苗青青，石春艷，張香平

（中國科學院過程工程研究所綠色過程與工程重點實驗室，離子液體清潔過程北京市重點實驗室，北京 100190）

當前溫室氣體引起的全球氣候變化已成為全人類面臨的嚴峻挑戰(zhàn)?！栋屠鑵f定》提出了全球實現控制2℃溫升并努力低于1.5℃的目標，我國在2020 年9 月第75 屆聯合國大會提出了2030 年碳達峰、2060年實現碳中和的“雙碳”目標。據統計，2020 年我國CO排放量達100 多億噸，電力行業(yè)的碳排放是其主要排放來源之一，控制電力行業(yè)的碳排放將在碳減排中發(fā)揮關鍵作用，將直接影響我國“雙碳”目標實現的進程。此外，在“雙碳”目標下，隨著電力對煤油氣等的替代、工業(yè)交通等終端電氣化及未來社會對電力需求的持續(xù)增長，大力開發(fā)利用可再生能源等綠色低碳零碳能源體系、構建以新能源為主體的新型電力系統，成為當前能源領域技術變革的戰(zhàn)略方向。光伏發(fā)電是我國未來可再生能源發(fā)電的主要方式之一，具有能量來源巨大、綠色環(huán)保無污染、安全可持續(xù)、安裝靈活、建設周期短、使用壽命長、運維成本低、應用形式多樣、適用范圍廣等優(yōu)勢。本文重點對我國光伏發(fā)電的現狀、存在問題、關鍵技術、未來發(fā)展趨勢及發(fā)展策略等進行簡要論述，以期為我國光伏產業(yè)的快速發(fā)展及高效安全的清潔能源新體系構建提供方向引導。

1 光伏發(fā)電現狀及存在問題

2020年我國可再生能源開發(fā)利用規(guī)模達6.8億噸標煤，居世界第一，相當于替代煤炭量約10 億噸，減少CO排放量約17.9 億噸?？稍偕茉窗l(fā)電量為2.2萬億千瓦時，占全社會用電量的29.5%，發(fā)電裝機總規(guī)模9.3億千瓦，占總裝機比重42.4%。其中水電3.7 億千瓦、風電2.8 億千瓦、光電2.5 億千瓦、生物質發(fā)電2952 萬千瓦，分別連續(xù)16 年、11 年、6 年及3 年居全球第一?？傮w來講，我國整體可再生能源利用水平持續(xù)提升，發(fā)電成本不斷下降，技術裝備水平大幅提升，光電、風電、水電等多項技術位居世界前列。

光伏產業(yè)已成為我國最具核心競爭力的戰(zhàn)略新興產業(yè)之一，光伏發(fā)電將成為我國未來發(fā)電的主要方式之一。2020 年我國光伏新增并網裝機容量48.2GW，同比增長60%，累計并網裝機容量253GW，新增和累計裝機容量均為全球第一。2020 年我國光伏發(fā)電量0.26萬億千瓦時，約占全國全年總發(fā)電量的3.5%，光伏利用率98%。光伏累計發(fā)電量近0.93 萬億千瓦時，折合標煤2.9 億噸，減排CO7.4億噸。我國光伏領域多項技術位居世界第一，不斷刷新電池效率世界紀錄，光伏產業(yè)占世界主導地位，為全世界供應了超過90%的硅片、超過70%的電池片及組件。近十年來光伏發(fā)電成本不斷下降，發(fā)電項目單位千瓦平均造價下降了75%左右。圖1 展示了美國國家可再生能源實驗室（NREL）發(fā)布的光伏發(fā)電技術光電轉換效率記錄。

圖1 各種光伏發(fā)電技術光電轉換效率最高記錄[5]

實現“雙碳”目標、構建高效安全的新電力體系，在給光伏發(fā)電行業(yè)帶來機遇的同時也帶來諸多挑戰(zhàn)，如在關鍵技術方面，新一代高效低成本光伏發(fā)電關鍵技術、柔性電池及光伏建筑一體化（BIPV）、核心設備及高效工藝、量產產能產線等；在光伏系統方面，解決光伏非連續(xù)性及間歇性、光伏消納、光伏成本進一步降低、匹配的大規(guī)模儲能技術等；在支撐體系方面，統籌我國光伏發(fā)電全國優(yōu)化配置、因地制宜的地區(qū)發(fā)展目標、完善的行業(yè)評價體系標準、完備的技術服務體系等。亟需從技術、系統、支撐體系等各方面積極推動我國光伏發(fā)電行業(yè)的快速健康持續(xù)發(fā)展，為我國碳中和目標的實現奠定科學基礎。

