陳卉
(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局,廣東 惠州 516000)
“2030 年碳達(dá)峰,2060 年碳中和”是我國(guó)為保護(hù)環(huán)境與調(diào)整能源結(jié)構(gòu)而做出的決策,也是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)使用調(diào)整的關(guān)鍵時(shí)期,關(guān)于構(gòu)建清潔能源、低碳、高效地綠色能源發(fā)展體系,國(guó)家已經(jīng)出臺(tái)了多項(xiàng)規(guī)定,要求大力發(fā)展風(fēng)電、水電、太陽(yáng)能,太陽(yáng)能是當(dāng)前常見(jiàn)的清潔能源,具有清潔、安全、高效、可持續(xù)的優(yōu)勢(shì),目前,光伏技術(shù)的成本也在不斷的下降,特別是光伏發(fā)電技術(shù)在太陽(yáng)能的使用中具有十分重要的作用,在我國(guó)未來(lái)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中也具有明顯的優(yōu)勢(shì),我國(guó)的光伏發(fā)電技術(shù)迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇[1]。
隨著我國(guó)光伏電池組件技術(shù)材料的研發(fā)與應(yīng)用深入市場(chǎng)化,新式的電池技術(shù)不斷的出現(xiàn),并且已經(jīng)形成了完善的產(chǎn)業(yè)鏈與市場(chǎng)銷(xiāo)售渠道,光伏電池的產(chǎn)量與技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了全球領(lǐng)先的水平,2022 年6 月,國(guó)家發(fā)改委、能源局等9 個(gè)相關(guān)部門(mén),共同發(fā)布了我國(guó)“十四五”再生能力發(fā)展規(guī)劃,指出了世界光伏產(chǎn)品的供應(yīng)鏈中,我國(guó)的光伏產(chǎn)品如多晶硅、硅片、電池片和組件在國(guó)際市場(chǎng)上的占有率分別達(dá)到了76%,80%、83%和76%。而且,我國(guó)在太陽(yáng)能電池研發(fā)投入十分巨大,在PERC 晶體硅電池、TOPCon 單晶硅電池、HJT 單晶硅電池、IBC 單晶硅電池等研究,都取得了巨大的成果,也開(kāi)發(fā)出多種類(lèi)型的光伏發(fā)電電池。特別是PERC 晶體硅電池,我國(guó)的技術(shù)領(lǐng)先全球,國(guó)際市場(chǎng)份額占比也最高,在多個(gè)國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)2022 年我國(guó)光伏協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示,我給產(chǎn)業(yè)化的p 型PERC 晶體硅電池應(yīng)用最為廣泛,電池的平均光電效率已達(dá)到22.8%,而且該技術(shù)的光伏電池的能耗低、成本低、轉(zhuǎn)化效率高[2]。而且,雙面PERC 技術(shù)轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能的效率比較高、能耗低、成本低,將會(huì)成為未來(lái)光伏電池主要發(fā)展趨勢(shì)。TOPCon 單晶硅電池技術(shù)、HJT 單晶硅電池等n型太陽(yáng)能電池技術(shù)的優(yōu)勢(shì)也十分明顯,技術(shù)更先進(jìn)、光電轉(zhuǎn)換效率高、能量衰減率低。例如,TOPCon 電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了23.2%、HJT 電池的轉(zhuǎn)換效果達(dá)到了25.8%,與PERC 電池的市場(chǎng)應(yīng)用比較分析,n 型電池的技術(shù)市場(chǎng)占有率較低、規(guī)模比較小,技術(shù)的成本比較高,有的技術(shù)還需進(jìn)一步驗(yàn)證,產(chǎn)品還處于量產(chǎn)驗(yàn)證的階段。隨著光伏技術(shù)的突破與發(fā)展,光電轉(zhuǎn)換原材料、設(shè)備的技術(shù)的突破,先進(jìn)的生產(chǎn)制造設(shè)備技術(shù)的發(fā)展,以及生產(chǎn)成本的大幅度降低等優(yōu)勢(shì),n 型晶體硅電池技術(shù)的研究也逐漸成熟,將會(huì)成未來(lái)光伏發(fā)電技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。
