奚建平
上海交通大学 特聘教授, 博士生导师
苏州思博露光伏能源科技有限公司 总经理
上海曙海太阳能公司 首席技术长
一. 常规能源技术的危机与新能源技术的机会
众所周知，能源在现代经济的重要地位。纵然因大量使用燃烧石油煤炭所引起的大量二氧化碳等温室效益气体而引起的全球气候变暖的命题的科学性还有待进一步证实，但是大量燃烧化石燃料带来的对人类居住环境的破坏已是不用科学家证明人人都正在感受到的事实。 纵观人类科技发展史， 与信息科技等现代骨干高科技产业相比，世界主流能源技术的落后状态就更加明显。
尽管能源的使用技术早已进入以电为主的时代。而且人类对能源的认识早已进入量子物理的阶段，然而冷酷的事实是：人类在原始社会时期就学会的利用燃烧获取能源的办法，至今还在沿用，而且还是最主要的获取能源的技术手段， 这种局面很大程度上要归因于燃烧化石燃料获取能源的容易和经济总是追逐最低成本的客观规律。 然而化石燃料渐趋枯竭已是事实， 而环境质量已成为人们原意为之付出代价去获取的优质生活资源。 这就为直接利用量子力学原理从取之不尽用之不竭的光量子中取得电能的光伏科技演变成主流能源技术开启了大门。 光伏能源技术存在已有半个世纪了，但是除了空间应用，在其它领域总是形成不了规模应用。 中国的光伏产业， 除了航天应用，在一般应用领域更是与中国这样一个大国不成比例。 这种局面以新世纪为起始点， 正在悄然发生变化。新能源技术的两个主要分枝一个沿用古老的风车技术，采用现代的材料技术，把风叶迴转尺度做大到百米级，从而使可采集的风能资源提高了数十倍，另一方面利用现代电能控制技术，使得变化莫测的风电得以稳定地输入大电网。
美国通用电气公司在上世纪末收购安然公司全部风电产业，至今已成为这个世界最大公司的核心广告题材，可见其中的无限商机。 而在新能源领域一直默默无闻的中国，制造晶体硅太阳能电池为主业的无锡尚德电力公司在2005年末不但在美国上市，而且还直接上了美国纽约证券交易所，其后，该公司通过扩产，收购，外协等运作，产业规模迅速扩大。一跃成为世界主要晶体硅光伏组件生产商。 目前，光伏产业在沿海发达地区已经家喻户晓。无疑尚德在提高光伏技术和产业在我国政府，投资界，产业界，和广大消费者心目中的认知度起了重要的作用。
二. 我国在光伏产业领域的机遇
从科技学科的角度， 光伏发电技术的核心技术属于半导体技术， 而制备光伏器件的核心设备则应属于半导体真空薄膜设备。 然而，由于光伏产业的产业规模，即使在已经获得了相当发展的今天，还只是集成电路和平面显示器两大核心产品所带动的IT产业中的硬件产业的一个很小的部分。 目前光伏产业的年总产量在数千兆瓦，所带动的产值在数十亿美元， 这与常规半导体产业的万亿美元的年产值，还是一个很小的产业。 然而世界常规能源产业也是万亿美元年产值的大产业，因此新能源的最终产业规模，少说也应该是目前规模的千倍。
目前，半导体产业的核心产业还是IC产业，尽管中国在这个领域的发展自改革开放以来有了长足的发展，但是产业的重心还不在中国。 其关键原因在于中国起步较晚，而这个，产业的特点是产业链非常长，技术链也非常长， 需要的单项核心产业项目的投资规模又非常大， 就中国目前活跃的民营资本的规模还很难进入核心产业领域。 与之形成鲜明对照的是光伏产业， 其产业特征是:
1. 光伏产业的技术链非常短
