四、蓄勢：在黎明破曉前

（世紀之交至2003年）

1.全球光伏產(chǎn)量緩慢增長

晶硅電池一直是太陽能光伏電池的主導產(chǎn)品。尤其值得關(guān)注的是，從1998年世界范圍內(nèi)多晶硅電池以79.9兆瓦首次超過單晶硅電池75兆瓦的產(chǎn)量之后，多晶硅的占比就不斷提升。在2000年，多晶硅產(chǎn)量實現(xiàn)了較大飛躍，市場份額提升至48.2%，單晶硅下降至37.4%，而到了2001年，多晶硅電池的市場份額繼續(xù)取代單晶硅占據(jù)市場主導地位，產(chǎn)量占50.2%，單晶硅只占34.6%。

只不過對于多晶硅和單晶硅的技術(shù)之爭，在這一時期并沒有顯現(xiàn)出來，也為之后行業(yè)中存在的巨大爭議，乃至企業(yè)發(fā)展的方向選擇留下了一個重要的議題。單晶硅組件技術(shù)起步早也相對成熟，主要用單晶硅片制造，其晶體相對完整，光學、理學和電學的性能均勻一致，純度較高，載流子遷移率高，串聯(lián)電阻小，和其他光伏組件相比，性能更加穩(wěn)定，光電轉(zhuǎn)化率高，但是成本很高。由此，在隨后的很長一段時間里，采用低成本的方式改進區(qū)熔法生長太陽能電池用單晶硅也成了一個重要的方向。

多晶硅材料是由許多不同晶向的小顆粒單晶硅組成的，在小顆粒的單晶晶粒內(nèi)部，硅原子呈周期性的有序排列。從組件的技術(shù)角度來說，在這些晶粒內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)化機制完全不同于單晶硅：由于已受到不同晶粒干擾，多晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率比單晶硅略低，且其光學、電學、力學的一致性也不如單晶硅。不過，隨著持續(xù)發(fā)展，多晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率也在逐步提高。當時，國內(nèi)外主要多晶硅生產(chǎn)方法仍然是西門子法及改良西門子法，應(yīng)用占比超過80%，產(chǎn)能高度集中在美、日、德三國。

非晶硅電池方面，在21世紀初，總體產(chǎn)量仍然很小，占市場份額不到10%。有一些廠家開始進入薄膜電池的生產(chǎn)領(lǐng)域，但產(chǎn)量一直非常微?。?003年26兆瓦，占總量的3.4%）。在薄膜電池中，很?。?微米）的光電材料鋪在襯底上，能夠有效減少半導體材料的消耗量，也容易形成批量生產(chǎn)（其單位面積是第一代太陽電池的100倍），從而可以有效降低太陽能電池的成本。薄膜電池的材料主要有多晶硅、非晶硅、CIS以及CdTe。其中，多晶硅薄膜電池技術(shù)較為成熟，生長技術(shù)包括液相外延生長法、低壓化學氣象沉淀法、快熱化學氣相沉淀法、催化化學氣相沉淀法、等離子增強化學氣相沉淀法、超高真空化學氣相沉淀法、固相晶化法和區(qū)熔再結(jié)晶法。澳大利亞南威爾士大學太陽能電池研究小組對此進行了大量研究并頗有成果，Pacific Solar公司也從1998年開始研發(fā)并生產(chǎn)。在這一時期，CIS電池的產(chǎn)量為4兆瓦，CdTe電池產(chǎn)量3兆瓦，Sanyo公司還生產(chǎn)了超過30兆瓦的基于晶體硅片上的非晶硅電池。這當中還有一個小插曲，CdTe技術(shù)的先驅(qū)Matsushita電池公司因為該技術(shù)運用了有毒的鎘元素，遭到日本消費者的抵制進而停止了技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)品的生產(chǎn)。薄膜電池很大程度上解決了太陽能電池的成本問題，但是效率相對較低。晶硅電池不可替代的地位難以撼動。

在轉(zhuǎn)換率上，單晶硅電池的效率已經(jīng)能夠達到24.7%，多晶硅達到19.8%。這2個最高效率都是已經(jīng)出現(xiàn)多次的南威爾士大學創(chuàng)造的。在生產(chǎn)中，日本三洋公司的單晶硅（α-Si/C-Si結(jié)構(gòu)）電池轉(zhuǎn)換率超過20%，德國研究機構(gòu)的多晶硅生產(chǎn)轉(zhuǎn)換率達到16.8%，德國ASE公司片狀晶體硅電池效率達14.5%，美國Astro Power帶狀多晶硅電池效率也超過15%。非晶硅電池實驗室轉(zhuǎn)換率效率突破了20%，CdTe電池效率達16%，CIS為18.8%。

