光伏发电技术及其关键原料发展风险研究
寿春晖”，于警”，赵力航'，陈新琪”，秦刚华”
（1.浙江浙能技术研究院有限公司，杭州310003；
2.浙江省发展和改革委员会宏观经济研究所，杭州310012）
摘要：从未来高比例可再生能源发电的预期以及光伏发电技术大规模化应用的前景出发，针对当前技术不确定性以及市场风险较高的各种光伏技术路线，建立了一套系统性的评价 体系来判断各自发展的限制性因素和风险.基于经济性、环境友好性和供应风险（稀缺性）三个维度，采用10个具体指标定义各维度的影响因素，研究了具体技术及原料在体系中的位置分布，衡量了核心指标差异，计算了相关发展风险度的分布结果，并量化评价了研究对象的风险指标.根据研究结果，确化锡技术在发展潜力上、晶硅技术在成熟度上分别具有优势，硅原料对光 伏产业具有最好的适应性；未来，新型薄膜技术将在光伏市场占据更大的份额.
关键词：高比例可再生能源；太阳能利用：光伏发电；关键原料；风险评价
中图分类号：TM615文戴标志码：B文章编号：1009-3230（2017)11-0050-05
DevelopmentRiskStudy ofPhotovoltaicTechnology and Key Raw Materials
(1.Zhejiang Energy Group R&D Hangzhou 310003 China; 2. Macroeconomic Research Institute SHOU Chun hui' YU Lei² ZHAO Li hang' CHEN Xin qi' QIN Gang = hua*of Zhejiang Province Development and Reform Commission Hangzhou 310003 China)
Abstract: Based on the expectation of high proportion renewable energy genenation and large scaleapplication of photovoluic ( PV) power techology in the future a sytemticeraluation system istechnical uncertainty and market risk. The technology evaluation system is perised of three dimensions :economy environmental fiendliness and supply risk (scarcity ) and 10 specific indicators are used todefine each dimension. The distribution of the mainstream photovoltaic technology and their key rawtheresults of the sudy CdTeand crystalline ilinhve adantaesinthe develpnt potentil ad materials in the evaluation system is stadied and a quantitative risk evalation is proposed. According totechnical maturity respectively silicon raw materials has the best adaptability for photovoltsic industry ; inthe future thin flm techology willupy a larger share of the PV mrket.
Key words:High proportion of renewable enery; Solar energy utilization; Photovoltaic power; Keyraw materials ; Risk assesment
能源为绝对主导的单一发展模式逐步难以为继；随之而来可再生能源大规模利用逐步开启，能源清洁化、低碳化、可持续化的发展方向将成为主流.高比例可再生能源发电将成为未来我国电力系统的新场景；预计到2050年，太阳能发电将成为电力供应重要支柱，装机容量将达到2697CW，
10
面对全球气候变化的严峻挑战，传统以化石
发电量占比达28.35%[1-2.光伏发电作为一种过研究技术路线及关键原料的位置分布，衡量核发电技术的主要应用形式，将继风力发电之后成技术路线及关键原料风险指标.文中结论可做为为可再生能源发电最重要的增长点.
清洁、可再生、开发潜力巨大的新能源，是太阳能心指标差异，确定技术发展风险度三维分布；量化它领域的技术发展评价. 光伏技术科研及产业发展参考，方法可推广到其
光伏发电技术一般根据主要吸收层材料来分类，其中技术相对成熟的有：三五族化合物半导体类（如砷化家GaAs），多结形式的该类电池在聚光条件下效率已超过44%，为目前发电效率最高的光伏电池；晶硅类（c-Si），占据了全球光伏市场份额的大多数，为当前最成熟、最主流的电池种类；磅化镐（CdTe）、铜钢硒（CICS）、非晶硅（a-Si） 等逐步商用化的薄膜光伏电池类，近年来效率提升明显、技术渐趋成熟，其中确化镉和钢硒的实验室最佳电池效率均已超过21%[-1].另外，还有染料敏化、有机、钙钛矿和量子点电池等多个尚处于研发阶段的种类，有着廉价、环保、技术发展速度快等优点，也存在不稳定、整体效率仍较低等问题，需要进一步的科技投人来继续发展[3.].