目前以高纯硅片为基底的晶体硅(单晶硅和多晶硅)电池和以普通玻璃为基底的非晶硅薄膜电池为主的薄膜电池组成两大类光伏组件。 以晶体硅电池为例， 从硅片开始， 经过硅片检测， 制绒酸洗， 扩散形成p-n结， 等离子PECVD边缘刻蚀， PECVD制备氮化硅薄膜， 丝网印刷制备电流收集栅线， 高温烧结完成器件结构，电池检测，分选， 激光划片，焊线，封装， 加热固化，装筐，安装端子板，组件检测，总共十几道工序，就完成了从硅片到组件的全部制造过程， 而且技术含量大的核心设备和核心工艺基本上就集中在其中少数几个关键工艺过程。 这与同样以硅片为基底的IC制备的漫长的工艺流程形成鲜明的对照。 至于以普通玻璃为基底的非晶硅薄膜电池， 经过常压CVD制备氧化锡，PECVD制备各类非晶硅膜层，磁控溅射制备氧化锌和铝膜电极，中间利用激光对膜系进行刻槽，在经过检测和封装，就完成了完整的面积为平方米级的电池组件全部制造过程，全部工艺不超过十道。 比晶体硅电池制作更简单，高纯材料的利用率也得到极大的提高了几十倍，从而制造成本大约只有晶体硅电池的1/3。
2. 光伏组件生产线投资规模非常小
光伏技术链非常短直接导致了光伏组件生产线投资规模非常小。 一般一个现代化的IC生产线的设备投资规模在10亿美元范围，而引进一条年产25兆瓦的晶体硅电池生产线和一条年产5兆瓦的非晶硅电池生产线的设备投资规模在1千万美元的范围。 这个投资规模非常适合目前中国民营企业的再投资能力， 也适合中国大多数投资机构的投资能力。
3. 光伏技术的更新周期非常长
光伏技术的另一个重要的特点是它的核心技术的更新周期非常长。 从上世纪80年代开始的计算机和互联网为核心的信息技术产业，无论是作为核心硬件的IC技术，还是软件技术， 技术革新层出不穷，每年都有重大技术突破， 这种局面，导致了产品的更新换代非常频繁。 导致在信息产业的任何一个领域的投资风险都非常大。 使得许多依靠劳动密集型低端制造业完成原始积累的中国众多中小民营企业在高端信息产业的门槛外踌躇不前。 而光伏技术正好相反，其技术的演化过程非常缓慢。 与20年前相比， 基本上未出现革命性的技术革新，如新材料的重大突破，材料与器件制备方法的重大革新。 这种局面是由光伏技术的原理属于最基础的半导体材料和器件技术，一般来说，越是基础的技术越不容易被淘汰。 因此， 80年代末建成的非晶硅电池生产线，如哈尔滨克罗拉80年代末从美国引进的第一代非晶硅电池生产线至今还在正常运行，产品的品质虽比90年代末开始投产的新一代生产线稍差，但是由于其生产成本低，有些应用对单位面积的发电能力要求不高，所以仍然可以保持生产线的产业价值。
4. 光伏核心设备和核心工艺可以被非常少的科技专家全面掌握
光伏技术的另一个明显的特征是其核心制备设备和核心工艺的技术类型和技术环节的数量非常少， 光伏组件在技术学科上属于半导体材料与器件技术， 其器件的构造在半导体器件中属于最简单的一种，就是一个面积很大的薄膜二极管。 核心设备在技术上属于真空镀膜设备。 对这类制备设备的精细程度在原理上不必要，在经济上也不可能与IC器件及其制备设备一样要求。 这一情况决定了光伏核心设备和核心工艺可以被非常少的科技专家掌握。 这在半导体产业是一个罕见的特例。 我国最近发展壮大的诸多晶体硅电池和非晶硅电池制造和设备制造企业，往往是有一个或少数技术专家领军起步的。 就是这个特征的具体反映。 这也是一个使我国光伏产业比较容易起步的有利因素。
5. 市场对光伏产品价格非常敏感
