太陽能光伏電池現(xiàn)狀和新技術(shù)

文 徐保民

太陽能光伏電池現(xiàn)狀和新技術(shù)

文 徐保民

太陽能是地球上一切可獲得能源的來源，太陽能光伏發(fā)電實現(xiàn)了太陽能向電能的轉(zhuǎn)化，即將能量向最高質(zhì)量形式存在的轉(zhuǎn)化。發(fā)展光伏電池可以提高效率、降低成本。目前，太陽能電池產(chǎn)業(yè)是增長最快的新型清潔能源產(chǎn)業(yè)。

2004年，碳60的發(fā)現(xiàn)者、諾貝爾化學(xué)獎獲得者Rick Smalley在美國材料學(xué)會秋季會議上預(yù)測了21世紀(jì)人類將面臨的十大挑戰(zhàn)，其中能源位列第一。他認(rèn)為如果能源能夠解決，后面的水、食物、環(huán)境、貧窮、疾病等問題都將獲得解決。

能源到底是什么

從熱力學(xué)第一定律來看，能量是守恒的，因此從物理意義上來講，說能源危機，或者能源短缺都是不對的。之所以說能源短缺或者能源過剩，講的是有質(zhì)量的能源。熱力學(xué)第一定律說能量守恒，是說數(shù)量守恒，但是能量是有質(zhì)量的，比如說不同溫度的熱量，它們質(zhì)量不一樣，一卡的熱量在0℃和100℃條件下能做的事情是不一樣的。

用一句話概括能源產(chǎn)業(yè)，它是將低質(zhì)量的能源形式有效地轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的能源形式。從目前來看，最高質(zhì)量的能源形式是電能，我們可以利用電能做各種各樣的事情。

能源產(chǎn)業(yè)的特征是什么

從各類產(chǎn)業(yè)發(fā)展的驅(qū)動力來講，可以是性能/功能驅(qū)動，譬如計算機、手機；“顏值”驅(qū)動，譬如衣服、化妝品；成本驅(qū)動，能源即是成本驅(qū)動型產(chǎn)業(yè)。能源產(chǎn)業(yè)的任務(wù)是利用最低的成本把低質(zhì)量能量轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量能量。如果單純從市場一個角度去考慮，影響因素只有一個：成本。如果從環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展角度考慮，只能是政府或者比較負(fù)責(zé)任、有遠(yuǎn)見的人考慮的事情。所以，能源產(chǎn)業(yè)、可再生能源產(chǎn)業(yè)一定是一個政府主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)。

太陽能及太陽能產(chǎn)業(yè)

太陽能是地球上一切可獲得能源的來源，取之不盡，用之不竭。太陽能光伏發(fā)電是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，即將能量轉(zhuǎn)化為最高質(zhì)量的形式存在，從這個角度來講，我們需要大力發(fā)展太陽能光伏產(chǎn)業(yè)。

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)包括幾個過程，首先是半導(dǎo)體材料吸收太陽能光子，然后產(chǎn)生電子和空穴對，最后將電子和空穴分離并分別引入到外電路，實現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換。因此，太陽能光伏電池有幾個主要的參數(shù)：短路電流、開路電壓、填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率。其中光電轉(zhuǎn)換效率是人們最關(guān)心的參數(shù)。從分類上來講，太陽能光伏電池根據(jù)材料的原料，可以分為第一代晶硅太陽能電池，第二代無機薄膜太陽能電池，第三代有機太陽能電池。

以晶硅太陽能電池為例，太陽能光伏電池的產(chǎn)業(yè)鏈可以分為上游、中游和下游。上游是原料的制備，中游是把硅片變成電池，下游是建立發(fā)電系統(tǒng)。薄膜電池直接成組件，不涉及上中下游的說法。