1研究方法及关键参数
1.1发展风险评价方法
在资源发展研究中，尤其是做稀缺性风险评价时，往往同时考虑资源供应、政治经济干扰和生态风险等多维度因素与指标（-].借鉴这方面的研究成果，同时立足于光伏发电技术特点，文中考虑其受经济性、环境友好性及供应风险三方面影响的发展情况，建立三维评价体系.通过评价 三个维度上具体技术和原料的发展风险度位置（量化为0-100的数值），最终确定其在体系中的分布.同时计算每种技术和原料分布位置离坐标原点距离，作为总体风险度数值结果（指标C），计算公式如下：
经或正逐步进人大规模利用的光伏技术均存在着 面对未来高比例可再生能源发电的前景，已各自发展的限制性因素，如品硅的高能耗、砷化家原料的低产能、磅化镉和铜钢硒关键材料的稀缺性等，需要一套系统性的评价体系来判断各种光伏技术路线的发展风险，指导产业发展和学术研究.
(1)
式中，SR为技术或原料的供应风险度，EC为经济性风险度，EF为环境友好性风险度.
1.2评价体系影响因素与核心指标设置
文中的三个主要评价维度设置如下：将用原料的储产比（总贮藏量与年产量的比率）、可开采年限（可开采储量与年产量的比率）及循环利用用全球总量；用ATSDR对物质的CERCLA评分、 率三个核心指标来表征供应风险，相关数据均采原料的生产能耗、技术路线单位面积电池制造能耗和制造过程中产生的碳排放量四个核心指标来表征环境友好性风险；用原料价格、电池单位装机原料消耗量以及能量回收期三个核心指标来表征经济性风险；各维度、指标权重均分.
线关键原料的稀缺性来分析相关光伏技术发展前 在国际上已经开展的工作中，有通过技术路景的-，有关注制造工艺与原料价格变化与技术发展关系的-，还有综合技术环保性、可替代性、原料储量和国际分布等具体指标比较分析部分新兴薄膜电池技术发展风险的研究-13].以上研究，或关注对象的局限性较大[，或主要 针对资源储量、价格等单一指标开展0-11或引法完全量化[；尚缺少从多个维度系统性分析并量化评价主流光伏技术路线发展风险的研究.
人了部分较难用单一数据评判的因素导致结果无，1.3技术发展现状与主要参数情况
文中将现阶段相对技术成熟度较高的晶硅、确化辐和铜钢硒”，以及在单结电池中光电转基于此，文中针对晶硅、确化镉、锅钢嫁硒和换效率最高的砷化作为研究对象.研究的光伏关键材料为各技术的吸收层、基底或电极核心原料（7.12-13]包括：硅（Si）、铝（A1）、银（Ag）、镉（Cd）、碲（Te）、铜（Cu）、钢（In）、嫁（Ga）、硒
碑化四种主要光伏技术，从经济性、环境友好性和供应风险（即稀缺性）3方面，采用10个具体指标定义多维度的影响因素，建立系统评价体系；通
（Se）、钼（Mo）、砷（As）.研究对象主要参数情况 见表1.
光伏技术及其关键原料主要参数情况
质量比循环利用 储产比 CERCLA评 能耗 碳排 价格[时 材料用量 能量间 收期技术及原料 例[0 6-D] （0 ]① 限[0-0 ] 可开采年 分 [6-7 0 60]@ - [67]单位 % - 年 - M/kg M/n? g/kWh 万元/吨 W 年c-S 72.12 c 充品/53 0 961 100 2.0 1.3 1.61 3.3A Ag 27.87 0.01 A A 1286/158 100/21 608 685 4154 143 342.7cd 52.70 C 267/28 1319 42 24 34 0.7 0.07 1.2C Te 11.40 47.30 A E 120/63 299/39 821 197 157 34 59.3 4.1In 39.90 E 152/23 288 2573 359.7SOD Ga Se 12.44 13.99 E E 充足/43 422/51 164 776 47 31 51 196.5 0.09 1.7Mo 22.28 B I/EL 407 104 33.5As 48.28 E 31/20 1672 850 145 62 0.06 2.1
①分级标准为；A>50%，Be25%~50%，Cc10%~25%，Dc1%-10%，E<1%. ②分别为原料生产能耗（M/kg）、电池制作能耗（M/m²）.③采用2015年底国际市场价格数据.④测试辐照度条件为（Clebal Imd;1000kW/m²/y），不含确化镍电池.③GaAs电池关键原料Ga的数据参见CICS电池对应列出的相应部分，技术路线中原料质量比例为51.72%. 该数值根据GaAs技术发展水平估算. 为比较各研究对象，表1中主要数据会做无量纲标准化处理，处理方法同相关研究（12-1 5 2]；最终将数据量化为0-100范围的具体数值，越低的数值对应越低的发展风险度；最终根据指标数值，确定技术路线及各关键原材料在体系中的分布情况.原料评价结果将由表1中关键原料的主要参 数计算获得.各技术路线的风险度三维分布与总体风险指标评价结果，将同时计算原料与技术相关的参数；不同原料的数据将以其在具体技术中所占的质量比例作为权重. 2 结果与讨论 图1光伏原料的核心指标分布 2.1核心指标分布结果 回收期作为其经济性核心指标，选用了碳排放量作为其环境友好性核心指标.