薄膜光伏電池是當(dāng)前比較流行的光伏技術(shù)之一,它具有能耗低、輕量化、可柔性、延展性強(qiáng)、能量轉(zhuǎn)換效率高、能量衰減小等優(yōu)點(diǎn),在柔性設(shè)備和便攜式智能可穿戴設(shè)備上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)十分突出,在很多山區(qū)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電具有廣闊的應(yīng)用前景,對(duì)解決山區(qū)農(nóng)村資源缺乏具有十分重要的作用。主要有砷化稼(GaAs)光伏電池、啼化鎬(CdTe)光伏電池等光伏發(fā)電技術(shù),由于這些電池都采用稀有金屬,具有一定的毒性,這就需要做好電池的安全防護(hù)工作,以防止電池的損壞,而造成環(huán)境的污染。GaAs 光伏電池的換效率較高、延展性能較好,技術(shù)也比較成熟,但是,由于Ga 屬于稀有金屬,且As 元素具有較強(qiáng)的毒性,使得GaAs 光伏電池毒性處理成本高昂、穩(wěn)定性較差、技術(shù)與工藝復(fù)雜,在具體的應(yīng)用中還沒(méi)有得到規(guī)?;牧慨a(chǎn)與應(yīng)用[3]。GIGS 光伏電池的優(yōu)越性也是明顯的,它的性能穩(wěn)定、弱光性能好、光能轉(zhuǎn)換性能效率高、光電性能不衰減,目前確認(rèn)的GIGS 光伏轉(zhuǎn)換率為23.4%,如果進(jìn)行量產(chǎn),可以將光電轉(zhuǎn)換效率提高到17.5%左右,這種技術(shù)在光伏發(fā)電中的應(yīng)用,大大提高了光電的轉(zhuǎn)換效率。CdTe 光伏電池也是高效的薄膜光伏電池,技術(shù)實(shí)現(xiàn)不是十分復(fù)雜,也是當(dāng)前量產(chǎn)規(guī)模最大的薄膜光伏電池,它的性能穩(wěn)定、光電轉(zhuǎn)換性能效率高,量產(chǎn)組件的平均轉(zhuǎn)換效率為15.1%,在未來(lái)光伏技術(shù)的應(yīng)用具有廣泛的用途,但由于Cd 屬于有毒重金屬元素,Te 是稀有元素,需要進(jìn)行特殊化的處理,且這些重金屬元素的處理成本比較高,未來(lái)在提升量產(chǎn)電池組件效率的同時(shí),可以降低廢舊CdTe 電池的污染回收與重復(fù)利用,可以降低光伏發(fā)電的成本,擴(kuò)大電池的商業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用規(guī)模,從而能提高薄膜光伏電池的應(yīng)用前景。
鈣鈦礦光伏技術(shù)采用現(xiàn)代化的光伏技術(shù),它主要是采用復(fù)合金屬化合物鈣鈦礦,該金屬化合物具有高載流子遷移率、光電轉(zhuǎn)換效果明顯,具有較長(zhǎng)的載流子擴(kuò)散距離,對(duì)太陽(yáng)光能量吸收系數(shù)比較大等光電特性,且鈣鈦礦光伏電池的原料豐富獲取容易、合成簡(jiǎn)單、成本低廉、性能穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換性能穩(wěn)定,也是當(dāng)前光伏電池應(yīng)用比較有潛力的光伏材料。目前,單結(jié)鈣鈦礦光伏技術(shù)電池在實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)時(shí),鈣鈦礦光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)勢(shì)也十分明顯,光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了25.6%,能量轉(zhuǎn)換的效率比其他光伏電池要好,與商業(yè)化晶硅的太陽(yáng)光伏電池相比,鈣鈦礦光伏技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景[4]。鈣鈦礦光伏電池技術(shù)在轉(zhuǎn)換效率高,轉(zhuǎn)換的能量也比較穩(wěn)定,而且電池的生產(chǎn)成本降低,但是,在量化生產(chǎn)、面臨大面積的電池組件的光轉(zhuǎn)換效率比較低,光伏技術(shù)的組件穩(wěn)定性性能較差,以及光伏電池的壽命比較低等缺點(diǎn),在具體的應(yīng)用過(guò)程中,還面臨著很多不利的因素。
在“雙碳”背景下,針對(duì)我國(guó)能源緊缺、生態(tài)安全紅線(xiàn)、耕地紅線(xiàn)大原則限制下,國(guó)家對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)的開(kāi)發(fā),不允許占用耕地來(lái)開(kāi)發(fā)清潔能源與光伏技術(shù)。這就需要開(kāi)發(fā)高效率、低成本的清潔能力電池,進(jìn)一步提升單位面積的光伏發(fā)電的能源轉(zhuǎn)換能力,也成為未來(lái)光伏發(fā)電技術(shù)、大規(guī)模光伏發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵、廢舊光伏電池的回收技術(shù)、并網(wǎng)技術(shù)研究等都成為未來(lái)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵,光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)如下。
