第二節(jié) 光伏產(chǎn)業(yè)鏈的工藝概述

太陽能光伏產(chǎn)業(yè)鏈包括多晶硅原料生產(chǎn)、硅棒/硅錠生產(chǎn)、太陽能電池制造、組件封裝、光伏產(chǎn)品生產(chǎn)和光伏發(fā)電系統(tǒng)等環(huán)節(jié)，如圖1-7所示。在產(chǎn)業(yè)鏈中，太陽能電池制造是最重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。目前，世界上太陽能光伏電池90%以上是以單晶硅或多晶硅為原材料生產(chǎn)的。

通常的晶體硅太陽能電池是在厚度為350～450μm 的高質量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成，整個生產(chǎn)工藝非常復雜，生產(chǎn)環(huán)節(jié)眾多，主要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)如圖1-8所示。

1. 多晶硅料

多晶硅料的提煉需要較大資金投入、較多能源消耗（每生產(chǎn)1kg 多晶硅料需要耗電200～500kW·h）和較高技術門檻。目前，國際上生產(chǎn)高純度多晶硅料的生產(chǎn)工藝85%以上采用改良西門子法，它是利用氯氣和氫氣合成 HCl，HCl 和工業(yè)硅粉在一定的溫度下合成SiHCl3，然后對SiHCl3 進行分離精餾提純，提純后的 SiHCl3 在氫還原爐內進行化學氣相沉積反應得到高純多晶硅料。這種高純多晶硅料的純度要求較高，一般需達到99.9999%以上。

2. 鑄錠切片

多晶硅料需要轉化成單晶硅棒或多晶硅錠后，才能把它進一步加工成硅片、電池和組件。單晶硅棒生產(chǎn)最常用的工藝就是直拉法。在這個過程中，將多晶硅料放入石英坩堝中，經(jīng)過加溫后緩慢熔化，浸入一根具有一定晶向的籽晶，經(jīng)過縮頸、放肩、轉肩、等徑、收尾生長和冷卻過程，完成一根單晶的生長過程。多晶硅錠生產(chǎn)最常用的工藝是鑄錠法。在這個過程中，將多晶硅放入石英坩堝中，經(jīng)過加熱、熔化、長晶、退火和冷卻，完成一個多晶晶錠的生長過程。把單晶硅棒或多晶晶錠切割成硅片，目前基本上采用的是多線切割技術。將硅棒或硅錠經(jīng)表面整形、定向、切割、研磨、腐蝕、拋光、清洗等工藝，加工成符合特定要求的硅片。硅片的厚度已經(jīng)從2004 年的主流厚度270μm 發(fā)展到現(xiàn)在的以200μm 為主。目前，國際上部分廠家生產(chǎn)的硅片厚度可以達到180μm。目前硅片的利用率已經(jīng)提高了32%以上。由于拉晶爐和鑄晶爐設備生產(chǎn)基本上實現(xiàn)了國產(chǎn)化，再加上技術門檻較低，所以近年我國新上了一大批拉棒切片項目，大大促進了行業(yè)的發(fā)展。

3. 晶體硅電池

拉棒切片的下一個環(huán)節(jié)就是生產(chǎn)太陽能電池，太陽能電池分為晶體硅電池和薄膜涂層電池兩大類。晶體硅電池占據(jù)了90%以上的市場份額，其中單晶硅電池的轉換效率最高。多晶硅電池的轉換率也突破了16%。制造太陽能晶體硅電池需要經(jīng)過很多工藝，其中包括硅片清洗、表面制絨、擴散制結、去磷硅玻璃、等離子刻蝕、鍍減反射膜和絲網(wǎng)印刷等。