光伏電池發(fā)展主要做兩個事情，提高效率，降低成本。目前，太陽能電池產(chǎn)業(yè)是增長最為快速的新型清潔能源產(chǎn)業(yè)，2016年全球光伏新增裝機70GW，比2015年增長約30%，其中晶硅電池仍占絕對主導(dǎo)地位，占市場的93.7%，這里中國仍是太陽能電池組件最大生產(chǎn)國，占2016年世界總產(chǎn)量的74%。

制備于塑料薄膜上的柔性太陽能電池充電器

光伏產(chǎn)業(yè)是中國可參與國際競爭的優(yōu)勢戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一。2016年，中國新增裝機量、累計裝機容量均為全球第一，光伏產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達到3360億元人民幣，位居全球首位，硅片、電池片和組件產(chǎn)品出口額受多家企業(yè)海外設(shè)廠影響略有下降。最近幾年，光伏組件的產(chǎn)量一直保持兩位數(shù)的增長率，但新增裝機容量受到國家政策的影響，波動性非常大。從發(fā)電量來看，2016年光伏發(fā)電占全國總發(fā)電量的5%。

中國光伏產(chǎn)業(yè)雖然發(fā)展迅速，但轉(zhuǎn)換效率并沒有處于世界領(lǐng)先地位，各種不同公司生產(chǎn)的組件效率均低于18%，這是未來中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要考慮的問題。從全球和中國的情況來看，實際組件的效率一直都在以每年0.4%到0.5%的幅度增長。光伏發(fā)電成本有很大的降低，2015年世界光伏組件平均價格降至每瓦0.611美元，中國晶硅組件平均價格約為每瓦0.599美元。近來，最新引進的PERC電池及黑硅技術(shù)，一定程度上提升了太陽能光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率。預(yù)計到2020年底，太陽能發(fā)電裝機將達到1.1億千瓦（100GW）以上，其中光伏發(fā)電裝機達到1.05億千瓦，太陽能熱發(fā)電裝機達到500萬千瓦。光伏發(fā)電電價較2015年基礎(chǔ)上下降50%以上，在用電側(cè)，將實現(xiàn)平價上網(wǎng)目標(biāo)，太陽能熱發(fā)電成本會低于0.8元/千瓦時。

鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦太陽能電池尚處于實驗室研究階段，但是目前從研究的角度來講，屬于熱門研究問題。2009年的鈣鈦礦太陽能電池的效率僅有3%，目前已經(jīng)達到22.1%，接近薄膜太陽能電池。

鈣鈦礦太陽能電池的主要結(jié)構(gòu)是鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，其本身屬于有機-無機雜化的材料，并不含有鈣或者鈦元素。從太陽能電池本身來講，鈣鈦礦電池材料具有很多優(yōu)點，如合適的帶寬，較低的復(fù)合率，同時擴散長度長，載流子壽命長。這些優(yōu)良的特性使得鈣鈦礦電池成為目前研究的熱點，如果能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，將是產(chǎn)業(yè)界革命性的發(fā)展。鈣鈦礦太陽能電池不同于以往的電池制備過程，它采用低溫溶液制備方法，首先制備鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，然后通過旋涂，或者印刷等辦法將溶液涂到襯底上，在低于150度的溫度下加熱使溶液結(jié)晶化，即完成電池的制備，因此鈣鈦礦電池可以制備在塑料等柔性襯底上，從而制備成柔性電池。但是，鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化之路還很長，其中穩(wěn)定性、去鉛、空氣中制備等問題都需要一一解決。如果能夠?qū)崿F(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的卷到卷印刷，那么電池的制備過程就可以像印報紙一樣，成本會非常低。未來鈣鈦礦電池的市場希望面向晶硅電池難以應(yīng)用的市場，主要體現(xiàn)在對柔性要求比較高的環(huán)境。

從太陽能光伏電池技術(shù)發(fā)展的角度來看，我們認(rèn)為，太陽能光伏發(fā)電最終會發(fā)展成為一個具有競爭力的產(chǎn)業(yè)。

徐保民：南方科技大學(xué)教授