由于光伏发电以其在空间应用的无可置疑的优越性能而获得的空间能源的绝对垄断地位， 光伏发电技术在航天设备这样相对较小的封闭系统的应用技术上实际上已经是相当成熟的技术。 但是光伏发电的地面应用长期以来一直担当无电网地区的辅助电源的角色。 直到目前为止， 光伏发电的成本还在大约每千瓦时几十美分的水平，比起常规发电每千瓦时几美分的成本，还有大约十倍的差距。但是常规能源的短缺及其不可再生性，以及对环境的破坏的代价， 两者的实际价格差距就不再是上述简单计算的那么大。 而且光伏发电设备的制造成本还在随着产业规模的扩大以及光伏组件性能的改进而继续降低。 两者的总效果导致光伏发电在本世纪成为主流发电技术的预测正在被社会认可。 无论如何，开发低成本的光伏组件核心制造设备， 开发光电转换效率更高的光伏器件的制造工艺，一直是光伏技术两个关键研发领域， 对于中国，利用其低成本制造优势，无疑也是价格敏感产品的重要策略。 中国制造低价格产品的优势已被许多种产品在中国大量制造的事实所证明。 充分利用我国低成本制造的优势，合理平衡制造过程自动化与人工操作的关系，就可以进一步降低光伏组件制造成本。 这又是我国光伏产业大发展的有利条件。
6. 光伏核心技术的研发设施，设备总价值非常低， 关键是大面积生产设备的开发
与上述核心工艺技术以及核心制备设备可以被少数技术专家掌握的情况相类似， 光伏核心技术的核心研发设施和核心研发设备的种类与半导体学科其它领域相比，是比较少的。 而且对有经验的科技专家而言， 常规的， 价格不高的光电测试手段足已把大部分问题分析清楚， 更复杂的测试设备只是偶尔应用而已，目的是对实验作进一步引证。 是可以通过外协解决的。 一般小面积薄膜材料与器件的开发所需的制备设备，属于比较常用的化学气相沉积(CVP)和物理气相沉积(PVD)设备， 由于成膜气压在真空镀膜技术中属于压力较高的领域，所以对设备极限真空的要求不属于超高真空的范畴。 这个特点决定了薄膜光伏研发制备设备的造价不会过高， 维护不会过于复杂，设备利用率也就会比较高等对研发有利的局面。然而，光伏研发的最关键的领域实际上是生产用核心设备的开发。 由于生产用成膜设备必须大面积或特大面积，以及光伏组件的低成本制造设导致了光伏生产设备必须低成本。 光伏生产设备的大面积要求是对所有发展核心光伏设备的团队的挑战，但是设备的低成本要求实际上却是我国发展核心光伏设备的机遇。 因为我国已经建立了一般精度的真空设备设计制造能力， 而且使用这种设计制造能力的成本远比欧美日本等已具备高精度薄膜真空设备设计制造能力的国家开发一般精度设备的成本要低许多。
7. 光伏技术在国际上是最开放，最少知识产权纠纷的技术领域
由于光伏技术发展演变非常缓慢的特点， 80年代形成的薄膜光伏技术的核心技术专利都因法定保护年限过期而成为了公共技术。 目前，国际上主要的非晶硅薄膜光伏电池生产设备制造商都在积极营销各自开发的关键设备和成套生产线的配套。 其中以80年代开发了第一代非晶硅光伏电尺生产线的美国Chrona公司的单真空室，双电极，每个电极双面同时沉积非晶硅薄膜的技术路线的设备为基础的开发， 不但在设备上已发展演变为大面积，12对电极，48片同时沉积，在商务上也已经过多次的资产重组，演变成多家设备厂商同时营销在技术上非常相似的设备的局面。 知识产权的界线变得非常模糊。 很少发生知识产权争议事件。 这种局面无疑对知识产权基础较薄弱的中国光伏设备和光伏组件制造产业极为有利。 如深圳90年代初从美国引进的年产1兆瓦生产线，资产虽几经重组， 经营者根据原有设备复制，生产线规模已扩大到10兆瓦以上。至今未遇到技术完全过时和知识产权纷争事件。
8. 光伏能源已经开始受到我国政府的高度重视并已建立大规模应用的法规支撑