4. 電池組件

為了滿足太陽能電池的實際使用要求，須將若干單體電池按電性能分類進行串、并聯(lián)，經(jīng)過封裝后組合成可以獨立作為電源使用的最小單元，這個獨立的最小單元稱為太陽能電池組件。太陽能電池組件由光伏電池和金屬框架、玻璃蓋片、電纜引線以及黏結劑等組成。在封裝過程中，單體太陽能電池之間是用金屬導電帶串聯(lián)或并聯(lián)焊接在一起的。目前常用的晶體硅太陽能電池封裝一般是依次將鋼化白玻璃-EVA（乙烯醋酸乙烯共聚物）-光伏電池片-虹吸玻璃-EVA-PVF（聚氟乙烯）復合膜疊起，放入層壓封裝機內進行封裝，再組裝上導線、接線盒、邊緣密封帶及金屬柜架，就完成了整套組件的封裝工藝。在整個光伏產(chǎn)業(yè)鏈條中，太陽能電池組件封裝的資金和技術門檻最低。多數(shù)設備已實現(xiàn)國產(chǎn)化，且價格比較便宜。由于電池片越來越薄，為了降低破碎率，一些企業(yè)習慣依靠手工操作。采取OEM代工方式，可進一步減少流動資金占用。近年來，電池組件這一環(huán)節(jié)發(fā)展最為迅速。

5. 光伏系統(tǒng)

光伏系統(tǒng)是利用太陽能電池組件和其他輔助設備將太陽能轉換成電能的系統(tǒng)。一般將光伏系統(tǒng)分為獨立系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)由電池方陣、蓄電池組、控制器和逆變器等組成。電池方陣是由多塊光伏電池組件串聯(lián)、并聯(lián)構成的陣列，其作用是將太陽能轉換為電能。蓄電池組由多只蓄電池串聯(lián)或并聯(lián)組成，其作用是儲存光伏電池方陣發(fā)出的電能，并可隨時向負載供電?？刂破魇欠乐剐铍姵亟M被電池方陣過充電和被負載過放電，使蓄電池組使用達到最佳狀態(tài)的中心控制設備。逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的電源轉換設備，其作用是將直流電轉換為單相或者三相交流電。由于電池組件是半導體材料，控制器和逆變器是電子設備，蓄電池是化學裝置，所以發(fā)電系統(tǒng)無轉動部件，運行可靠，故障率低，一次投資可保證20年不間斷供電。發(fā)電系統(tǒng)按運行方式可分為離網(wǎng)運行系統(tǒng)和并網(wǎng)運行系統(tǒng)兩大類。其中，離網(wǎng)運行系統(tǒng)主要用于為公共電網(wǎng)難以覆蓋的邊遠農(nóng)村、牧區(qū)和海島的農(nóng)、牧、漁民提供基本生活用電，為通信中繼站、沿海與內河航標、氣象臺站及邊防哨所等特殊場合提供電源。并網(wǎng)運行系統(tǒng)把太陽能轉化為電能，不經(jīng)過蓄電池儲能，直接通過并網(wǎng)逆變器把電能送上電網(wǎng)。光伏并網(wǎng)發(fā)電是當今世界太陽能發(fā)電技術發(fā)展的主流趨勢。

6. 光伏發(fā)電、安裝工程及電站運營

光伏發(fā)電，實際上就是太陽能電池在光伏產(chǎn)業(yè)鏈下游產(chǎn)業(yè)集群的核心功能價值表現(xiàn)。光伏產(chǎn)業(yè)鏈的下游企業(yè)，除太陽能電池并網(wǎng)發(fā)電在發(fā)電工程等領域的具體應用外，還包括太陽能光伏電池與機電產(chǎn)業(yè)、建筑材料的結合利用光伏集成建筑等方面，目前在國內市場的準入門檻還不是太高。光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的普及，在當前需要政府的引導和激勵。

光伏發(fā)電具有廣泛的應用，太陽能光伏終端產(chǎn)品主要有室外照明裝飾燈具、道路交通警示標志、太陽能多功能電源、電源轉換器、太陽能戶用電源、太陽能控制系統(tǒng)主板、光伏（風/光/柴互補）電站等，如圖1-9所示。

（1）居民用戶太陽能電源：①小型電源為10～100W 不等，用于邊遠無電地區(qū)（如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等）軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等；②3～5kW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；③光伏水泵用于解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉。

