认清方向开拓创新给力内需稳中求进①——关注光伏产业，创新金刚石应用

王光祖，耿直

（郑州磨料磨具磨削研究所，河南郑州450007）

1 环境保护的严峻性与开发新型能源的战略性

人类赖以生存的地球环境正在发生急剧的恶化，南北半球的高山冰川和积雪消融的加速、全球海平面上升加速、极端气候日益频繁的出现……而CO2作为最主要的温室气体，是导致气候变化的罪魁祸首。向大气释放的CO2中，80%以上来自于传统矿物能源的消耗，越来越多的警示告诉我们必须节能减排，必须扶持绿色可再生能源的发展。

电能的使用是现代社会不可或缺的标志，多年来，人们利用矿物燃料发电，水力发电，潮汐发电，风力发电，并且随着矿物燃料资源的枯竭和技术的不断发展，人们将目光投向了核能发电和光能发电。核能发电已经得到相当多的使用，然而，当相继发生核泄漏事故之后，光伏发电则凸显独特的优势。光伏发电最重要的特征是保护气候。光伏发电在发电过程中基本不排放CO2，可以为减缓气候变化作出贡献。据统计，光伏发电系统每发电1亿k Wh，可以节省标准煤4万t，可以减少4.5万t CO2的排放，减少粉尘486t、减排灰渣约1万t、减排SO2约756t。

其次，光伏发电不产生传统发电技术（例如燃料发电和核能发电）带来的污染物排放和安全问题，也没有废渣和噪音污染。

光伏发电是利用半导体面的光生伏特效应，将光能直接转变为电能的技术。该技术的推广应用将摆脱传统发电方式对煤炭资源的依赖。为实现能源和环境的可持续发展，世界各国均将太阳能光伏发电作为新能源和可再生能源发展的重点。2000～2009年，可再生能源中并网光伏发电的年平均增长最快，达到60%以上，并网光伏发电正日益发挥替代能源的作用。

开发利用丰富的太阳能，不但对环境不产生或产生很少污染，而且太阳能既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的重要组成部分，并且是以光伏发电为基本形态而组成的大规模发电系统。无论从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从特殊途径解决现实能源供应问题出发，开发和利用太阳能发电资源都具有重要战略意义［1－4］。

太阳能光伏发电技术是一种清洁的可再生能源。是传统化石能源最为重要的替代能源之一，不产生任何有害气体和有害物质，因此是绿色环保能源。

具有以下特点：没有转动部件，不产生噪音；没有有害气体污染，不排放废物；没有燃烧过程，不需要燃料；维护保养简单，维护费用低；运行可靠，稳定性好；关键部件的太阳能电池使用寿命长，晶体硅太阳能电池寿命可达25年以上，易增容。光伏发电最重要的特征是保护气候。光伏发电在发电过程中基本不排放CO2，可以为减缓气候变化作出贡献。

我国的太阳能资源十分丰富，如果光伏技术在将来可以大规模付诸应用，不仅可以提供未来国民经济发展的电力能源，还可以降低室温气体和污染物的排放，而且可以创造更多的就业机会，这对国民经济发展、生态环境保护和社会稳定具有十分积极的意义。

2 发展光伏产业的迫切性

煤、石油、天然气……这些积蓄了亿万年的化石能源，经过数百年的巨大消耗，已经不可逆转地走向枯竭。世界各国的能源研究机构和专家经过缜密的测算，得出了比较一致的结论：全球化石燃料的生产和消耗峰值将出现在2030～2040年之间。图1给出了中国主要能源储量和世界能源储量对比。

图1 中国主要能源储量和世界对比Fig.1 Comparison between major energy reserves in China and those of the world

面对日益枯竭的传统能源，人们在不断地寻找替代能源。从核能发电问世以来，被作为替代性的能源得到重视，但是切尔诺贝利和福岛核电站的泄漏事件，以及核废料的处理给环境构成的巨大安全威胁，促使公众更加审慎地对待未来的替代能源。而资源无限，不会造成污染的光伏发电，或将成为今后替代能源的首选。

