日本光伏发电技术发展回顾

来源：科技之光   2002-01-28 09:20:31
当人类满怀希望阔步迈入二十一世纪之后，世界各国都在绿色能源技术研究方面投入巨资，以下是日本光伏发电技术研究的发展与总结：
一、日本光电的发展阶段
第一阶段在第一次石油危机后，日通产省于1974年制订了以发展太阳能为主的可再生能源代油的技术研究开发中长期规划，即有名的阳光计划。在光伏电池方面的目标即把用于宇航的技术移植到地面来应用。初期进展不快，仅把技术成熟的单晶硅、多晶硅电池用在家用计算器、灯标和弧岛柴油发电的补充电源等处。接着发生的第二次石油危机加强了其开发的紧迫感，于是成立了NEDO（原名新能源综合开发机构，现改名新能源产业技术综合开发机构）负责光电产业化的一条龙管理，在政府加大开发资金的条件下，加速了光伏电池产业化的技术开发：（a）继续开发提高光电转换效率高的新材料、新工艺以为长远服务；（b）大力进行降低造价的新材料、新工艺开发，为加速产业化创造基本条件；（c）积极开发配套用的蓄电池、整流器及和电网连接的技术；（d）在上述条件基本过关后，通过大量多种示范实用化验证工程，以在长期运行中发现问题并据以改进，如重点的电源工程，十大电力公司均参与，最大的一户达3O0kWp。
在上述方针措施的推动下，光伏电池的生产成本和技术均有很大进步。如1988年以京陶、夏普和三洋电机为主的光伏电池行业产量达到12.8MWp，超过美国的11.7MWp而居世界第一。每Wp的售价亦由1979年的2-3万日元下降到8O0日元。光电转换效率均有提高，如多晶硅铸造基板由1984年的12.7%提高到1988年的15.7%，非晶硅亦由1985年的8.25%提高到1988年的10.1%。
第二阶段从1988年-1994年，要求售价再降20%以便广泛用于通讯、路灯和屋外钟等小型电源。同时由于社会环保意识的提高，人们要求早日用上清洁的光电，在电力公司独立电源用示范项目成功的基础上，除扩大到公园、学校、医院、展览馆等公用设施的示范工程试验外，还及时开展了市场庞大的民用住宅屋顶光电的应用示范工程，并于1993年结束，证明技术上已基本过关，关键是经济问题。在品种技术的开发上亦有很大进步，基本上达到国际先进水平。但大量的独立电源示范工程亦于1993年验收，新的订货不多，故1994年的产量反比1992年下降并被美国超过而退居第二。
第三阶段1993年制定的新日光计划仍把光电作为重点项目。初步分析光电技术已达应用水平，但售价过高成为影响推广应用的关键因素。为此，开发重点应放在降低光电成本的低价高效材料和技术，同时认为扩大生产规模是降低成本的主要条件。鉴于1992年世界环发大会后，民众对降低CO2等问题的重视，通产省决定从1994年开始，实施住宅用光电系统的优惠政策，即对每户居民住宅用光电系统（含整流器、蓄电池和电网连接系统）的采用（含施工费）补助总造价的1／2，对住宅建设商亦采取同样补助，从而大大促进了住宅用光电的推广。尽管这一段日本处于泡沫经济破灭后的不景气时期，居民申请上光电的仍十分踊跃，如从1994-1999年的6年间累计实施3.3万件共121MWp。由于1997年京都会议后各地方自治体对降低CO2中光电的作用重大有了进一步认识，1998年后政府又增加了地方自治体代为申请的渠道，至2O00年申请达2.6万件，合计共96MWp，成为前5年合计水平。加上由名古屋市带头资助市层公共设施新设光电系统（2000）年共补助68件，合计298MWp），推广后大大扩大了光电系统的生产量，2O00年达129MWp的水平又超过美国而居世界第一。
二、日本快速发展光电的主要经验
从国土面积、人口总数对比，日本均次于经济发展水平相仿的美国和欧盟，但2O00年的光电产量和应用量均超过美、欧，这一经验很值得我们借鉴。主要有以下几点：
1．作为国策来抓，从长远出发，坚持不懈