(1)持續(xù)推進(jìn)與改進(jìn)PERC 晶硅電池技術(shù)的研發(fā),采用多種技術(shù)提升PERC 晶硅電池的光轉(zhuǎn)換效率,如開(kāi)發(fā)雙面PERC 電池、多能源電池等,采用高效率的轉(zhuǎn)換效率,降低PERC 光伏發(fā)電技術(shù)的效率。
(2)加快TOPCon、HJT、IBC 等晶硅光伏新技術(shù)的研究,降低光伏電池的開(kāi)發(fā)成本,量產(chǎn)光伏電池的制造技術(shù),突破光伏技術(shù)的關(guān)鍵材料與工藝水平,將信息新技術(shù)融入光伏電池的研究中,創(chuàng)新光伏電池制造裝備等技術(shù),提高光電轉(zhuǎn)換的效率,推動(dòng)晶硅光伏電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
(3)推進(jìn)薄膜太陽(yáng)能光伏技術(shù)在建筑、山區(qū)中的綜合應(yīng)用,推動(dòng)CIGS、CdTe、AsGa 等薄膜光伏技術(shù)的創(chuàng)新,降低薄膜光伏電池的成本,優(yōu)化光伏電池的生產(chǎn)工藝,量產(chǎn)產(chǎn)能等,提高薄膜電池的光電轉(zhuǎn)換效率與能源利用效率[5]。
(4)深入開(kāi)展高效鈣鈦礦光伏技術(shù)的研究,提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池生產(chǎn)工藝,降低鈣鈦礦光伏設(shè)備生產(chǎn)成本,研究大面積、高效率、高穩(wěn)定性、新型環(huán)保的鈣鈦礦電池,開(kāi)展晶體硅/鈣鈦礦、鈣鈦礦/薄膜電池等復(fù)合型、高效疊層光伏技術(shù)的應(yīng)用研究,降低光伏發(fā)電的成本,提高光電轉(zhuǎn)換的效率。
光伏發(fā)電技術(shù)在得到應(yīng)用的同時(shí),還需要大力研究光伏發(fā)電并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù),使得更多的光伏能源并入電網(wǎng)中,才能提高光伏發(fā)電的利用效率,拓寬光伏電池的應(yīng)用市場(chǎng)。在并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)研究上,可以采用基于模糊邏輯算法、智能并網(wǎng)處理技術(shù)等方法,提高光伏能源的并網(wǎng)效率,還可以將多種新型光伏發(fā)電技術(shù)融合在一起,提高光伏發(fā)電的并網(wǎng)效率,保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率能夠穩(wěn)定的輸出,擴(kuò)展光伏電池的應(yīng)用市場(chǎng)。結(jié)合光伏發(fā)電技術(shù)的要求,開(kāi)發(fā)出高效率、可靠性穩(wěn)定、電能轉(zhuǎn)換質(zhì)量強(qiáng)、適應(yīng)能力高的光伏電站逆變器,減少光伏發(fā)電技術(shù)的衰減,提高光伏發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換效率。針對(duì)光伏發(fā)電的要求,開(kāi)發(fā)研究出工作壽命長(zhǎng)、生產(chǎn)成本低的微型光伏發(fā)電逆變器技術(shù),從而提高光伏發(fā)電并網(wǎng)的可靠性、穩(wěn)定性與安全性,優(yōu)化光伏發(fā)電的并網(wǎng)效率。
針對(duì)薄膜光伏電池發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用,需要結(jié)合具體的情況,優(yōu)化薄膜光伏電池的應(yīng)用環(huán)境,制定光伏建筑一體化、山區(qū)光伏應(yīng)用技術(shù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范,推動(dòng)薄膜光伏發(fā)電技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用,也成為未來(lái)光伏發(fā)電的重要趨勢(shì),通過(guò)光伏建筑一體化標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)綠色建筑“零排放”,助推“雙碳”目標(biāo)實(shí)施與發(fā)展,也有利于光伏技術(shù)在生產(chǎn)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。重點(diǎn)開(kāi)展光伏建筑一體化、山區(qū)薄膜電池光伏發(fā)電技術(shù)的研究,使得薄膜光伏電池能夠在山區(qū)、大型建筑物中的到應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)薄膜光伏技術(shù)的轉(zhuǎn)化效率、城市建筑、鄉(xiāng)村建筑美觀的有效融合,形成多元化的光伏利用模式,提高薄膜光伏發(fā)電技術(shù)光電轉(zhuǎn)換效率。研制多樣化光薄膜光伏電池組件與多樣化的光伏材料,滿(mǎn)足不同場(chǎng)景和個(gè)性化需求的建筑結(jié)構(gòu)光伏發(fā)電的要求,并利用集成技術(shù)、信息技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)裝配式光伏建筑,從而能擴(kuò)大光伏發(fā)電技術(shù)的光電轉(zhuǎn)換效率,并融合現(xiàn)代信息技術(shù),實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電電池的自動(dòng)化控制,開(kāi)發(fā)出自動(dòng)化、信息化、智能化處理的智能光伏發(fā)電設(shè)備,并將其作為光伏發(fā)電的主要應(yīng)用。
