是指其技术地位在众多技术中处于核心、关键的地位。具体衡量主要包括三个层面：一是是否具有基础性；二是是否具有公共性；三是是否具有战略性。重大技术既不是三项指标的机械相加，也不是相乘，而是基础性、公共性和战略性的融合。■当下，第三次工业革命的核心是新能源革命，高效太阳能电池技术作为提高太阳能利用率的关键，代表了先进的技术发展方向，对我国光伏产业的结构调整和可持续发展具有重要影响，属于当前应该发展的重大技术之一。对于高效太阳能电池技术而言，我们已“不是要不要发展的问题，而是怎么使其更好发展的问题”。□张嵎喆 王君 杨威 李红宇高效太阳能电池技术发展现状鉴于太阳能资源丰富、廉价、安全、无污染、可自由利用等特性，太阳能利用日益受到各国政府和普通民众的关注。作为太阳能利用重要形式的太阳能发电，是一种可持续的能源替代方式，近年来实现了快速发展。按照技术类型，太阳能发电主要分为光伏发电和光热发电两类；其中，光伏发电是以太阳能电池技术为核心，将太阳能直接转换为电能的技术。目前，因成本居高不下，这项技术尚未能普及。但随着太阳能电池技术水平的不断提升、规模效应的增强、价格不断下降，以高效太阳能电池技术为核心的光伏发电将会得到广泛应用。1.高效太阳能电池相关技术特点太阳能电池（solar cell，SC）具有持久性、清洁性和灵活性等优点，并且在转化过程中，无污染、无噪声，既可以直接为小型电器提供离网电能，又可以进行并网发电，应用前景广阔。太阳能电池是光伏发电系统的核心，其开发和制造是光伏产业链中最关键、最重要的一环，将直接影响到太阳能发电的普及和发展。有效提高太阳能电池的光电转换效率，降低制造、应用成本并实现发电稳定性，是高效太阳能电池开发、制造中必须要解决的关键问题。目前，普通太阳能电池产业化水平的光电转换效率大致为，单晶18%-19%、多晶17.3%-17.8%，非晶硅薄膜8%～9%。根据国务院发布《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》，明确提出新上光伏制造项目应满足单晶硅光伏电池转换效率不低于20%、多晶硅光伏电池转换效率不低于18%、薄膜光伏电池转换效率不低于12%。因此，所谓高效太阳能电池，主要是指电池产业化水平的光电转换效率要相对现有普通电池更高，即：单晶>20%、多晶>18%、非晶硅薄膜>12%。当然，高效太阳能电池也是一个随时间变化而变化的概念。太阳能电池是一种利用“光生伏特效应”原理将太阳能转化为电能的半导体器件，其核心原材料是可释放电子的半导体物质。电池产品主要分为以晶硅电池为代表的太阳能电池，和以硅基薄膜、碲化镉（CdTe）电池、硒铟铜（CuInSe）电池、硫化镉（CdS）电池、铜铟镓硒（CIGS）电池、砷化镓（GaAs）叠层电池等薄膜电池为代表的太阳能电池，以及以染料敏化电池-光电化学电池（Grātzel电池）、有机电池、多结（带隙递变）电池、热载流子电池等新型电池及新概念电池为代表的太阳能电池。截至2013年底，太阳能电池产品中，晶体硅太阳能电池（主要是P型单晶硅电池和多晶硅电池）占据市场主导地位，市场占有率超过90%；薄膜电池的市场占有率不到10%；新型电池及新概念电池大多处于实验室阶段或中试阶段，尚未大规模产业化。目前，全球光伏产业尚处在导入期，有关高效太阳能电池的多种相关技术路线都在并行发展。其中，晶硅高效太阳能电池因具有高光电转换率、低污染、性能稳定不易衰减、大规模制造技术成熟等方面的优点。因此，世界范围内以晶体硅太阳能电池为主的高效太阳能电池结构，既是过去几年的真实写照，而且还将会在未来十几年持续占据主导地位。但是，就现在的规模化生产而言，要达到上述的效率要求，可能需要我们实现从常规P型晶体硅技术，到P型晶体硅的PREC/PERT技术以及N型电池技术（含N型双面、异质结、背接触、异质结背接触电池）的转变。同时，薄膜电池与晶硅电池相比，在光电转换效率、成本和稳定性等方面可以进行的改善空间较大，薄膜技术领域的突破有望使其成为未来高效太阳能电池发展的热点。