日本从国土狭小带来的资源短缺和环境容量小等不利条件出发，把发展光电作为国策，制定长远规划和分段计划，坚持不懈地狠抓不止，并及时根据当时的主要矛盾采取有效措施推进。如在石油危机后作为代油的主要措施，纳入日光计划由NEDO统一组织，除抓新技术开发处，并大力资助成熟技术的及时较化，到1988年不仅把过去用于空间的光电技术转为地表应用，在产量上亦超过美国而居世界第一。1992年巴西环发大会后，环保和生态问题为社会广泛重视，通产省又及时把发展光电作为改善城乡环境保护和抑制地球生态环境恶化的主要措施纳入新日光计划，除狠抓新技术的应用开发外，并对居民住宅用屋顶光电及公共设施用光电，采取了补助造价1／3-1／2的优惠政策。同时从管理上简化，允许按24日元／kWh的家用电价余电上网，使用户约在10年左右收回投资。环境意识的加强加上合理的优惠政策，使光电得到了快速发展；同时生产规模的扩大又促进成本的降低，又为加速推广创造了条件。导致2O00年的光伏电池产量又居世界第一。日本政府为贯彻可持续发展方针，于2O00年又颁布了“建设循环型社会基本法”，要求进一步加快发展光电，初步规划到2010年达到5000MWp，其中住宅用30O0MWp以上，发电成本达25日元／kWh，基本同上网电价。2030年达52.5-82GWp，发电成本达到和常规火电的水平。
2．通过优惠政策加速推广
为推广光电，日本从1980年到2O00年的20年内，连同科研开发费、示范工程费和推广补助费共耗资约3O00亿日元，对光电的发展起了积极的推动作用，尤以1994年到2O00年的住宅屋顶光电补助费的效果最为明显。它加上其它方面的努力，使2O00年的产量达到1994年的7.5倍，使光电池系统造价和发电成本均降到原来的1／4-1／3，效果尤为突出。
住宅屋顶光电系统一般为3kWp、由光伏电池、整流器、蓄电池和上网系统组成，余电可以上网，阴天和夜晚亦可从电网受电。日本政府于1993年分析，对设备和施工费补助1／2后，居民一般在10年内可回收投资，若由住宅销售商将光电地板和屋顶建材一体化后还可以缩短。在1993年示范工程验收后1994年正式推广。在1994年-1996年期间共实施3590件，合3.3MWp，便使每KWp的补助费由200万日元下降到1O0-120万日元，下降幅度之大超过了第二阶段6年的水平。加上1995年的“电气事业法”修订放宽了对光电的管制后，1997年和1998年又猛增至5654件和6352件，5年合计15556件，共56.29MWp，1998年的光电产量达1994年的3倍。据此，从1999年起将住宅光电补助费减为造价的1／3，但申请上住宅光电的1999年又跃升至17396件，2O00年上半年因超预算而提前截止，仍达8034件；下半年又将补助费由上半年的每KWp27万日元减至18万日元但申请等仍十分踊跃，到9月3日截止时已达10873件，全年仍比1999年高8.7%。加上1998年后对公共设施、工厂和旅游区实施类似的补助政策，使2000年的光伏电池跃升至1998年的2.6倍，光电成本和造价亦大幅下降至1／3-1／4左右。鉴于电价和发电成本仍有一定距离，日本政府拟继续加大补助（由1999年的160亿日元和20O0年的145亿日元扩大到2001年的236亿日元），以通过扩大推广为生产扩大规模以迅速降低成本创造条件，力争2O03年发电成本达家用电价水平而停止补助。
3．在光电的开发上注重实用化目标
除开发少数有发展前景的新材料光伏电池外，重点放在有关降低成本方面，如材料薄型化，通过积层化以提高效率，和建材一体化以降低总体造价，改进系统设计，扩大应用范围等方面。亦为光电迅速降低成本作出了积极的贡献，以NEDO选定的今后5年计划项目说明如下。
项目为薄膜光伏电池和下一代发电系统，目标是发电成本为25日元／kWh，5年总投资44亿日元，具体内容和承担单位如下：
（1）先进技术开发：（a）薄膜复合光电池的制造技术（钟渊化工），（b）微晶硅的复合型光伏电池的高速、大面积低成本制膜技术（三菱重工产业综合研），（c）环保型大面积CIS薄膜光伏电池制造技术（昭和壳牌石油），（d）用高速真空制造光伏电池技术（松下电工），（e）关于集光发电技术（夏普、大同特纲等）。
（2）普及技术调研：光电评价及资助技术（产业技术综合所等）、硅电池的再生利用技术（夏普等）、CIS薄膜电池的再生利用技术（昭和壳牌石油等）、光伏电用玻璃的再生技术（旭硝子等）、光伏电池适当处理的社会系统研究（光电技术研究组合）、关于光电系统的电磁环境性研究（电气安环所）。
（3）下一代光电技术：包括镀先驱物的CIS薄膜光伏电池研发（新光电气工业），纳米结构控制硅电池研发（产业技术所等）、带有微观分散型塑性分布的硅锗多晶光伏电池开发（东京大学金属所）、完全固体型色素增感光伏电池开发（东京大学等），用Cat-CVD法制低价光伏电池的研发（北陵先端科技大学等）、低价高性能色素增感型光伏电池的研发等。