在其它研究领域中，可根据具体需要选用不同影响因素评价 因子，通过类似文中的核心指标分布图来比较相关技术路线. 为较直观地看到研究对象的发展风险情况，选择了部分关键影响因素与评价指标，计算原料 及技术的风险分布，结果如图1-2所示.在关键原料的三维影响因素中挑选了CERCLA评分作为环境友好性的核心评价指标，选用了原料价格作为经济性的核心评价指标，采用原料可开采年限作为稀缺性的核心评价指标；而在技术路线方面，挑选了单位装机原料消耗量及能量 从图1可以看到，根据CERCLA评分的数据，As和Cd分布于坐标最靠近右边的位置，是最具有毒性的原料；面传统的硅材料则是最安全无害的光伏原料.经济性方面，In、Ag和Ga三种原 图2光伏技术核心指标分布 料相对较贵，Si、Al、Cu、Cd及As原料的价格较低.原料的供应风险方面，Si和AI原料储量丰富，供应风险最低；As与In原料供应风险最高，Cd及Ag的供应也存在一定风险，其他原料均相对充裕.综合以上三方面的指标，Si材料是最佳 的光伏原料. 图3光伏关键原料的风险度三维分布 从图2可以发现，在重点考察环境友好性以及经济性指标的前提下，晶硅技术由于其在原料消耗量以及碳排放量上的劣势，相对几种薄膜电池技术具有更高的发展风险；从相同实测条件下的能量回收期数据上看，晶硅也存在比较明显的劣势，这主要也是由其技术能耗相对更高引起的；综合比较，碲化镉技术在图2中的分布最佳，在环 境友好性和经济性方面具有较低的发展风险. 图4光伏技术风险度三维分布 方面；Ag在全部三方面均具有相对较高的风险度. 2.2风险度三维分布情况 线具体的分布位置方面，CdTe和CIGS技术的特 从图4的结果可以发现：在四种光伏技术路征比较类似，说明其在三个维度上的风险度比例比较接近，整体上CdTe风险度更低；图中其它三种光伏技术的材料供应风险均高于晶硅技术；GaAs技术的环境友好性风险度以及原料供应风险度均较高；晶硅技术基本不存在原料供应风险，但在经济性发展风险上高于其余技术，在环境友 好性方面也表现一般. 图3-4分别为光伏关键原料与各技术路线在风险度评价体系中的三维分布情况. 根据图3所示结果，Si、Se、Al、Cu及Cd几种原料的风险度整体较低（各维度均在50以内）；其中Si材料在三个维度上的风险度均为最低，显示出其最适应光伏产业特点的优越性，这一结果也与 目前为止光伏发电技术发展以硅材料为主的实际情况相符.其余几种关键原料均在一个或几个维度上存在比较高的风险度：Ga原料在经济性方面风险偏高；Te和Mo原料主要在材料供应上风险度较高；As和In原料均在两个维度上分别具有高风险度，As的问题主要在材料供应和本身的环境友好性方面，而In的问题主要在材料供应和经济性 2.3技术路线与关键原料总体风险指标 根据图3、4显示数据，利用公式（1）计算了光伏技术路线及关键原料的总体发展风险指标C值.根据计算结果，四种技术路线中碲化镉技术的发展风险度最低（Ccm=36），晶硅和铜钢硒 [7] JEAN J BROWN P R JAFFE R L et al. Pathwaysfor solar photovoltaics. Energy Eviron. Sei. 2015. 8(4) :1200 1219.tions to terawatt scale solar cells[J]. Solar EnergyMaterials & Solar Cells 2011. 95(12) :3176 3180.The futue prospeet of PV and CSP solar technologies:An expert elicitation survey. Energy Policy 2012. 49 ;308 317.for CdTe and CIGS technologies production costs of in-ies Research & Applications 2012. 20(6) :816 831. dium and tellurium scareity[J]. Progrese in Photovoltaropment: A real concem？ Renewable & Sustainable ap o () y Energy Reviews 2011. 15(9) :4972 -4981.al. Supply risks associsted with CdfTe and CIGS thin film photovoltaics [ J]. Applied Energy 2016.178 ;422 433.for photovolaies in the US; A multi - metric ap-peach[J]. Applied Eneng 2014. 123387 396.rial supply risks--an overview [J]. Resoures Poli-cy 2013. 38(4) :435 447.