太陽能光伏電池現狀和新技術

文 徐保民

太陽能光伏電池現狀和新技術

文 徐保民

太陽能是地球上一切可獲得能源的來源，太陽能光伏發電實現了太陽能向電能的轉化，即將能量向最高質量形式存在的轉化。發展光伏電池可以提高效率、降低成本。目前，太陽能電池產業是增長最快的新型清潔能源產業。

2004年，碳60的發現者、諾貝爾化學獎獲得者Rick Smalley在美國材料學會秋季會議上預測了21世紀人類將面臨的十大挑戰，其中能源位列第一。他認為如果能源能夠解決，后面的水、食物、環境、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，講的是有質量的能源。熱力學第一定律說能量守恒，是說數量守恒，但是能量是有質量的，比如說不同溫度的熱量，它們質量不一樣，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業，它是將低質量的能源形式有效地轉化為高質量的能源形式。從目前來看，最高質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。

能源產業的特征是什么

從各類產業發展的驅動力來講，可以是性能/功能驅動，譬如計算機、手機；“顏值”驅動，譬如衣服、化妝品；成本驅動，能源即是成本驅動型產業。能源產業的任務是利用最低的成本把低質量能量轉換為高質量能量。如果單純從市場一個角度去考慮，影響因素只有一個：成本。如果從環境友好、可持續發展角度考慮，只能是政府或者比較負責任、有遠見的人考慮的事情。所以，能源產業、可再生能源產業一定是一個政府主導的產業。

太陽能及太陽能產業

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。太陽能光伏發電是將太陽能轉化為電能，即將能量轉化為最高質量的形式存在，從這個角度來講，我們需要大力發展太陽能光伏產業。

太陽能光伏發電技術包括幾個過程，首先是半導體材料吸收太陽能光子，然后產生電子和空穴對，最后將電子和空穴分離并分別引入到外電路，實現光能到電能的轉換。因此，太陽能光伏電池有幾個主要的參數：短路電流、開路電壓、填充因子和光電轉換效率。其中光電轉換效率是人們最關心的參數。從分類上來講，太陽能光伏電池根據材料的原料，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業鏈可以分為上游、中游和下游。上游是原料的制備，中游是把硅片變成電池，下游是建立發電系統。薄膜電池直接成組件，不涉及上中下游的說法。

光伏電池發展主要做兩個事情，提高效率，降低成本。目前，太陽能電池產業是增長最為快速的新型清潔能源產業，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國，占2016年世界總產量的74%。

制備于塑料薄膜上的柔性太陽能電池充電器

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

中國光伏產業雖然發展迅速，但轉換效率并沒有處于世界領先地位，各種不同公司生產的組件效率均低于18%，這是未來中國光伏產業發展需要考慮的問題。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，一定程度上提升了太陽能光伏電池光電轉換效率。預計到2020年底，太陽能發電裝機將達到1.1億千瓦（100GW）以上，其中光伏發電裝機達到1.05億千瓦，太陽能熱發電裝機達到500萬千瓦。光伏發電電價較2015年基礎上下降50%以上，在用電側，將實現平價上網目標，太陽能熱發電成本會低于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構是鈣鈦礦型結構，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點，如合適的帶寬，較低的復合率，同時擴散長度長，載流子壽命長。這些優良的特性使得鈣鈦礦電池成為目前研究的熱點，如果能夠實現產業化，將是產業界革命性的發展。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業化之路還很長，其中穩定性、去鉛、空氣中制備等問題都需要一一解決。如果能夠實現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用的市場，主要體現在對柔性要求比較高的環境。

從太陽能光伏電池技術發展的角度來看，我們認為，太陽能光伏發電最終會發展成為一個具有競爭力的產業。

徐保民：南方科技大學教授