3 技术发展的先天性

传统矿物资源的枯竭和环境问题的日益恶化，促使人类将目光转向取之不尽、用之不竭、清洁无污染，随时可开发的太阳能资源，据统计计算，太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，如果把到达地球表面0.1%的太阳能转换为电能，以5%的转换效率计算，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍，因此，光伏发电技术是近年来发展最快、最具活力的研究领域之一。

太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于燃烧500万吨标准煤，人类一年消耗的能源是130万亿千瓦时，而地球接受的太阳能每年是120万万亿千瓦时，是人类当今消耗能源的一万倍。因此，太阳能被认为是最廉价的可再生能源，广泛受到世界各国的高度重视。

中国2／3的囯土面积日照时数在2200h以上，年太阳幅射总量超过每平方米5000MJ，为发展光伏产业提供了良好的先天条件。

中国太阳辐射开阔地利用小时数平均1350小时。我国沙漠、沙化土地120万平方公里，2平方公里可以安装100MW，1%的荒漠可安装，则能装600GW，即6亿千瓦。

4 技术上的可行性

太阳能电池的发展已经历了三代：笫一代为单晶硅太阳能电池；第二代为多晶硅、非晶硅等太阳能电池；第三代是铜铟镓（CIGS）薄膜太阳能电池。

不过从目前市场构成来看，晶体硅电池仍然是目前太阳能光伏电池的主流。晶体硅电池主要应用于太阳能屋顶电站，是目前技术最成熟、应用最广泛的太阳能光伏产品，所占世界光伏市场份额超过80%。

在硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转换效率最高（16%～20%），技术也最为成熟，但成本居高不下。多晶硅太阳能电池成本低，但转化效率一般为14%～16%，不过由于当前生产工艺成熟，已成为占有率最高的主流产品。薄膜太阳能电池虽然成本低，但存在转化率低（5%～7%），光致衰退性能不稳定等缺点。目前，已产业化的薄膜光伏电池材料有三种：非晶硅（α－Si）、铜铟硒（CIS）、铜铟镓（CIGS）和鍗化镉（Cd Te），其中非晶硅薄膜电池生产比重最大。

5 太阳能电池材料特点的多样性

从技术上讲，晶体硅并不是最佳材料，其中光电转换效率亦非最佳；从成本上来说，晶体硅电池成本偏高，其市场价格约为＄3／Wp～＄4／Wp。因此，进一步发展高转换率和低成本的太阳能电池就成为光伏领域必然的发展趋势［5，6］。

从光电转换效率来讲，Ga As基多结太阳能电池的转换效率已经突破35.8%［7］。是目前所有太阳能电池中最高的，但是，Ga、In、P、Ge等都属稀有元素，其成本远大于硅电池的材料成本，而电池片的价格是光伏系统成本最主要部分。因此，较高的发电成本制约了其大规模地面应用。

从降低成本来说，薄膜技术近年来异军突起，世界第二大光伏生产商First solar主要以薄膜太阳能电池为主。有望成为光伏电池技术未来发展趋势之一［8］。目前已商业化生产的薄膜电池有三种：非晶硅（α－Si）、铜铟硒（CIS）和鍗化镉｛Cd Te｝。

更有希望的薄膜太阳能电池是多晶薄膜太阳能电池。与传统多晶硅太阳能电池相比，制造多晶硅薄膜电池可以节省硅材料70%以上，减少能耗60%以上，可显著降低电池制造过程中碳的排放。因此，研制多晶硅薄膜太阳能电池具有更大的经济效益和社会效益。