除了无电网地区的特殊电源，如无限通讯网络电源，我国的光伏应用一直停留在示范阶段，如通过十五"光明工程"解决无电网地区农民生活基本用电等。 这个情况最近由于国家通过了一系列立法程序而发生了实质性的变化。 首先，2005年2月28日第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过了中华人民共和国可再生能源法>，这部法律从国家可持续发展的高度为中国大规模发展包括光伏能源的可再生能源拉开了序幕。 针对目前风力发电，光伏发电的成本还无法与常规发电技术直接竞争的现实， 2006年1月4日国家发改委下达了可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法 2007年9月1日开始实现国家电力监管委制定的电网企业全额收购可再生能源电量监管办法。 无疑这两个法规将作为中国光伏产业的超常规发展的里程碑而载入中国的能源发展史。 光伏发电坐为主要的可再生能源电力技术，其核心产业链，包括光伏组件生产核心设备，光伏组件制造，光伏发电场，以及成千上万的光伏个体发电户，高速可持续发展的时代已经到来。
从以上事实和分析，试问还有那个新技术产业更适合在中国发展呢?不容置疑，光伏产业是最适合中国本世纪发展的世纪新产业，而目前的机遇正是中国发展光伏产业的世纪黄金机遇。
2005年以来， 由于欧洲市场对光伏组件的需求量的急增造成了高纯晶体硅材料价格的涨价，造成单晶硅每公斤价格从数十美元涨到了数百美元。成为是本世纪涨幅最大的基础工业原料之一。正是这个供需失调的局面使得投资界和产业界开始重新关注光电转换效率差不多只有晶体硅电池一半，但是单位功率制造成本大约只有晶体硅电池1/3， 对高纯半导体关键材料利用率高近百倍的非晶硅薄膜电池。正是在这个背景下， 我国在2006年开始了新的一轮非晶硅薄膜太阳电池生产线的建设期，其中，最早开工建设的福建泉州欧德生公司投资， 由北京北仪创新真空技术公司与思博露生态能源科技公司联合制造核心设备和生产线总体整合的年产能力5MW的非晶硅薄膜太阳电池生产线已于同年11月投产。这不但是中国当时规模最大的薄膜光伏组件生产线，也是中国首条自行设计建设而且所有设备整机全部是国产的薄膜光伏组件生产线。 与此同时，外国非晶硅薄膜电池核心设备供应厂商也纷纷在我国加大营销力度， 目前正在中国营销并已有订单报道的这类厂商有:香港华基公司， 美国EPV公司， 美国Resi公司， 匈牙利EnergoSolar公司等。 其价格比北京北仪-思博露公司提供的同类生产线高出约一倍。 与此同时， 大面积液晶显示器所需的大面积PECVD设备主流半导体设备商: 美国Applied Material 公司和瑞士的Oerlikon 公司，也开始进入非晶硅薄膜电池生产设备领域，把原有的大面积PECVD设备转型为非晶硅薄膜电池设备并配套为成套生产线， 其提供的设备的特点是更高的年产能力， 一般都在20兆瓦以上，而折算的单位产能的设备价格却没有因规模效应而下降，反而是上述国外专业光伏设备公司的设备价格的约1.5-2倍，是北京北仪-思博露公司提供的设备的约3-4倍。 从而国内外多家公司在中国薄膜光伏设备的国际竞争局面已经形成。
三. 推动薄膜光伏产业核心设备国产化的理念
薄膜光伏产业核心制造设备主要是磁控溅射镀金属和氧化物博膜为主的PVD和等离子辅助化学气相沉积(PECVD)镀半导体功能薄膜为主的CVD两大类真空薄膜沉积设备， 磁控溅射镀膜设备已经随着我国在ITO等常规电子材料产业的建立与发展，有了长足的进步。 其中低端设备的设计制造能力已经基本建立。 要做的主要任务就是把薄膜光伏所需要的几种必需金属与氧化物薄膜的反应沉积工艺在现有的国产生产用大面积并且具有对玻璃工件加温能力的磁控溅射设备上实现，并根据工艺要求对设备进行必要的改进。 如有必要应该在该类设备上引入在线对等离子体的实时检测能力。然而， 作为制备薄膜光伏器件最关键的生产设备大面积或特大面积PECVD设备， 此前我国基本上还没有建立该类设备的设计制造和工艺调试能力。 