这里，我们对三大类高效太阳能电池作简要说明。（1）晶硅高效太阳能电池晶硅太阳能电池主要包括单晶硅（mono-Si）电池和多晶硅（poly-Si）电池。其制造流程比较复杂，其产业链包括从硅质原料（石英岩、石英砂岩等）——多晶硅——硅锭（棒）——硅片——光伏电池——光伏系统的产业链。从技术上考虑，晶体硅并非最佳材料，但因其易于获取、冶炼技术与化工、电子相契合；所以，晶硅太阳能电池成为目前光伏电池市场的主流技术。其中，晶体硅电池的理论光电转换效率达31%，但存在着晶硅冶炼和提纯过程复杂、能耗大的缺点。且多晶硅电池与单晶硅电池的转换效率差距正逐渐缩小，多晶硅具有制造成本较低与单位产出量较大等优势。因此多晶硅（以及类单晶/多晶硅，mono-like poly-Si）电池市场份额逐渐超过单晶硅电池而成为市场主流产品，未来可能还将继续扮演主流角色。同时，由于电池成本在系统成本比重的逐渐下降，高效率电池组件在终端系统上仍然比较有优势。总体而言，晶硅高效太阳能电池的技术发展方向是低成本、高效率、高稳定性，主要包括效率的提高、成本的下降及组件寿命的提升等方面。其中，效率的提高依赖工艺的改进、材料的改进及电池结构的改进；成本的下降依赖于现有材料成本的下降、工艺的简化及新材料的开发；组件寿命的提升依赖于组件封装材料及封装工艺的改善。因此，晶硅高效太阳能电池的研发和产业化，除了依赖产业规模的扩大外，电池效率的提升可能不仅要依靠工艺水平的改进，更有赖于产业技术（包括设备和原材料）的改进，特别是新结构、新工艺的建立。（2）薄膜高效太阳能电池薄膜太阳能电池是在玻璃、塑料、不锈钢等基板上沉积形成很薄的感光材料以实现光电转换，主要包括非/微晶硅薄膜电池、碲化镉（CdTe）薄膜电池、砷化镓（GaAs）薄膜电池和铜铟硒/铜铟镓硒（CIS/CIGS）薄膜电池四种。其中，非/微晶硅薄膜电池的光电转换效率最低，一般为6%-9%，原材料为硅烷，最易获取。CdTe薄膜电池的光电转换效率次之，约为8%-11%。CIS/GIGS薄膜电池的光电转换效率相对较高，约为10%-12%，原材料中含稀有元素化合物铟、镓、硒，储量小且不易获取。另外，如何确保多元素的严格均匀配比，依然是大面积电池制备应用中的一大挑战。GaAs薄膜电池的光电转换效率最高，约为20%-30%，原材料中含稀有元素化合物镓，储量小且不易获取，砷有毒，会对环境造成污染。相较而言，CIS/GIGS薄膜电池成本低、性能稳定、抗辐射能力强，有可能成为未来最有前途的光伏电池之一。总体而言，薄膜高效太阳能电池的技术发展方向也是低成本、高效率、高稳定性，未来发展前景巨大，其中，生产工艺的不断成熟改进以实现成本的降低可能将是未来发展的关键。因此，薄膜高效太阳能电池的研发和产业化，更依赖于各类技术之间的竞争和技术积累，以实现不断缩小与国际先进水平的差距。（3）新型太阳能电池鉴于传统晶体硅太阳能电池生产中所需的高温（>900℃）扩散制结工艺限制了生产效率的提高和能耗的进一步降低，因此，不断探索新的电池材料和制造工艺技术以实现低成本、高效率成为业界的努力方向。目前，既利用了薄膜制造工艺优势同时又发挥了晶体硅和非晶硅的材料性能特点，具有高效低成本的异质结太阳能电池、高性能硅基柔性薄膜电池等特别受到各国研究人员的普遍重视并迅猛发展。第一，HIT太阳能电池。HIT电池集中了非晶硅薄膜电池和晶体硅高迁移率的优势，而且制备工艺相对简单，双面结构在任何角度都可以增加光吸收，但是仍然存在生产过程中的每一步工艺要求都很严格、发电成本仍远高于传统方法的发电成本等问题。其未来的发展方向主要是，在保证电池转换效率前提下降低晶体硅的厚度，以及用廉价金属铜材料代替价格昂贵的金属银浆来制作金属电极，或通过技术开发进一步提高晶体硅的发电效率。第二，高效柔性硅基薄膜电池。由于柔性衬底电池具有重量轻、可折叠、便于携带和易集成等优点，具有广泛市场应用前景，因此，越来越多的研究所和公司进行柔性衬底电池相关研究。