（2）交通領域：如航標燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。

（3）通訊/通信領域：太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/通信/尋呼電源系統(tǒng)；農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機、士兵GPS供電等。

（4）石油、海洋、氣象領域：石油管道和水庫閘門陰極保護太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺生活及應急電源、海洋檢測設備、氣象/水文觀測設備等。

（5）家庭燈具電源：如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。

（6）光伏電站：10kW～50MW獨立光伏電站、風光（柴）互補電站、各種大型停車場充電站等。

（7）太陽能建筑：將太陽能發(fā)電與建筑材料相結合，使得未來的大型建筑實現(xiàn)電力自給，是未來的發(fā)展方向。

（8）其他領域包括：①與汽車配套的太陽能汽車/電動車、電池充電設備、汽車空調、換氣扇、冷飲箱等；②太陽能制氫加燃料電池的再生發(fā)電系統(tǒng)；③海水淡化設備供電；④衛(wèi)星、航天器、空間太陽能電站等。

7. 應用材料及相關產(chǎn)業(yè)

光伏產(chǎn)業(yè)鏈不僅涉及電池片項目，而且還帶動多晶硅料、硅棒、硅錠、硅片、電池片、電池組件、發(fā)電系統(tǒng)和應用產(chǎn)品的發(fā)展，同時還需要大量的應用材料為其配套。低鐵玻璃由于具有透光率高、反光率低、機械強度大和耐腐蝕等特點，被廣泛應用于光伏組件的基板材料。硅烷是生產(chǎn)單晶硅、多晶硅、非晶硅等一系列含硅化合物的基本材料。在等離子增強化學氣相沉積工藝中，它生成一層減反射膜沉積在電池片表面。三氯氧磷用于在電池片的擴散過程中與氧氣反應生成磷原子，磷原子又作為光伏電池的N型摻雜物，滲透到硅片表層形成PN結。同時它還廣泛應用于制藥、染化、塑膠助劑、表面活性劑等行業(yè)。三氯氫硅是制備多晶硅料的主要原料，目前國內市場上供不應求，缺口較大，而生產(chǎn)三氯氫硅的主要原料是硅粉、氯氣和氫氣，因此很適合在氯堿企業(yè)作為下游產(chǎn)品進行開發(fā)。光伏電池封裝用的黏結材料一般是EVA膠黏劑。它是一種熱熔黏結膠膜，常溫下并無黏性。只有經(jīng)過熱壓時才發(fā)生熔融黏結和膠結固化。與光伏發(fā)電配套的逆變器、蓄電池、控制器、跟蹤器、聚光系統(tǒng)和LED燈等產(chǎn)品近年也迅速發(fā)展。

視野拓展

一、在整個產(chǎn)業(yè)鏈中，硅料尤其是高純度的硅料毛利率最高

由于近年來光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，硅料出現(xiàn)供不應求的狀況，硅料的價格更是節(jié)節(jié)攀升。2008年年初，從以工業(yè)硅為原料提純后所得的多晶硅價格已經(jīng)上漲至約300美元/千克，部分高純度多晶硅甚至達到500美元/千克。其次是硅片生產(chǎn)的利潤率較高，而組件生產(chǎn)和工程安裝利潤率最低，約為10%。工業(yè)硅料的生產(chǎn)主要在發(fā)展中國家進行，是產(chǎn)業(yè)鏈中高能耗、高污染的一環(huán)。工業(yè)硅料經(jīng)提純后得到高純度的硅料（純度在99.9999%以上），其價格高昂。高純度硅料的供應商主要來自美國、德國和日本。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這些公司有擴大高純度硅料產(chǎn)能的趨勢，如美國HSC公司（Hemlock Semiconductor Corporation）的多晶硅產(chǎn)能將從目前的1萬t增加到2008年的1.45萬t，預計2010年可擴產(chǎn)至1.9萬t；另一家公司MEMC公司（MEMC Electronic Materials Inc.）的產(chǎn)能也將由4900t提高至2009年的8000t。

