暢蓬博 王軍輝

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 西安 710001)

1 高倍聚光光伏蓄勢(shì)待發(fā)

在光伏產(chǎn)業(yè)化方面，過(guò)去十年是晶硅和薄膜電池飛速發(fā)展的黃金時(shí)期。全球光伏市場(chǎng)從2000年的278MW成長(zhǎng)到2010年的17.5GW，平均年成長(zhǎng)率51%。在這期間，采用聚光方式并且聚光倍數(shù)大于400倍的高倍聚光光伏市場(chǎng)，只占很小的的比例，2010年只約10MW規(guī)模。如果僅從當(dāng)前規(guī)模來(lái)看，高倍聚光光伏很容易就被忽略。但是，也正是這十多年的積累，高倍聚光光伏蓄積了能量，并即將爆發(fā)。和First Solar（美國(guó)福思第一太陽(yáng)能公司)憑借低成本CdTe（碲化鎘)光伏技術(shù)迅速擴(kuò)張一樣，高倍聚光電池領(lǐng)域完全有可能產(chǎn)生類似的企業(yè)。

從2000年至今，高倍聚光電池芯片的實(shí)驗(yàn)室最高效率從 32%提升到 43.5%，絕對(duì)轉(zhuǎn)換效率增加 11.5%，并有潛力在未來(lái)達(dá)到 50%。與此同時(shí)，晶硅電池和薄膜電池的最高效率增長(zhǎng)幾乎停滯。水在高處有更大的勢(shì)能，對(duì)于太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，效率越高就意味著更高的勢(shì)能，從而也有更大的潛力降低成本，實(shí)現(xiàn)普及。

盡管產(chǎn)業(yè)化的晶硅電池和薄膜電池效率均有一定程度的增長(zhǎng)，并由此帶來(lái)成本的降低，但是實(shí)驗(yàn)室最高效率的增長(zhǎng)幾乎停滯，也讓產(chǎn)業(yè)化電池即將碰到天花板，效率提升乏力。

產(chǎn)業(yè)化主流的單晶硅和多晶硅電池正在進(jìn)行效率的升級(jí)換代，單晶硅電池從原先約17%轉(zhuǎn)換效率提升到18.5%。采用便宜的（直拉法)CZ硅片，多晶硅電池從原先的約16%轉(zhuǎn)換效率提升到約17.5%。這類效率的提升主要在于采用選擇性發(fā)射極做前電極，采用更窄的電極柵線，優(yōu)化背電極等。由于晶硅電池的實(shí)驗(yàn)室最高效率采用的是更優(yōu)質(zhì)的硅片和成本更貴的影印工藝，且為小面積，不利于產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。因此在效率上，晶硅電池經(jīng)過(guò)這一波的升級(jí)換代之后，提升空間已極為有限。

薄膜電池中CdTe和CIGS（太陽(yáng)能薄膜電池)的產(chǎn)業(yè)化效率和實(shí)驗(yàn)室小面積最高效率還有一定的成長(zhǎng)空間，其中 CIGS的空間會(huì)大一些，但是產(chǎn)業(yè)化技術(shù)上還存在難度。

與其他類型電池相比，由于聚光電池的面積較小，通常約1cm2，因而產(chǎn)業(yè)化電池效率幾乎與實(shí)驗(yàn)室效率同步增長(zhǎng)。當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)化聚光電池約在 39%，與實(shí)驗(yàn)室最高效率 43.5%已相當(dāng)接近，該效率也遠(yuǎn)大于十年前的最高實(shí)驗(yàn)室效率。

綜合比較各種電池的產(chǎn)業(yè)化效率、實(shí)驗(yàn)室效率和 2010年的市場(chǎng)規(guī)模，能得出以下幾個(gè)結(jié)論。一是主流晶硅電池規(guī)?；呀?jīng)很高，產(chǎn)業(yè)化效率逼近實(shí)驗(yàn)室效率，成本降低空間有限；二是聚光電池的規(guī)?；潭茸畹?，從而導(dǎo)致成本較高。轉(zhuǎn)換效率處于高位的聚光電池未來(lái)有望通過(guò)規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)鏈完善而大幅降低成本。