1999年，在以色列召開的世界太陽能大會明確提出，當代太陽能科技發(fā)展的兩大趨勢，一是光電結(jié)合，二是光伏與建筑的結(jié)合。光伏建筑采用光電材料，通過電池吸收太陽能轉(zhuǎn)換為電能，既無污染又無噪音，除了能夠供給建筑內(nèi)部用電，有的還能將多余的電力輸入電網(wǎng)。德國、美國、丹麥、日本、荷蘭等國都在持續(xù)進行相關(guān)開發(fā)、研制和建設(shè)。在21世紀初，建筑一體化太陽能發(fā)電技術(shù)包括兩種，其一是將普通太陽能組件通過施工與周圍建筑材料相結(jié)合，組件之間和組件與建材之間的間隙需要另行處理。這種類型相對成本低，可通過大型支架的安裝形成大規(guī)模光伏發(fā)電站，缺點是無法直接代替建筑材料，會造成建材的重疊和浪費，施工成本高。其二則是建材型太陽能組件。出廠時就把太陽能電池芯片直接封裝在特殊建材上，設(shè)計有防雨結(jié)構(gòu)，施工時按照模塊方式進行拼裝，實現(xiàn)集發(fā)電功能和建材功能于一體的效果，施工成本低。但由于必須適應(yīng)不同的建筑尺寸，很難在同一流水線上進行大規(guī)模生產(chǎn)，有時甚至需要投入大量人力進行手工操作，導致生產(chǎn)成本相對較高。不論哪一種類，各國都進行了諸多有益的探索，例如，德國的雷納爾柏科技園，在屋頂裝有當時世界最大的一體化光電發(fā)生器，每年發(fā)電量達20萬千瓦。再如，美國薩克拉門托市國際機場裝有128千瓦的太陽光伏發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)出的電力除了能夠提供充電站為電車充電，還可以給其他設(shè)備供電。在推廣應(yīng)用的過程中，建筑師將各類光電材料應(yīng)用于設(shè)計構(gòu)思里，屋面不再局限于坡屋頂，利用光電材料將建筑屋面做成的弧形和球形屋頂，可以吸收更多太陽能；電池板的安裝也更加自由合理，可以結(jié)合陽臺欄板或者利用半透明的光電玻璃代替玻璃幕墻，形成具有現(xiàn)代風格的建筑。德國蒙塞尼大學采用透光型太陽光發(fā)電幕墻，芯片加在玻璃板之間，占總面積的70%，也就是總透光率為30%，這樣透過幕墻既可以看到外面的景物，也可以降低玻璃刺眼的影響。美國加州電力公司停車場設(shè)置了大量太陽能電池板，在作為停車場遮陽頂棚的同時，又將光能轉(zhuǎn)化為辦公樓和為汽車充電的電能。此外，太陽能光電材料還被嘗試安裝在交通設(shè)施中，如停車場、加油站的屋頂和高速公路護欄的兩側(cè)。有的還與景觀小品、路燈相結(jié)合。

從1980年代末，歐洲就開始關(guān)注建筑節(jié)能問題，提出“低能耗建筑”的概念，并進一步提出“零能耗建筑”的目標。零能耗建筑是指在滿足被動式房屋標準的前提下，其余的能源需求完全由可再生能源供給，這無疑成為上述光伏建筑的進一步延伸。其中，零能耗太陽能住宅是重要組成，通過被動式太陽能建筑設(shè)計，采用新型節(jié)能燈具、優(yōu)化的暖通空調(diào)技術(shù)、樓宇智能控制系統(tǒng)和建筑運行管理中的優(yōu)化，以減少能耗并達到標準。被動式太陽能利用，主要是指通過建筑場地布局、建筑形體、建筑內(nèi)部空間組織、門窗設(shè)計、通風與空氣氣密性和太陽房溫室設(shè)計等方式，在不依靠設(shè)備的情況下，利用太陽能進行采暖制冷，從而減少建筑能耗。2002年開始，美國能源部主辦了太陽能十項全能競賽，這是國際上最具影響力的零能耗太陽能建筑科技示范項目，競賽起初是以大學為參賽單位，設(shè)計建造并運行一棟面積不超過74平方米的太陽能住宅，并將其運往華盛頓國家廣場進行一場為期一周的現(xiàn)場競賽。競賽期間，太陽能住宅的所有運行能量完全由太陽能光熱、光電裝置供給。此項比賽在多年后逐漸發(fā)展到歐洲和亞洲，并將相關(guān)研發(fā)推向了更高的國際水平。