目前，柔性衬底材料主要有不锈钢、聚酰亚胺、塑料、铝箔和聚合物等。从高效柔性薄膜电池的应用领域看，市场广阔、需求旺盛，主要包括以航空、航天、军用为主的高端市场，高档汽车车顶、游艇艇面等民用新兴高端市场，地面和屋顶电站以及应急救援等方面。目前，高效柔性薄膜电池的技术关键主要包括：突破并掌握柔性晶硅薄膜电池规模化生产的制造技术，完成生产线设备的自主设计和制造。2.对高效太阳能电池技术的基本评估所谓重大技术，是指其技术地位在众多技术中处于核心、关键的地位。具体衡量主要包括三个层面，一是是否具有基础性，二是是否具有公共性，三是是否具有战略性。我们认为，重大技术既不是三项指标的机械相加，也不是相乘，而是基础性、公共性和战略性的融合，即：I（importance，重要性）=B（Basic，基础性）×P（Public，公共性）+S（Strategic，战略性）。第三次工业革命的核心是新能源革命，高效太阳能电池技术作为提高太阳能利用率的关键，代表了先进的技术发展方向，对我国光伏产业的结构调整和可持续发展具有重要影响，属于当前应该发展的重大技术之一，是需要从国家战略层面做出规划与部署，集中资源、持续投入的战略方向。因此，对于高效太阳能电池技术而言，我们就“不是要不要发展的问题，而是怎么使其更好发展的问题”。培育重大技术的基本原则对重大技术经济政策的研究，其目的要根据重大技术的特点找到适合的经济政策，以推动重大技术的进步和创新能力的提升，并实现依托该项重大技术的成果转化和产业大发展。在市场对资源配置起决定性作用的背景下，政府部门的角色是什么？什么事情由政府干？什么事情不要政府干？要把政府引导支持和企业主体作用有效结合，通过抓好重大政策的引导作用，实现政府职能转变的重大改革。就培育重大技术而言，应遵循以下基本原则。1.在职能定位上，政府既要管得少，又要管得好，要把政府引导支持和企业主体作用有效结合。要真正实现让市场在资源配置中发挥决定性作用和更好发挥政府作用，对企业而言，需要的是一个良好的市场机制和发展环境，即一个鼓励公平竞争的合理、有效市场，让企业可以自由发挥。同时可以准确了解政府正在做什么、为何做、如何做，并能建言献策；需要的是把企业该做的事情交还给企业，即让企业作为资源整合的主体，搜寻未来的技术方向，承受选择的风险。对政府而言，必须要简政放权，将诸如对重大技术的选择等自身没有能力、没有条件、做不到也做不好的事情更多交给市场或社会，让诸如行业协会等具备资质的社会组织有偿提供，将政府从具体的事务中解脱出来，提高政府服务管理透明度并更好地肩负起宏观调控、监督等职责。政府必须避免行政化定项目、分资金，不是通过“相马”将资金投给某几家指定企业；而是确定支持的基本规则和所要达到的最终效果，通过“赛马”将资金分给优胜者。因此，政府应支持国内市场竞争，扶持的重点是扶优扶强而不是扶大。同时，必须要改变政府决策者们自上而下的思维模式，要力争采取自下而上的民主参与方式进行决策。应鼓励国内各类型企业参与到政策的制定中，要让政府相关部门知道产业界的真实需求，要防止“金喇叭效应”，即政策的制订被那些具有话语权的大企业所左右，而缺失了小企业的声音。如此才能让出台的措施、政策更加有的放矢，而且政府相关部门也会更受产业界的认可。此外，政府还必须不断加强事中和事后的监管，真正做到“事前有规划、事后有评估”，并通过建立“黑名单”制度以加强对失信者的惩戒；明确扶持政策的时间和退出的条件，要明确实行暂时和有条件的保护是为了让企业拥有自力更生的技术能力和从根本上摆脱受制于人的局面。2.在治理方式上，政府对重大技术发展方向的引导宜粗不宜细。应本着“布局一代、研究一代、产业化一代”的原则，扶持而不是指挥重大技术及其发展方向，即政府应支持所有类别高效太阳能电池技术的研发和产业化，而不是代替企业去选择、确定具体的技术方向；同时避免企业垄断并绑架政府科研资源。