為了保證光伏發(fā)電技術(shù)的研究不斷深入,相應(yīng)地電池生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈也要不斷完善,先進(jìn)的光伏組件生產(chǎn)設(shè)備是光伏電池的關(guān)鍵,研究光伏組件的生產(chǎn)設(shè)備技術(shù),也成為光伏電池技術(shù)未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵。①結(jié)合光伏發(fā)電技術(shù)的要求,構(gòu)建智能化、集成化的光伏生產(chǎn)制造體系與產(chǎn)業(yè)鏈,形成自動(dòng)化、信息化、智能化的光伏發(fā)電技術(shù)體系,不斷提高光伏發(fā)電的生產(chǎn)效率與產(chǎn)能,保障光伏電池的供應(yīng),通過(guò)智能化的實(shí)施技術(shù),實(shí)時(shí)監(jiān)控硅片制絨、擴(kuò)散等,提高光伏電池的效能與質(zhì)量。②開(kāi)展硅片薄片化、大片化生產(chǎn)工藝等技術(shù)的研制,優(yōu)化薄膜光伏電池技術(shù)、鈣鈦礦光伏電池的技術(shù),從而能擴(kuò)大光伏發(fā)電設(shè)備的規(guī)模化生產(chǎn)與應(yīng)用[6]。③重點(diǎn)研制與開(kāi)發(fā)N 型光伏電池的關(guān)鍵技術(shù)、生產(chǎn)制造工藝,同時(shí)加快相關(guān)組件與設(shè)備的研究,以實(shí)現(xiàn)加快N 型光伏電池的規(guī)?;a(chǎn),提高光伏電池的生產(chǎn)效率與市場(chǎng)占有率。
由于光伏電池組件更新?lián)Q代比較快,一些電池使用年限較短,對(duì)于光伏組件的回收利用與再利用技術(shù)也成為人們研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,同時(shí),還需要研究完善相關(guān)制度,制定光伏組件回收處理政策和法規(guī),綜合考慮綠色能源的發(fā)展需求,加大環(huán)境保護(hù)力度,完善的光伏組件回收與利用的政策與技術(shù)體系,明確相應(yīng)的規(guī)范與具體要求,加大對(duì)光伏電池組件回收利用技術(shù)的研究,相關(guān)研究人員還需要結(jié)合光伏技術(shù)的發(fā)展,加大對(duì)光伏組件回收與利用的研究[7]。加大改進(jìn)廢棄光伏組件回收處理技術(shù),將環(huán)境保護(hù)與光伏利用結(jié)合在一起,制定嚴(yán)格回收利用標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)回收光伏電池?zé)o害化處理,只有光伏電池、組件回收技術(shù)的不斷發(fā)展,才能起到對(duì)環(huán)境保護(hù)的作用。
隨著我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的深入實(shí)施,清潔能源的使用成為人們研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一,光伏發(fā)電技術(shù)研究也在不斷的深入,它作為一種重要的清潔能源應(yīng)用技術(shù),需要進(jìn)行深入的研究,提高光電轉(zhuǎn)換的效率,降低光伏發(fā)電的成本,綜合地將晶硅光伏、薄膜光伏、鈣鈦礦光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到日常生活中,對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要意義。在我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的指引下,在“十四五”期間,光伏電池技術(shù)發(fā)展也將成為我國(guó)關(guān)鍵技術(shù)之一,也將會(huì)實(shí)現(xiàn)新的技術(shù)突破與創(chuàng)新,將會(huì)緊緊圍繞著“補(bǔ)短板、鍛長(zhǎng)板”的理念,來(lái)實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù),全面助力我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)施。