幾年前，高效率的聚光電池在市場(chǎng)上還很難買到。Spectrolab、Emcore和Azur Space率先實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，已供貨給多家CPV（聚光光伏)元件公司。在2011年及以后，越來(lái)越多的公司有能力制造該類電池。高倍聚光光伏的核心電池芯片技術(shù)不再是只掌握在少數(shù)公司手中，而是遍地開(kāi)花，有一大批企業(yè)已能實(shí)現(xiàn)較高轉(zhuǎn)換效率，并即將量產(chǎn)。核心部件聚光電池芯片產(chǎn)業(yè)化的成熟，必將帶動(dòng)聚光系統(tǒng)的其他配套協(xié)同發(fā)展，高倍聚光光伏已積聚大量能量，該產(chǎn)業(yè)蓄勢(shì)待發(fā)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)截至2011年，全球范圍有能力制造多結(jié)聚光電池的公司見(jiàn)表1。

表1 有能力制造多結(jié)聚光電池的公司一覽表

2 產(chǎn)業(yè)鏈

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

高倍聚光電池芯片一般采用Ge襯底，利用MOCVD外延工藝外延生長(zhǎng)三結(jié)電池，分波段吸收太陽(yáng)光以達(dá)到提高轉(zhuǎn)換效率的效果。太陽(yáng)光通過(guò)聚光透鏡把光匯聚到電池芯片上，電池芯片在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量電流和熱量，需要用芯片接收器將電流導(dǎo)出，將熱量散掉。有些設(shè)計(jì)會(huì)在芯片上面加一個(gè)二次光學(xué)裝置，以使光更好的匯集。

芯片、接收器、散熱裝置、聚光透鏡和二次光學(xué)器件共同組成聚光電池模塊，再加上跟蹤系統(tǒng)、逆變器和其他部件，就構(gòu)成了整個(gè)高倍聚光光伏系統(tǒng)。高倍聚光光伏系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1。

圖1 高倍聚光光伏系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)各部分成本結(jié)構(gòu)方面，電池芯片約占17.5%、封裝約20%、光學(xué)器件11%、追蹤系統(tǒng)21%、逆變器7%、BOS 16%、其他部分7.5%。而電池芯片以外部分所占的成本較高，這是因?yàn)榫酃夤夥到y(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模還太低，相關(guān)配套供給不夠完善導(dǎo)致。

2.2 參與者

產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)參與者逐漸增多，多數(shù)為近幾年新進(jìn)入。美國(guó)企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)著高倍聚光產(chǎn)業(yè)的走向。在核心聚光電池芯片有 Spectrolab、Emcore、Solar Junction和 Spire等一批領(lǐng)先企業(yè)，持續(xù)提升電池效率。光學(xué)器件、跟蹤系統(tǒng)再到整個(gè)聚光光伏系統(tǒng)，則有 Concentrix Solar、Solfocus、Amonix等企業(yè)，多數(shù)已積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。芯片接收器則由芯片企業(yè)Spectrolab和Emcore自行生產(chǎn)，并且當(dāng)前聚光系統(tǒng)的市場(chǎng)大部分集中在美國(guó)西部，當(dāng)?shù)仄髽I(yè)有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，率先得到發(fā)展?；蛘咭部梢哉f(shuō)，美國(guó)聚光光伏產(chǎn)業(yè)的參與者培養(yǎng)了美國(guó)市場(chǎng)，兩者相輔相成。

中國(guó)大陸和臺(tái)灣地區(qū)，在各環(huán)節(jié)從襯底、芯片、跟蹤器到系統(tǒng)均有企業(yè)參與，并且企業(yè)數(shù)量所占比重逐漸增大。美國(guó)一些領(lǐng)先企業(yè)也選擇與大陸和臺(tái)灣合作生產(chǎn)部分器件。如早期Spectrolab與臺(tái)達(dá)電合作生產(chǎn)芯片接收器；東山精密為美國(guó) Solfocus供應(yīng)精密鈑金件和組裝服務(wù)；三安光電與 Emcore合資成立日芯光伏，從事聚光光伏相關(guān)研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。