6 世界光伏产业发展的计划性

世界上将光伏产业的发展趋势分为三个阶段：

6.1 近期发展趋势

Solar Annual认为2007～2011年内太阳能电池产量仍将持续增长，且仍以晶体硅太阳能电池为主。

太阳能电池组装件随着成本迅速降低，高纯硅材料价格从2008年10月的3.55美元∕Wp，降低到2009年12月的1.78美元∕Wp。

2011～2013年光伏发电可实现平价上网，美国对光伏发电成本下降的预测相当乐观。认为2015年前后光伏发电成本将与常规发电成本相一致。

6.2 中期发展趋势

按照欧洲2020年光伏新发展计划，到2020年，装机容量为400GW，而美国奥巴马政府2020年的宏伟发展目标则将实现装机容量350GW。

6.3 远期发展趋势

根据欧盟委员会联合研究中心（JRC）预测，到2030年可再生能源在世界能源结构中占30%以上，太阳能光伏发电在世界电力供应总量中占10%以上；2040年可再生能源将占世界能源消费总量的50%以上，太阳能光伏发电在世界电力供应总量中占20%以上；到本世纪末，可再生能源将在世界能源结构中占到80%以上，而太阳能发电将在世界电力供应总量中占60%以上。

7 金刚石线锯加工技术的先进性

高新行业中使用之材料，经常属于高单价的材料，例如单晶硅、多晶硅和蓝宝石。“硅”是一种存在于地壳中仅次于“氧”的元素，其特性为硬脆，莫氏硬度6.5，可依需要制作成单、多晶硅，广泛使用在集成电路基板、绿色能源如太阳能电池上。由于材料制造成本昂贵，加工中多要求精度高，加工效率快，材料损失小及洁净的加工环境。因此，在光伏产业整个产业链中，硅片生产是多晶硅或单晶硅光伏电池技术中成本最昂贵的部分。

当晶圆直径达到Ф300mm时，内圆刀片的外径将达到1.18m，内径为410mm，这会在制造、安装与调试上带来很多困难。所以，后期主要发展线切割为主的硅片切割技术。随着300mm和更大直径的单晶和多晶硅铸锭出现以及对更薄硅片的需求，上世纪90年代出现了多线锯，它可以高效率地切割大直径薄硅片，目前成为硅片切割最常用的方法。

晶硅片的线切割方式有两种，即游离磨料式钢丝线锯切割和固结金刚石线锯切割，而固结金刚石线锯比游离磨料式钢丝线锯具有明显的优势［9－10］：

（1）切割效率成倍提高，线锯材料消耗大幅降低，减少故障时间，从而降低总成本（TCO）支出。

（2）避免使用由聚乙二醇和碳化硅组成的研磨浆液，从而解决了废料回收的难题。

（3）采用金刚石线锯能改善晶片的质量。

（4）能降低金属的污染。如使用≤Φ0.1mm的线锯切割，污染将更少。

国外金刚石线锯尤其是金刚石多线锯在晶片切割中的应用，也是最近几年发展起来的。在台湾和日本两地大量推广使用，使用率已达到80%，而欧美的金刚石线锯仅有20%。目前，多线锯切割机厂家为适应两种切割方式，进行了大力改进，线速度提高到1000m∕min以上，进给速度提高到0～15mm∕min。

我国金刚石线切割技术研发的难点：

（1）线材的合理选择。不但要求有最高的拉伸强度，还要有好的抗疲劳强度。

（2）保证整条线锯上金刚石电镀的均匀性和质量的稳定性。

（3）产业化生产工艺及其成套技术设备的设计与制造。

（4）科研基础薄弱，许多先进的核心技术依然被欧美日等掌握。

（5）强有力的光伏产业技术战略同盟尚未形成。

为了迎合新材料、新能源等战略性高新产业的发展势头，我们必须在稳中求进中，调整和优化产业结构，强势开发和研究包括金刚石线锯在内的用于加工硬脆贵重材料的金刚石工具，才能取得突破性的高速发展。

2011年2月在上海举行的世界最大的第五届国际太阳能产业及光伏工程展览会上，制造设备和加工工具是国外知名品牌厂商的天下。国外多线切割机报价少则600万元∕台，多则1000万元∕台，而同样性能的国产多线切割机只要200万元∕台。

用于太阳能电池的硅片厚度仅有0.18～0.25mm，其厚度误差（TTV）要求10～20μm，对硅片要求极高，表面不能有细微裂纹和划痕，不能有弯曲、凹凸的形貌缺陷。