对于这样的大型高端半导体薄膜制备设备， 我们的开发理念是: 1。 先掌握整机设计制造技术，后逐步建立关键零部件的设计制造能力。 2。 按照国际半导体设备行业通用的设备本身包含制造工艺技术和售后技术服务，成为设备技术标准的重要组成部分。 我们认为， 由于PECVD设备是我国真空镀膜设备领域中最薄弱的领域， 一个整机的性能主要取决于设备的设计的先进性以及零部件，尤其是关键零部件的性能。 整机设计水平取决于设计人员对该类设备的理解与创新能力，这可以充分利用改革开放以及二十多年， 海外留学人员中完全可以有掌握这样的技术领军人才可以担负这类高端半导体功能薄膜生产设备的设计与工艺建立任务。 而关键零部件的开发，涉及的技术种类繁多，不但开发需要各种专门人才、时间，而且开发所需的资金由于市场对这类高度专业化的产品的需求短期内不会大，所以尚需时日。在此之前， 必须进行世界范围的采购，才能起到事半功倍的效果。
四.推动光伏产业核心设备国产化的努力与经验
按照上述的发展国产薄膜光伏核心设备的理念， 北京北仪创新公司和思博露生露科技公司自2006年以来，已经先后承担了三条非晶硅薄膜光伏电池生产线的建设，其中包括PPECVD非晶硅薄膜制备设备的设计制造与工艺调试与建立。已建和在建设备总容量已达到年产能力20兆瓦。 其中第一条年产能5兆瓦的生产线已经在2006年11月投产，一直在正常运行， 第二条年产10兆瓦的生产线所以设备制造都已完成，将马上进入现场安装阶， 第三条线已进入设备制造阶段。对于这样的大型非晶硅薄膜光伏电池生产线的建造。 我们坚决安照既定的开发理念，充分利用技术骨干在国外长期从事非晶硅薄膜组件工艺和设备开发的丰富经验，保证了PECVD作为生产线最核心设备的整体设计的先进性和核心工艺的先进性。 在关键零部件选用上， 我们则采取了非常谨慎的态度， 对没有绝对把握的国产件，如大型干泵，大型插扳阀， 射频电源，精密气路原件，自控原件等，基本上全部采用了品牌进口件。 这样就从零部件水平保证了设备的可靠性。
与此同时， 即是在PECVD这样的核心设备， 我们还是采用了大量国产材料和国内技术资源， 大型真空室的制造就是完全自主完成的， 质量也是合格的。 至于设备的设计与工艺建立，也是我们自制完成的。同时我们对设备的机电运行和工艺维护提供迅速全面的技术培训与技术服务， 这一点外国公司无论从运行成本和服务的有效性是很难与之竞争的。 同时通过最大程度的利用我国本土资源， 设备的总体制造与服务成本得以大幅度降低。 使国产设备取得了强大的价格竞争优势。 因此，从各种角度衡量，我们建设的这几条非晶硅电池生产线不但属于中国自主开发的先进制造装备的范畴， 而且具备巨大的产业竞争优势。
另外，电池分割组合必需的激光薄膜刻槽设备， 进口激光器的价格近年来也随着激光产业的扩大已经大幅下降。近年来随着国内激光在电子装配业等领域的大量低端应用，国内已经建立了一批激光整机制造厂， 其整机的构造与薄膜光伏激光刻槽设备基本相同，只是光伏薄膜刻槽对激光器的性能和设备的机械精度提出了更高的要求。 只要严格选用国外合格的激光器和关键机械零部件， 这类设备整机国产化的大局无疑已经确立。
值得提到的是，薄膜光伏生产线的配套设施，如半导体气体管线及气体供应， 超净水制备， 玻璃基底清洗， 退火炉， 组件封装设备，组件测试设备的质量等， 近年来随着我国晶体硅电池产业和其它半导体产业的的发展， 已经得到了很大的改进，已经能基本满足薄膜光伏生产线的配套需要。