3 存在的問(wèn)題與機(jī)遇

3.1 可靠性問(wèn)題

長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題是聚光光伏系統(tǒng)面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。早期聚光光伏由于各種原因較難在商業(yè)上應(yīng)用。首先是早期光伏市場(chǎng)集中在屋頂應(yīng)用或與建筑結(jié)合應(yīng)用，而聚光光伏系統(tǒng)更適合大型電站；其次是 10年前聚光光伏電池最高效率只有約 32%，而目前最高效率能達(dá) 43.5%；再次就是早期光伏系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模很小，聚光光伏系統(tǒng)不能通過(guò)規(guī)?；瘍?yōu)勢(shì)降低成本。因此在可靠性方面，聚光系統(tǒng)缺少足夠多的實(shí)例驗(yàn)證，只有少數(shù)公司有超過(guò) 10年的經(jīng)驗(yàn)。聚光光伏系統(tǒng)壽命常常受限于除芯片以外的部件，比如光學(xué)器件、散熱裝置、封裝效果和跟蹤系統(tǒng)等。相對(duì)其他類型電池，聚光光伏電池須承受幾百倍于其他電池的電流密度和熱量，對(duì)封裝和散熱有較強(qiáng)要求。由于聚光時(shí)要對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，接收器面積小，對(duì)跟蹤器的精度要求較高。且跟蹤系統(tǒng)的機(jī)械部件長(zhǎng)期在戶外條件下運(yùn)作，容易出現(xiàn)問(wèn)題，因此對(duì)跟蹤系統(tǒng)的可靠性也有較高的要求。

3.2 光學(xué)器件

光學(xué)器件的主要問(wèn)題就是可靠性。有機(jī)玻璃材料容易變黃、起泡、需要清洗。因而，一些公司用玻璃鏡片以避免磨損。雖然生產(chǎn)光學(xué)透鏡的公司不少，但是對(duì)供貨商產(chǎn)品可靠性的鑒定依然很困難，尤其光學(xué)設(shè)計(jì)有多種多樣，不同公司常有自己獨(dú)特的設(shè)計(jì)，業(yè)內(nèi)并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。此外，透光率、光斑均勻性、焦距、工藝一致性、像差、抗紫外線、抗風(fēng)沙能力等也是評(píng)估透鏡的重要指標(biāo)。

3.3 接收器

芯片接收器在聚光系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中只有少數(shù)幾家廠商參與，這也意味著投資機(jī)會(huì)。在聚光系統(tǒng)成本中，封裝的部分占到20%，甚至高于電池芯片，可見(jiàn)該部分利潤(rùn)可觀。

典型的芯片接收器包含高熱導(dǎo)率的覆銅陶瓷、低熱阻抗封裝、旁路二極管和電流引出裝置。制造接收器的技術(shù)已經(jīng)在LED工業(yè)有很好的準(zhǔn)備，因此大陸和臺(tái)灣不少LED相關(guān)企業(yè)切入接收器會(huì)較為容易。臺(tái)達(dá)電早在 2007年就與Spectrolab合作開(kāi)發(fā)了聚光接收器，但在 2009年就放棄了該業(yè)務(wù)，當(dāng)時(shí)的市場(chǎng)還沒(méi)起來(lái)。大陸的三安光電、河北英沃泰、藍(lán)天太陽(yáng)也開(kāi)始在布局該環(huán)節(jié)。

3.4 封裝

電池芯片與熱阻之間的粘接，以及電池芯片與二次光學(xué)器件之間的粘接常常會(huì)出問(wèn)題。很多公司有報(bào)導(dǎo)在加速測(cè)試中這些部位發(fā)生老化。光學(xué)器件的粘接部分可能隨著時(shí)間推移而變黑，或者產(chǎn)生氣泡而加速老化。對(duì)封裝各種問(wèn)題的解決是聚光系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠性的必要保證。

3.5 鍺襯底

作為聚光電池的襯底，鍺單晶是以區(qū)熔鍺錠為原料，用直拉法(CZ)或垂直梯度法(VGF)等制備的鍺單晶體。紅外級(jí)鍺單晶用于制作紅外窗口、紅外鏡頭等光學(xué)部件的機(jī)體材料。半導(dǎo)體器件用鍺單晶制作各類晶體管和聚光電池用機(jī)體材料。探測(cè)器級(jí)鍺單晶用于制作高分辨率伽馬射線探測(cè)器。據(jù)云南臨滄鑫圓鍺業(yè)2010年的招股書(shū)，太陽(yáng)能電池用鍺單晶片的毛利率達(dá)74.96%，可見(jiàn)利潤(rùn)豐厚，并也有降低整體系統(tǒng)成本的空間。