在多线切割设备技术和制造领域，瑞士、日本、美国和德国等工业发达国家处于领先水平

吕智等提出：“要以战略的眼光考量金刚石线锯技术对于发展光伏产业、电子产业的作用，降低太阳能成本将起到十分重要的关键作用。”因而要密切关注和追踪最新金刚石线锯的发展动态，不断创新，缩短差距，努力追赶世界先进水平。

近年来太阳能行业对大面积薄硅片的需求量不断增加。据统计，80%的太阳能电池都要求使用大直径多晶硅锭。随着光伏电池技术发展，要求硅片的厚度不断降低，从1990年的400μm到2005年的240μm，同时单晶硅片的面积也从100cm2增加到240cm2，光伏电池的效率从10%增加到现在的13%。随着3G技术的进一步发展，将来对柔性、透明、超薄（40μm）硅片的需求量也逐步增加。但是太阳能电池用的硅片的切割成本一直居高不下，占总的制造成本的30%左右。

随着对硅晶体切割厚度、质量和效率要求的不断提高，对相应的切割设备和切割工具也提出了更高的要求。传统硅片切割使用的是金刚石外圆和内圆切割。外圆切割由于受外圆锯片刚度的影响，硅片的切缝较大（1mm左右），而且切割硅片的直径也一般限制在100mm以内。内圆切割由于在外圆部分夹紧，这使内圆锯片的刚性提高，其切缝也可以达到300μm左右。由于在切缝和切割直径上的优势，内圆切割成为切割直径为150～200mm硅片的主要方法。

固着磨料线鋸切片技术，以其鋸口损耗小，精度好和切割环境清洁等优点［10］，有望成为单晶硅等硬脆材料切片的未来发展方向。

由于固着磨料多线锯的诸多优点，已经逐渐取代游离磨料多线锯。但目前受磨料在基体上固着方法的限制，金刚石磨料与锯丝基体结合强度不高，锯丝的寿命也受到限制。因此，使用更细、强度更高的锯丝基体，提高锯丝的寿命，改进多线锯锯切工艺参数，减小切缝宽度，提高切割晶体表面质量将是硅片精密切割多线锯的研究和发展方向。这一动向应引起我们的高度重视。

8 多晶硅技术与价格的挑战性

光伏行业是一个高度国际化市场，中国的多晶硅组件98%依靠出口，中国的光伏组件企业也进口国外的多晶硅料。就多晶硅而言，现在国外一些企业已经能够做到30美元／公斤的成本，但国内大多数企业成本仍然在50美元／公斤左右。

中国多晶硅成本之所以这么高，是因为多晶硅材料并不属于劳动密集型产业，企业都是规模化和高度自动化的，而中国大多数多晶硅材料企业都是成套引进国外设备，并不掌握核心技术，多晶硅技术一直被国外8家大公司垄断。与发达国家相比，国内生产多晶硅能耗高而且产品质量不稳定［11］。

由于一直没有掌握真正核心的多晶硅生产技术，我国多晶硅生产能耗和成本较高，成为太阳能光伏产业发展中的一道“硬伤”。破解多晶硅生产技术的瓶颈，提高全行业技术水平，进而提高综合竞争力，已经是国内多晶硅行业能否健康发展的关键。

多晶硅是太阳能光伏电池的主要原材料。2007年多晶硅管最高卖到400美元／公斤，国内许多企业在暴利的吸引下蜂拥而至，产量迅速增加。但受金融危机的影响，2008年多晶硅价格骤降。太阳能电池组件伴随着成本的降低迅速降价。高纯多晶硅材料价格从2008年10月的3.55美元／Wp降到2009年12月的1.78美元／Wp。值得注意的是，国外低价多晶硅的大量涌进，将严重冲击作为新兴战略性产业之一的太阳能产业。

与此同时，太阳能产业的不断扩大，使得国内多晶硅的缺口进一步扩大，直接刺激多晶硅进口量增大。2009年我国多晶硅产量为1.8万t～2万t，而需求在4万t左右，约50%需要依赖进口；预计我国多晶硅的产量将达到2.5万t～3万t，仍将有40%～50%的多晶硅需求缺口。