一方面，政府应在广泛征求产业界的基础上设定中长期技术发展和应用目标，不仅可以成为重大技术方向选择的依据，更可成为引导社会各界的“共同愿景”以使资源集聚并投入到相关领域的相关方向。此外，政府部门因其地位特殊，相关意见易被产业界放大解读而造成不必要的误解，因此，应充分利用专业性行业协会纽带和桥梁的特性进行协调和沟通。另一方面，受制于信息不对称，政府很难正确、及时获悉技术发展的动态信息，而且由于技术更新速度越来越快，预测未来的具体技术方向更是件费力不讨好的事情，且更可能是件“不可能完成的任务”。因此，对政府而言，需要的是营造有利的市场环境，通过一些制度的安排和政策的完善，改善服务，提高效率，帮助、引导企业及时、准确地把握信息和趋势，让企业在市场竞争中发挥主导作用。同时，为有效发挥政府资金的扶持作用，政府的扶持必须以产业健康可持续发展为导向，应对重大技术发展过程中制约产业核心竞争力提升的关键设备和关键材料等瓶颈问题，给予重点支持。在高效太阳能电池领域，无论是晶硅电池、薄膜电池还是新型电池，都仅仅是光伏产业为实现降低成本、提高转换效率的技术手段。此外，在政府研究资金的分配上，需要“雪中送炭”，而非“锦上添花”，支持专业性强的小微企业科研资金需求；同时避免企业垄断并绑架政府科研资源，极力避免一些行业龙头企业借助与政府相关部门的良好关系及其影响力，而通过排斥竞争对手、“攻关”以获得有限科研投入情况的发生。3.在策略方法上，政府的支持应“聚焦”企业并长期持续投资。政府应将支持的重点放在企业，突出企业的主导作用，同时，需要持续、长期的支持，并加大企业和研究所及高校的产学研合作。鉴于创新主体所应具备的具有对创新活动自主的决策权、具有进行创新活动所必需的基本能力、承担创新活动的责任与风险、获取创新活动的收益等特征，相对于科研院所和高校，企业是更加高效地运作主体。而且，有效的工业研发一般需要与企业保持良好的沟通渠道，因为企业是问题的来源，也是研发成果的最终使用者。因此，一方面，政府需要整合政出多门的专项资金，杜绝一题多报、重复资助等现象，强化资金监管，集中财力支持以企业为主的光伏领域的“重大技术”研发和产业化；另一方面，政府还必须通过调整扶持条件，让扶持资金更加聚焦在核心项目和有一定影响力和自主品牌的重点企业，以避免撒胡椒面式的分散扶持。同时，鉴于重大技术的特点决定了研究的长期性和累积性，必须要在经费配置上，对企业的研究项目给予长期连续滚动资助。明确改革的具体政策在明确培育原则后，我们还需要明确改革的具体政策，以防陷入“改革疲惫症”。当然，具体政策要从“群众最期盼的领域改起”，同时，可行的政策也要立足于充分考虑各个利益群体的现实利益，以防改革阻力过大而难以执行落实。1.在需求管理上，应重视“种子用户（示范户）”的培育和发展。要有效发挥市场配置资源的决定性作用，必须要立足长远利益而积极培育市场，变潜在需求为现实需求，进而促进光伏产业的良性发展。对于高效太阳能电池技术而言，从技术创新的角度看，主要集中于不断提升的转化效率和逐年降低的成本，而要真正促进太阳能市场的良性发展，必须使高效太阳能电池技术产生实际效用，让人们的生产、生活方式更加便利、实效。在产业发展初期，以及分布式光伏发电应用迎来政策利好的最佳时机，如何培育和发展“种子用户”以探索应用创新模式，并带动大众用户而真正实现分布式光伏发电的美好前景，继而最终带动产业发展成为技术发展和产业发展的关键。所谓“种子用户”，是那些最初使用并高度认可且能引导大众用户积极使用高效太阳能电池产品的用户。在高效太阳能电池领域，必须要瞄准那些对普通大众有示范性、影响力和权威性的高势能人群，利用对高势能人群的洞察以提升客户体验；选择适当的领域和合适的地区，借助高势能地区、领域的影响，顺势而为，以逐步扩大内需市场。同时，政府可以寻求利用诸如航空、航天、无人船、无人机等某些军事应用需求为主的高端市场，以及民用领域的光伏空调、光伏车棚、光伏幕墙等特殊应用，通过挖掘潜在需求并开拓新市场以鼓励相关技术能力的提升。