二、各國主要太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)相關廠商情況

日本、歐洲、美國是太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展領先的國家，涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的公司。

Sharp夏普（日本）是全球最大的太陽能公司。2006年，該公司實現(xiàn)營業(yè)收入237億美元（太陽能業(yè)務收入約占7%），凈利潤7.52億美元。

Kyocera京磁（日本）是全球第2大太陽能公司。2006年，該公司實現(xiàn)營業(yè)收入100億美元（太陽能業(yè)務收入約占8%），凈利潤5.9億美元。

Conergy AG（德國）是世界最大的太陽能系統(tǒng)批發(fā)商，德國太陽能系統(tǒng)安裝的領導者。2006年，該公司實現(xiàn)營業(yè)收入 7.52 億歐元，凈利潤 0.3 億歐元，分別同比增長 42%和12%。

SolarWorld（德國）是德國領先的太陽能公司之一。2006年，該公司實現(xiàn)營業(yè)收入6.79億美元，凈利潤1.72億美元。

MEMC（美國）是全球最大的硅料制造商之一，2006年，該公司實現(xiàn)營業(yè)收入15.4億美元，凈利潤3.7億美元。

Motech茂迪（中國臺灣）是臺灣地區(qū)領先的電池和組件企業(yè)，2006年，該公司實現(xiàn)營業(yè)收入1.36億美元，凈利潤0.35億美元。

Evergreen Solar（美國）是世界領先的硅切片生產(chǎn)商，擁有先進的工藝技術。2006 年，該公司實現(xiàn)營業(yè)收入1.03億美元，同比增長134%，虧損0.27億美元。

近二三年，我國太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，也涌現(xiàn)出了一批優(yōu)秀的企業(yè)。其中，無錫尚德、中電光伏、常州天合、林洋新能源、賽維LDK等企業(yè)還先后在海外市場掛牌上市。

無錫尚德主要從事晶體硅太陽能電池、組件以及光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究、制造和銷售。2005年12月14日，該公司在美國紐約證券交易所上市，成為中國內地首家在紐交所上市的非國有高科技企業(yè)。2006年，尚德公司太陽能電池產(chǎn)能位列全球第4 位。當年，公司實現(xiàn)營業(yè)收入5.98億美元，凈利潤1.06億美元。

中電光伏是中電電氣與澳大利亞博士團隊于2004年6月合作創(chuàng)立的一家集太陽能電池的研發(fā)、制造于一體的高新技術企業(yè)，2007 年5 月在美國納斯達克上市。目前，該公司擁有6條太陽能電池生產(chǎn)線，年生產(chǎn)能力為192MW，位居全國第二。2006 年實現(xiàn)營業(yè)收入1.50億美元。

常州天合位于江蘇常州電子產(chǎn)業(yè)園，在美國紐約證券交易所上市。該公司業(yè)務涉及單晶、硅片、組件和系統(tǒng)安裝，實現(xiàn)了光伏產(chǎn)業(yè)鏈的垂直一體化整合。2006 年實現(xiàn)營業(yè)收入1.43億美元，凈利潤0.12億美元。

江蘇林洋新能源有限公司成立于2004年8月，是一家集太陽能電池片、電池組件的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的企業(yè)，2006 年年末在美國上市。2006 年，該公司實現(xiàn)營業(yè)收入0.82億美元，凈利潤0.13億美元。

賽維LDK太陽能高科技公司是目前亞洲規(guī)模最大的太陽能多晶硅片生產(chǎn)企業(yè)（2006年10月產(chǎn)能達到200MW），擁有國際最先進的生產(chǎn)技術和設備。該公司擁有穩(wěn)定原材料供應，專注于生產(chǎn)最經(jīng)濟的太陽能多晶硅片，正致力于發(fā)展成為一個“世界級光伏企業(yè)”。

練習與思考

1. 光伏產(chǎn)業(yè)鏈主要由哪幾個環(huán)節(jié)構成？

2. 常用的晶體硅太陽能電池封裝的主要步驟有哪些？

3. 光伏發(fā)電主要應用在哪幾方面？