太阳能光伏电池现状和新技术

文 徐保民

太阳能光伏电池现状和新技术

文 徐保民

太阳能是地球上一切可获得能源的来源，太阳能光伏发电实现了太阳能向电能的转化，即将能量向最高质量形式存在的转化。发展光伏电池可以提高效率、降低成本。目前，太阳能电池产业是增长最快的新型清洁能源产业。

2004年，碳60的发现者、诺贝尔化学奖获得者Rick Smalley在美国材料学会秋季会议上预测了21世纪人类将面临的十大挑战，其中能源位列第一。他认为如果能源能够解决，后面的水、食物、环境、贫穷、疾病等问题都将获得解决。

能源到底是什么

从热力学第一定律来看，能量是守恒的，因此从物理意义上来讲，说能源危机，或者能源短缺都是不对的。之所以说能源短缺或者能源过剩，讲的是有质量的能源。热力学第一定律说能量守恒，是说数量守恒，但是能量是有质量的，比如说不同温度的热量，它们质量不一样，一卡的热量在0℃和100℃条件下能做的事情是不一样的。

用一句话概括能源产业，它是将低质量的能源形式有效地转化为高质量的能源形式。从目前来看，最高质量的能源形式是电能，我们可以利用电能做各种各样的事情。

能源产业的特征是什么

从各类产业发展的驱动力来讲，可以是性能/功能驱动，譬如计算机、手机；“颜值”驱动，譬如衣服、化妆品；成本驱动，能源即是成本驱动型产业。能源产业的任务是利用最低的成本把低质量能量转换为高质量能量。如果单纯从市场一个角度去考虑，影响因素只有一个：成本。如果从环境友好、可持续发展角度考虑，只能是政府或者比较负责任、有远见的人考虑的事情。所以，能源产业、可再生能源产业一定是一个政府主导的产业。

太阳能及太阳能产业

太阳能是地球上一切可获得能源的来源，取之不尽，用之不竭。太阳能光伏发电是将太阳能转化为电能，即将能量转化为最高质量的形式存在，从这个角度来讲，我们需要大力发展太阳能光伏产业。

太阳能光伏发电技术包括几个过程，首先是半导体材料吸收太阳能光子，然后产生电子和空穴对，最后将电子和空穴分离并分别引入到外电路，实现光能到电能的转换。因此，太阳能光伏电池有几个主要的参数：短路电流、开路电压、填充因子和光电转换效率。其中光电转换效率是人们最关心的参数。从分类上来讲，太阳能光伏电池根据材料的原料，可以分为第一代晶硅太阳能电池，第二代无机薄膜太阳能电池，第三代有机太阳能电池。

以晶硅太阳能电池为例，太阳能光伏电池的产业链可以分为上游、中游和下游。上游是原料的制备，中游是把硅片变成电池，下游是建立发电系统。薄膜电池直接成组件，不涉及上中下游的说法。

光伏电池发展主要做两个事情，提高效率，降低成本。目前，太阳能电池产业是增长最为快速的新型清洁能源产业，2016年全球光伏新增装机70GW，比2015年增长约30%，其中晶硅电池仍占绝对主导地位，占市场的93.7%，这里中国仍是太阳能电池组件最大生产国，占2016年世界总产量的74%。

制备于塑料薄膜上的柔性太阳能电池充电器

光伏产业是中国可参与国际竞争的优势战略产业之一。2016年，中国新增装机量、累计装机容量均为全球第一，光伏产业总产值达到3360亿元人民币，位居全球首位，硅片、电池片和组件产品出口额受多家企业海外设厂影响略有下降。最近几年，光伏组件的产量一直保持两位数的增长率，但新增装机容量受到国家政策的影响，波动性非常大。从发电量来看，2016年光伏发电占全国总发电量的5%。

中国光伏产业虽然发展迅速，但转换效率并没有处于世界领先地位，各种不同公司生产的组件效率均低于18%，这是未来中国光伏产业发展需要考虑的问题。从全球和中国的情况来看，实际组件的效率一直都在以每年0.4%到0.5%的幅度增长。光伏发电成本有很大的降低，2015年世界光伏组件平均价格降至每瓦0.611美元，中国晶硅组件平均价格约为每瓦0.599美元。近来，最新引进的PERC电池及黑硅技术，一定程度上提升了太阳能光伏电池光电转换效率。预计到2020年底，太阳能发电装机将达到1.1亿千瓦（100GW）以上，其中光伏发电装机达到1.05亿千瓦，太阳能热发电装机达到500万千瓦。光伏发电电价较2015年基础上下降50%以上，在用电侧，将实现平价上网目标，太阳能热发电成本会低于0.8元/千瓦时。

钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池尚处于实验室研究阶段，但是目前从研究的角度来讲，属于热门研究问题。2009年的钙钛矿太阳能电池的效率仅有3%，目前已经达到22.1%，接近薄膜太阳能电池。

钙钛矿太阳能电池的主要结构是钙钛矿型结构，其本身属于有机-无机杂化的材料，并不含有钙或者钛元素。从太阳能电池本身来讲，钙钛矿电池材料具有很多优点，如合适的带宽，较低的复合率，同时扩散长度长，载流子寿命长。这些优良的特性使得钙钛矿电池成为目前研究的热点，如果能够实现产业化，将是产业界革命性的发展。钙钛矿太阳能电池不同于以往的电池制备过程，它采用低温溶液制备方法，首先制备钙钛矿前驱体溶液，然后通过旋涂，或者印刷等办法将溶液涂到衬底上，在低于150度的温度下加热使溶液结晶化，即完成电池的制备，因此钙钛矿电池可以制备在塑料等柔性衬底上，从而制备成柔性电池。但是，钙钛矿太阳能电池的产业化之路还很长，其中稳定性、去铅、空气中制备等问题都需要一一解决。如果能够实现钙钛矿太阳能电池的卷到卷印刷，那么电池的制备过程就可以像印报纸一样，成本会非常低。未来钙钛矿电池的市场希望面向晶硅电池难以应用的市场，主要体现在对柔性要求比较高的环境。

从太阳能光伏电池技术发展的角度来看，我们认为，太阳能光伏发电最终会发展成为一个具有竞争力的产业。

徐保民：南方科技大学教授