[15]CRAEDEL T E BARR R CHANDLER C et al. Methodology of metal criticality determination [ J ] .Enviren Sci Technol 2012. 46(2) ;1063 - 1070.Criticality of the geological copper family [ J]. Envi- ron Sei Technol 2011. 46(2) :1071 8.cyeling photovoltsics: An energy payback analysis [J]. Applied Energy 2014. 120: 41 48.GaAs solar modules[J] . Pmogres in Photovoltics Re- Life cyele nsessment of thin film GaAs and GalnP/search & Applications 2007. 15(2) : 163 179.of Indstrial Eeology 2011. 15(3) : 355 366. What do we know about metal recycling rates? Jourmalries 2016.[1]. CERCLA Priority Linst of Hazardous Substances. 2015. 技术发展风险度相对接近（C-=42Cacs=45），碘化嫁技术的发展风险最大（Cc=58）.光伏技术关键原料中，In、As和Ag材料的风险度最高（C值超过60），Cd、Te、Ga和Mo原料的风险相对普通（C值约20~40左右），Cu、Se、Si 和AI材料的风险度最低（C值小于10）. [8]TAO C S JIANG J TAO M. Natural resource limita-[9]BOSETTI V CATENACCI M FIORESE G et al.[10] CANDELISE C WINSKEL M GROSS R. Implications[11] CANDELISE C SPEIRS J GROSS R. Materials a[12] HELBIG C BRADSHAW A M KOLOTZEK C et[13] GOE M GAUSTAD G. Ientifying crical msterids[14]ACHZET B HELBIG C. How to evaluate raw mate-[16]NASSAR N T BARR R BROWNING M et al.[17] COE M GAUSTAD G. Stengthening the case for re[18] MOHR N J SCHERMER J J HUUBREGTS et al.[19] GRAEDEL T E ALLWOOD J BIRAT J et al. g [0][21] Ageney for Toxic Substances and Disae Regjstry 3结束语 (1)在四种技术路线中，硚化镉技术具有相对低的整体发展风险，随着规模化发展的潜力得到进一步释放，将在未来光伏市场上具有较强竞争力. （2）蹄化辐技术的碲、铜钢家硒技术的钢、砷化家技术的砷和晶硅技术的银作为各自技术路线 中的关键原料，发展风险度较高，有可能成为各自技术进一步发展的限制性因素；个别高风险度原料的替代原料研究函待开展. （3）品硅技术作为最成熟的光伏技术路线，目前仍占据绝大部分光伏市场，且在原料稀缺性方面表现最佳；硅材料在三个维度上的风险度均为最低，显示出其最适应光伏产业特点的优越性. （4）以酵化辆、铜钢硒为代表的新型薄膜光伏产业发展潜力大、技术进步快，从环境友好性、经济性角度考察，有望在未来多元化光伏市场中占据相当大的份额. 参考文献 [1]国家发展和改革委员会能源研究所，中国2050高 比例可再生能源发展情景整路径研究[R].2015.[2]鲁家相，李海波，乔颖，含高此例可再生能源电2016. 40(13). 力系统灵活性规划及换战[J].电力系统自动化，[3]POLMAN A KNIGHT M GARNETT E C et al.Photovoltaic materials: Present efficiencies and future challenges. Science 2016. 352(6283 ) :307 317.[4]GREEN M A EMERY K HISHIKAWA Y et al.Photovoltais Resesrch & Applictioes 2016. 24(9) : Solar cell efficieney tables ( version 48 ) . Progress in905 913.[5] Fraunhofer Institute foe Solar Energy Systems ISE.[6]SCHMALENSEE R BULOVIC V ARMSTRONG R Selar photovoltsics report. 2016.-dpop o p jo ann oL 1nary MIT study. 2015.