对于这样的大型半导体薄膜真空设备的国产化进程， 尽管首条国产生产线已经运行， 生产线的运行状况也在随着用户的技术水平和管理水平的提高而在稳步改善， 我们的调试进程已经比以前进口的成套生产线的调试进程显著缩短。生产线的价格仅为同类进口生产线的1/3或1/2。 我们的国外设备同行还是在中国拿到了一些订单。 从目前已同国内签订了非晶硅电池生产线的核心PECVD设备的类型， 大多数小型设备厂商， 包括香港华基光电， 美国EPV和Resi公司， 匈牙利的EnergoSolar公司， 都沿用单真空室多电极，并且阳极和阴极都进行薄膜沉积的技术路线， 而最近从大面积平面显示器转入光伏设备领域的大型半导体设备厂商，包括美国的应用材料公司和瑞士的Oerligon公司， PECVD设备基本上沿用制造液晶显示器的大面积薄膜三极管(TFT)阵列所采用的设备相近的技术路线。 这种情况导致这些厂商的设备价格比上述非晶硅电池设备专业厂商要高出许多。 有趣的是包括国产线和国外大型设备厂商在内的所有厂商， 承诺的非晶硅组件的光电转换效率基本上是在同一水平上， 即6%。 业内人士不难作出这些线的工艺技术实际上是在同一个水准的结论。 当然，除了产品的性能，设备的内涵价值还会体现在设备可靠性等设备方面的技术性能， 特别是作为国产核心设备的PECVD设备，其机电的长期可靠性还有待时间考验， 其设备和工艺的技术细节也还有改进的空间。 所以这种客观存在的巨大的价格差别的局面也是不足为奇和可以理解的。 但是国产线的成功投产证明了大型非晶硅薄膜光伏电池生产线这样包括大面积PECVD设备的高端半导体薄膜生产设备国产化的进程的大潮已经随着改革开放引进的人才，技术，和先进的开发理念而势不可挡。 虽然这样的进程还需要更多的时间才能定局， 。但是至少国产设备已经成功地占了一席之地， 这是可喜可贺的事情。 对于目前国产线还保持了最大的市场份额的局面，由于大型晶体硅光伏电池企业开始进入非晶硅薄膜电池产业，以及国际大型半导体设备公司也开始涉足薄膜光伏电池设备。国产设备的市场占有率有可能随时被国外设备公司签到大的订单而压缩。 但是中国投资界与产业界不乏有识之士。许多有志于中国光伏产业的投资界和产业界的人士对晶硅薄膜电池核心制造设备国产化进程表示了极大的关注和支持。 有理由相信核心薄膜光伏设备国产化这一新生事物会在已取得的成绩的基础上继续发展壮大。
五.建立高效薄膜光伏设备与工艺技术中试能力是我国薄膜光伏产业持续发展的紧迫需要
尽管我们在薄膜光伏设备国产化已经取得了可喜的成绩， 我们清醒地认识到， 光伏能源产业是百年大计， 包括设备在内的光伏技术的进步还只是仅仅拉开了序幕， 设备必须随着工艺技术的进步而不断创新改进。 而重大创新必须要经过中试和样机开发两个必要的开发阶段。 纵观目前中国薄膜光伏设备研发的现状， 对核心高端生产设备开发的投入力度或者明显不足，或是未投到最具技术资质的研发实体。 目前对于薄膜光伏技术持续发展最值得关注的就是几家日本大型电子产品公司正在非晶硅-微晶体双结电池技术产业化的进展，这个领域的进展正在把规模制造的大面积硅薄膜光伏组件的光电转换效率推进到10%的水平。 这样的一流的工艺与设备技术是买不来的， 这更加增加了我们一定要自主发展规模生产的工艺技术与先进设备的意识。为了在这场薄膜光伏设备的竞争中取胜， 我们已经启动建立高效运作的薄膜光伏工艺与设备中试能力， 这种能力包括先进的中试设备设施，以及富有创新能力的技术梯队。只有这样，新的设备和工艺创新成果才会源源不断的流向未来的生产线，核心高端设备的国产化进程才有可能获得持续发展。
六. 结论
作为先进设备国产化的一个重要领域，薄膜光伏核心生产设备国产化的进程已经开始。 我们应该充分利用中国在薄膜光伏产业的多种优势， 采用正确的高端设备发展理念， 积极又稳妥地继续推动薄膜光伏核心生产设备国产化的进程。