全球鍺資源有限，目前已發(fā)現(xiàn)的鍺礦資源基本已被現(xiàn)有鍺生產(chǎn)企業(yè)所占有，加上行業(yè)特有的技術(shù)壁壘，新進(jìn)入者較難進(jìn)入該領(lǐng)域。中國(guó)是目前全球最大的鍺生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)，2010年鍺產(chǎn)量占到全球的70%以上。但鍺襯底的供應(yīng)幾年內(nèi)不會(huì)成為問(wèn)題，業(yè)內(nèi)相關(guān)專家預(yù)計(jì)有充足的Ge能夠維持每年約4GW的CPV安裝量。一些公司也在研制可重復(fù)利用Ge襯底的技術(shù)，以及用 GaAs替代 Ge的技術(shù)，如果成功將大大降低Ge襯底需求。

4 市場(chǎng)前景

高倍聚光光伏系統(tǒng)具備爆發(fā)性增長(zhǎng)的潛質(zhì)，它不會(huì)完全取代晶硅和薄膜電池，而是會(huì)在一些陽(yáng)光充足的干燥區(qū)域顯現(xiàn)成本優(yōu)勢(shì)，獲得更多市場(chǎng)。據(jù)歐洲光伏協(xié)會(huì)EPIA預(yù)測(cè)，2015年全球CPV市場(chǎng)將達(dá)到1GW規(guī)模。如果按2010年CPV市場(chǎng)10MW計(jì)算，那將是100倍的成長(zhǎng)。

適宜高倍聚光光伏系統(tǒng)的高直射光區(qū)域，分布在美國(guó)西部、歐洲南部,如西班牙和意大利、大陸西部、西亞、印度北部、非洲北部和南部、拉美中部和澳大利亞。在當(dāng)前全球光伏市場(chǎng)占據(jù)大部分的歐洲地區(qū)只有少部分在此區(qū)域。因此未來(lái)聚光光伏的發(fā)展將更多在新興市場(chǎng)，如美國(guó)、大陸、印度和澳大利亞等。根據(jù)美國(guó)GTM研究機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，目前已安裝的CPV系統(tǒng)大概28MW，正在開(kāi)發(fā)的已簽訂能源購(gòu)買協(xié)議(PPA)的項(xiàng)目有289MW，另外還有207MW正在開(kāi)發(fā)并等待簽訂協(xié)議。相對(duì) 2010年全球光伏市場(chǎng)17.5GW的規(guī)模，目前的CPV只占極小比例。

在已簽訂合約的CPV項(xiàng)目中，美國(guó)占據(jù)了超過(guò)92%的份額，這源于美國(guó)西部的可再生能源配額目標(biāo)。但美國(guó)的市場(chǎng)當(dāng)前主要由其本土企業(yè)占據(jù)，如 Concentrix Solar、Amonix和 SolFocus。其他國(guó)家企業(yè)可能較難直接進(jìn)入，而選擇為這些主要系統(tǒng)商做供給配套也許是一個(gè)途徑。

中國(guó)是高倍聚光光伏的另一重要市場(chǎng)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的光伏裝機(jī)容量目標(biāo)是到 2015年達(dá)到10GW，到2020年達(dá)到50GW。西部地廣人稀，有廣闊的光照充足地區(qū)適宜建立高倍聚光光伏系統(tǒng)，包括新疆、內(nèi)蒙、寧夏、甘肅、西藏、云南北部、四川西北部等。此外，東北部分地區(qū)也有較好的光照條件，在這些光照充足區(qū)域，高倍聚光光伏系統(tǒng)有比主流晶硅電池更具成本優(yōu)勢(shì)的潛質(zhì)。國(guó)內(nèi)當(dāng)前已建成的高倍聚光光伏電站還較少。規(guī)模較大的是三安光電在 2010年完成的青海1MW CPV示范性電站，三安光電計(jì)劃青海二期2MW項(xiàng)目在 2011年底前完成。此外，上海聚恒在2011年初完成了青島200kW的CPV電站項(xiàng)目。聚光光伏并不缺少市場(chǎng)，只是該市場(chǎng)需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的相關(guān)廠商經(jīng)營(yíng)培養(yǎng)才能壯大。其優(yōu)勢(shì)在于高直射光區(qū)域的大型地面電站，主要的對(duì)手是晶硅電池，哪怕只從晶硅電池市場(chǎng)搶得一小部分的份額，對(duì)于當(dāng)前的高倍聚光光伏安裝量來(lái)說(shuō)，也將是巨大的成長(zhǎng)。