此外，为避免当前产能过剩背景下，企业恶性竞争而造成的质量下降，确保产品、设备的长期安全可靠，与其他先发国家更好衔接，要继续建立健全太阳能光伏行业的原料和产品的技术标准、检测和认证体系，保证多晶硅、光伏组件、光伏电站等原料和最终产品的质量，规范引导产业健康发展，并为先进技术的发展提供市场空间。2.在关键技术工艺、重大关键设备上，应逐步提升本土技术能力，扩大市场占有率。重大关键设备市场不是一个完全自由竞争市场，具有很强的路径依赖性，而且对于积累本土技术能力具有决定性作用；如果缺乏对关键设备的国家层面扶持，仅仅依靠本土企业自身的发展很难实现技术能力的提升以及通过不断修改、改进、创新而占领市场的目的。因此，要结合产业发展的实际情况对引进的成套关键设备和产业化前期关键技术实行国产化方针，通过对引进技术和关键装备的分解、研制进行创新开发；同时，要逐步减少成套关键设备的引进，着重引进技术专利、技术情报和基础性科研成果。政府可以通过优惠贷款、减税、建立特殊工业联合体、公共费用的折扣、提高进口关税以及其他间接措施来鼓励国内企业进入市场参与竞争，力争获得具有自主知识产权的生产工艺和技术，增强我国在技术路径选择上的自主性。同时，鉴于职业化、专业化行业协会具有服务性、代表性、协调性和自律性等特点，因此应充分发挥行业协会的作用，通过建立社会公共平台（联合创新中心），以从事工程性、产业化研究为核心，进一步实现创新资源聚合、创新成果共享。在增强行业整体技术能力基础上，加强行业标准的话语权和对外专利谈判的主动权。鼓励企业自愿参加，取得成果、知识产权归平台所有，参与企业有优先使用权。即使本土技术能力得到提升，常常也会面临将技术优势转化为市场能力的困局。某种程度而言，关键技术工艺、重大关键设备在需求端的市场化障碍可能要远远高于供给端的技术研发障碍。因此，要推动产业链各环节加强合作，要认可用户在创新活动中的参与和互动，进一步完善和落实“首台套”扶持等相关政策，建立使用国产首台套产品的风险补偿机制，并加强政策的透明度，让企业和用户全方位了解政策。3.在科技供给上，应对支持重大技术并提升国际竞争力的方式进行必要的改变。应该说，特定的科技制度可以使得部分国家在接近其知识和技术水平的前沿位置高效运行并取得重大突破，而使得大多数国家在远远低于其知识和技术水平可能的位置低效运行并形成低端锁定。同时，作为技术追随者的主要问题不是“投入多少进行研发？”而是“进行何种研发？”因此，我们当前面临的主要问题是，如何将有限的扶持资金用在刀刃上，向“有效果、有效率”聚焦。某种程度而言，实现政府科研资金资助组织方式的变革成为实现资金扶持“有效果、有效率”的有效途径。我们认为，必须让政府从科研项目评估、定价、选择的角色中退出；可以借鉴发达国家的成熟经验，成立针对重大技术评估和推进的专项委员会。委员会依托一定的技术评估的理念与方法，是重大技术评估的基础，也是重大技术经济政策和决策支持系统的重要组成部分。重大技术的评估和推进主要包括评价对象的属性、可能产生的经济效果、对社会未来发展的影响，以及具体推进重大技术的研发和产业化等，目的是推进决策的科学化、民主化，完善决策信息和智力支持系统，实现政府“有效果”、“有效率”的引导。为充分利用好委员会制度，使其真正成为选择和培育重大技术的权力组织并持之以恒地发挥效用，就必须强化委员会的作用，同时，做到过程开放、细节明确、操作透明、接受监督。（作者单位：国家发改委产业所。本文有所删节。）作者注：本文系国家发改委重大课题《重大技术经济政策研究》项目的部分成果。本项目得到国家发改委高技术司、上海市浦东新区光电子行业协会等部门的大力支持。同时，本文内容经中国科学院微电子研究所太阳能电池研究中心贾锐教授、南大光电[-1.85% 资金 研报]工程研究院有限公司余林蔚教授、理想能源设备（上海）有限公司陈金元副总裁、英利集团王建明等人悉心指导，以及国家发改委产业所诸多同仁指点，特此表示感谢。