进口多晶硅价格继续下滑，2010年2月份降至47.4美元／公斤，同比下降27.7%，为2009年以来江苏口岸多晶硅月进口均价最低水平

9 政策扶持的重要性

世界各国的光伏激励政策及相关法律的保障对降低光伏发电成本的作用不可忽视。图2给出了美国能源部对光伏价格的预测结果，其中，SAI为美国太阳能先导计划，从这个图中可以看出政策的扶持对光伏发电成本的降低具有十分显著的作用。不难想像，当光伏发电成本与常规能源发电成本相当的时候，它的市场将会更加广阔。

图2 美国能源部对光伏发电价格的预测Fig.2 Predication on the price of electricity generated photovoltaically by the United States

图3给出了世界太阳能电池历年产量的柱形图，可以看出光伏发电已经从“候补能源”逐步向“替代能源”过渡，这其中离不开政策的扶持。众所周知，目前光伏发电成本较传统能源发电来说，相对较高，单纯市场的拉动不可能使光伏产业发展如此迅猛，这主要得益于德国、日本、美国和西班牙各国的鼓励政策。

图3 世界太阳能电池历年产量柱形图Fig.3 The chart of historical solar battery output of the world

10 给力内需确保发展的可持续性

世界光伏产业规模呈现中、日、德三足鼎立格局，中国光伏电池产量并不具备绝对优势，特别是中国光伏产业链的上游发展比较滞后，一度需要大规模进口多晶硅以满足光伏电池生产的需要，即使近几年上游多晶硅的产能扩张很快，但在技术水平，环境治理方面与世界先进水平仍存在较大差距。

与光伏产业高速发展大相径庭的是中国光伏应用市场的发展非常缓慢。中国的光伏应用起步于20世纪70年代，但应用规模很小，直到90年代装机容量才超过1MW。2008年，中国光伏系统的安装总量总计40MW，仅相当于当年太阳能电池生产量的2%，这意味着98%的太阳能电池用于出口。

中国光伏产业发展主要得益于国外市场需求快速增长的拉动。世界光伏市场主要在发达国家。相比之下，中国光伏市场的发展远远滞后于产业的发展，国内光伏产业的应用范围非常有限，90%以上的产品用于出口。

光伏产业表现为“两头在外”的特征，一方面关键的多晶硅材料进口量较大，另一方面产品主要以满足国际市场需求为主，国内市场需求很小，特别是商业化市场规模有限。

我国光伏产业经过近几年发展，已经跃升成为全球最大的光伏产业制造基地，全球最大的15家太阳能电池生产企业中，就有10家来自中国。产能占全球的一半以上，然而光伏产业严重依赖囯外市场，出口比例甚至高达90%，原材料也有一半来自国外，给整个行业的健康发展带来不安定因素。因此，开发光伏产业的国内应用市场已经迫在眉睫！

最近，大家议论的一个较多的话题，就是有很多光伏企业倒闭了！笔者认为那些以“急功近利”为动力的、没有技术含量或低水平重复上马的企业的倒闭，并不是什么坏事，而对未来的发展却是个好事！上述企业倒闭越多越彻底越好，没有什么可惜的。最后需要提醒的是，不要因欧美等工业发达国家债务危机而放缓包括光伏产业在内的工业发展速度，而迷失发展方向。他们是放缓，而不是放弃！今天的放缓，是为未来的快速发展创造条件，积蓄力量！

据了解，我国在制定的新能源“十二五”发展规划中，将光伏装机目标上调至10GW，而去年我国装机容量尚不足900兆瓦，这意味着，“十二五”期间，我国光伏发电的装机容量将增长10倍以上。随着更多扶持政策的出台，随着相关技术越来越成熟，相信我国光伏产业依然会具有广阔的前景。

［1］ 李晓华.中国光伏产业与太阳能热利用产业的发展模式比较［J］.中外能源，2011，16（2）：29－34.

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