5 結(jié)論

（1)高倍聚光光伏的產(chǎn)業(yè)化即將大范圍鋪開(kāi)，整條產(chǎn)業(yè)鏈都是機(jī)會(huì)。高倍聚光光伏產(chǎn)業(yè)當(dāng)前并沒(méi)有絕對(duì)的龍頭企業(yè)，即使是在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程領(lǐng)先的企業(yè)也沒(méi)有太多的產(chǎn)能，多數(shù)還只是在擴(kuò)產(chǎn)階段。

核心部件聚光電池芯片技術(shù)已有超過(guò)20家公司掌握，大多數(shù)已具備量產(chǎn)能力。該環(huán)節(jié)臺(tái)灣有多家具有LED背景的企業(yè)進(jìn)入，但無(wú)論電池效率還是量產(chǎn)進(jìn)程，均與歐美領(lǐng)先企業(yè)有一定差距，須加快步伐追趕。

芯片接受器環(huán)節(jié)目前只有少數(shù)幾家企業(yè)進(jìn)入，值得投資者關(guān)注。該環(huán)節(jié)未來(lái)的方向由芯片廠商垂直整合，或者由單獨(dú)的幾個(gè)大廠生產(chǎn)，這取決于產(chǎn)業(yè)鏈參與者的實(shí)力對(duì)比。

光學(xué)器件和跟蹤系統(tǒng)在聚光光伏系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)作方面起著極為重要的作用，該部分的可靠性問(wèn)題目前業(yè)界并沒(méi)有很好的解決，而這就意味著有機(jī)會(huì)。

高倍聚光光伏產(chǎn)業(yè)正處在跑馬圈地時(shí)期，產(chǎn)業(yè)化即將大范圍鋪開(kāi)，整體產(chǎn)業(yè)鏈都是機(jī)會(huì)。

（2)CPV系統(tǒng)規(guī)?；笥休^大成本降低空間，有望產(chǎn)生第二個(gè)First Solar。在成本方面，以10MW規(guī)模的高倍聚光光伏技術(shù)和超過(guò) 15GW規(guī)模的晶硅電池技術(shù)比較是不合理的。當(dāng)聚光光伏規(guī)模幾十倍、上百倍地成長(zhǎng)之后，將有巨大的成本降低空間，尤其高倍聚光光光伏只使用很少的半導(dǎo)體材料。在高倍聚光光伏發(fā)展中，有望產(chǎn)生第二個(gè)類似First Solar的企業(yè)，在極短的時(shí)間擴(kuò)大規(guī)模，成長(zhǎng)為行業(yè)龍頭企業(yè)。以當(dāng)前的市場(chǎng)份額來(lái)看，美國(guó)Concentrix Solar、Amonix和SolFocus占據(jù)最多電站市場(chǎng)，處于領(lǐng)先，但這幾家企業(yè)并不生產(chǎn)芯片。芯片制造方面，美國(guó)多家企業(yè)處于領(lǐng)先。迅速竄起的Solar Junction以43.5%的電池效率領(lǐng)先。大陸的三安光電正在進(jìn)行全產(chǎn)業(yè)鏈整合，業(yè)務(wù)涉及芯片、接收器、元件、系統(tǒng)和電站，規(guī)劃到 2015年實(shí)現(xiàn)1GW產(chǎn)能，有較大發(fā)展?jié)摿?。但產(chǎn)業(yè)處在大規(guī)模發(fā)展初期，未來(lái)亦充滿眾多變量，機(jī)會(huì)是有的，不過(guò)一切只能是事在人為。