文 徐保民

太陽(yáng)能光伏電池現(xiàn)狀和新技術(shù)

文 徐保民

太陽(yáng)能是地球上一切可獲得能源的來(lái)源，太陽(yáng)能光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)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(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)是增長(zhǎng)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(jiǎng)獲得者Rick Smalley在美國(guó)材料學(xué)會(huì)秋季會(huì)議上預(yù)測(cè)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(wèn)題都將獲得解決。

能源到底是什么

從熱力學(xué)第一定律來(lái)看，能量是守恒的，因此從物理意義上來(lái)講，說(shuō)能源危機(jī)，或者能源短缺都是不對(duì)的。之所以說(shuō)能源短缺或者能源過(guò)剩，講的是有質(zhì)量的能源。熱力學(xué)第一定律說(shuō)能量守恒，是說(shuō)數(shù)量守恒，但是能量是有質(zhì)量的，比如說(shuō)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(lái)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(dòng)力來(lái)講，可以是性能/功能驅(qū)動(dòng)，譬如計(jì)算機(jī)、手機(jī)；“顏值”驅(qū)動(dòng)，譬如衣服、化妝品；成本驅(qū)動(dòng)，能源即是成本驅(qū)動(dòng)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(chǎng)一個(gè)角度去考慮，影響因素只有一個(gè)：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(gè)政府主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)。

太陽(yáng)能及太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)

太陽(yáng)能是地球上一切可獲得能源的來(lái)源，取之不盡，用之不竭。太陽(yáng)能光伏發(fā)電是將太陽(yáng)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(gè)角度來(lái)講，我們需要大力發(fā)展太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)包括幾個(gè)過(guò)程，首先是半導(dǎo)體材料吸收太陽(yáng)能光子，然后產(chǎn)生電子和空穴對(duì)，最后將電子和空穴分離并分別引入到外電路，實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換。因此，太陽(yáng)能光伏電池有幾個(gè)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(lái)講，太陽(yáng)能光伏電池根據(jù)材料的原料，可以分為第一代晶硅太陽(yáng)能電池，第二代無(wú)機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，第三代有機(jī)太陽(yáng)能電池。

以晶硅太陽(yáng)能電池為例，太陽(yáng)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(shuō)法。

光伏電池發(fā)展主要做兩個(gè)事情，提高效率，降低成本。目前，太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)是增長(zhǎng)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(jī)70GW，比2015年增長(zhǎng)約30%，其中晶硅電池仍占絕對(duì)主導(dǎo)地位，占市場(chǎng)的93.7%，這里中國(guó)仍是太陽(yáng)能電池組件最大生產(chǎn)國(guó)，占2016年世界總產(chǎn)量的74%。

制備于塑料薄膜上的柔性太陽(yáng)能電池充電器

光伏產(chǎn)業(yè)是中國(guó)可參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一。2016年，中國(guó)新增裝機(jī)量、累計(jì)裝機(jī)容量均為全球第一，光伏產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)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(zhǎng)率，但新增裝機(jī)容量受到國(guó)家政策的影響，波動(dòng)性非常大。從發(fā)電量來(lái)看，2016年光伏發(fā)電占全國(guó)總發(fā)電量的5%。

中國(guó)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(lái)中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要考慮的問(wèn)題。從全球和中國(guó)的情況來(lái)看，實(shí)際組件的效率一直都在以每年0.4%到0.5%的幅度增長(zhǎng)。光伏發(fā)電成本有很大的降低，2015年世界光伏組件平均價(jià)格降至每瓦0.611美元，中國(guó)晶硅組件平均價(jià)格約為每瓦0.599美元。近來(lái)，最新引進(jìn)的PERC電池及黑硅技術(shù)，一定程度上提升了太陽(yáng)能光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率。預(yù)計(jì)到2020年底，太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)將達(dá)到1.1億千瓦（100GW）以上，其中光伏發(fā)電裝機(jī)達(dá)到1.05億千瓦，太陽(yáng)能熱發(fā)電裝機(jī)達(dá)到500萬(wàn)千瓦。光伏發(fā)電電價(jià)較2015年基礎(chǔ)上下降50%以上，在用電側(cè)，將實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)目標(biāo)，太陽(yáng)能熱發(fā)電成本會(huì)低于0.8元/千瓦時(shí)。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，但是目前從研究的角度來(lái)講，屬于熱門研究問(wèn)題。2009年的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率僅有3%，目前已經(jīng)達(dá)到22.1%，接近薄膜太陽(yáng)能電池。

鈣鈦礦太陽(yáng)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(jī)-無(wú)機(jī)雜化的材料，并不含有鈣或者鈦元素。從太陽(yáng)能電池本身來(lái)講，鈣鈦礦電池材料具有很多優(yōu)點(diǎn)，如合適的帶寬，較低的復(fù)合率，同時(shí)擴(kuò)散長(zhǎng)度長(zhǎng)，載流子壽命長(zhǎng)。這些優(yōu)良的特性使得鈣鈦礦電池成為目前研究的熱點(diǎn)，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(yáng)能電池不同于以往的電池制備過(guò)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(guò)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(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化之路還很長(zhǎng)，其中穩(wěn)定性、去鉛、空氣中制備等問(wèn)題都需要一一解決。如果能夠?qū)崿F(xiàn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的卷到卷印刷，那么電池的制備過(guò)程就可以像印報(bào)紙一樣，成本會(huì)非常低。未來(lái)鈣鈦礦電池的市場(chǎng)希望面向晶硅電池難以應(yīng)用的市場(chǎng)，主要體現(xiàn)在對(duì)柔性要求比較高的環(huán)境。

從太陽(yáng)能光伏電池技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)看，我們認(rèn)為，太陽(yáng)能光伏發(fā)電最終會(huì)發(fā)展成為一個(gè)具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)。

徐保民：南方科技大學(xué)教授