2 關鍵技術及未來趨勢

2.1 晶硅太陽能電池

當前我國晶硅太陽能電池技術最成熟，應用最廣，占據主要市場份額。2020 年我國多晶硅產量39.2 萬噸，硅片產量約161.3GW，電池片約134.8GW，組件約124.6GW。當前多晶硅1kg Si平均還原電耗為49kWh、平均綜合電耗為66.5kWh、平均綜合能耗11.5kg 標煤，且未來隨著技術進步均將進一步下降。在成本方面，2020 年萬噸級三氯氫硅西門子法多晶硅生產線設備投資成本約為1.02億元/千噸，新投電池片生產線設備已基本國產化，投資成本約為22.5萬元/MW，組件生產線設備已全部實現國產化，投資成本約為6.3 萬元/MW。未來隨著電池光電轉換效率的提高、設備性能及產能的提升，成本將進一步降低。

目前已開發(fā)多種晶硅太陽能電池，其中單晶硅實驗室太陽能電池最高光電轉化效率為26.1%，異質結硅（HJT）26.7%，多晶硅為23.3%（圖1）。其中光電轉換效率超過25%的主要有發(fā)射極鈍化和背面接觸（PERC）電池、交指式背接觸（IBC）電池、HJT電池、異質結背接觸（HBC）電池、隧穿氧化層鈍化接觸（TOPCon）電池等。其中PERC技術比較成熟，是主要的量產技術，市場占比86.4%。規(guī)模化生產的P 型單晶PERC 平均光電轉換效率已達22.8%，部分先進企業(yè)技術已達23%。PERC多晶黑硅電池平均效率為20.8%。進一步提升效率、降低成本、雙面PERC 技術等將成為PERC未來的主要發(fā)展方向。

N型電池技術目前已有很大提升，其中TOPCon電池產業(yè)鏈升級投資成本相對較低，目前平均效率為23.5%。HJT 電池工藝短、溫度系數低，目前平均效率已達23.8%。TOPCon及HJT等N型電池效率均有較大的提升潛力。雖然N型電池光電轉換效率高，但當前相比PERC 技術規(guī)模小，市場占比約3.5%，成本相對較高。預計隨著技術的進步、電池光電轉換效率的進一步提升及成本的大幅降低，N型電池技術將會是未來的主要方向之一。但其大規(guī)模走向市場仍需突破量產化技術瓶頸、提高技術成熟度、產能產線、核心設備國產化、降低成本等關鍵問題。

2.2 薄膜太陽能電池

薄膜太陽能電池相比晶硅太陽能電池具有材料消耗少、能耗低、成本低、可柔性、重量輕、弱光性好、可透光等優(yōu)勢，在BIPV、分布式電站、移動電源、便攜式可穿戴等領域具有廣闊的應用前景，目前占據10%左右的市場份額。傳統的薄膜太陽能電池主要包括硅基、砷化鎵（GaAs）、銅銦鎵硒（CIGS）、碲化鎘（CdTe）等。

硅基薄膜太陽能電池包括非晶硅、微晶硅等薄膜太陽能電池，但當前相比晶硅太陽能電池從電池性能及成本上無明顯優(yōu)勢，技術提升空間相對較為有限。GaAs 具有最高的轉換效率、帶隙合適、吸收效率高、抗輻照能力強、耐高溫等優(yōu)點，在空間應用、無人機等領域具有很大的發(fā)展前景。目前單結單晶及薄膜GaAs 電池實驗室最高光電轉換效率分別為27.8%及29.1%。兩結及三結非聚光型電池實驗室最高效率已分別達32.9%及39.5%。但GaAs 材料價格十分昂貴，制備步驟復雜，設備技術獨特，成本過高，且Ga稀缺，As潛在毒性，限制了GaAs 的規(guī)?；占皯茫瑯O少在地面應用，目前尚未大規(guī)模量產。

目前能夠商品化的薄膜太陽能電池主要有CIGS及CdTe電池。CIGS穩(wěn)定性好、成本低、不衰退、弱光性能好，目前實驗室光電轉換效率記錄為23.4%。我國當前CIGS小電池片（≤1cm）實驗室最高光電轉換效率記錄為23.2%，組件量產產線平均效率為16.5%左右。柔性CIGS組件的最高光電轉換效率及量產平均光電轉換效率分別為17.3%及16.1%。我國漢能集團在CIGS電池技術及量產方面保持世界領先，神華光伏、凱盛科技等也取得較大進展。預計未來隨著工藝技術進步、設備性能改善，CIGS 光電轉換效率仍有較大提升空間。CIGS中原料In、Ga 儲量有限、Cd 潛在污染問題等也有待于未來技術的進步予以解決。CdTe 目前實驗室最高光電轉換效率為22.1%。我國小面積CdTe（≤1cm）實驗室最高光電轉換效率約為20.2%，量產組件最高轉換效率及平均轉換效率分別為16%及15.1%。由于CdTe 本身技術壁壘較高，目前全球CdTe 組件量產主要由美國First Solar 占全球約99%以上份額。我國龍焱能源40MW 全自動產線的設備目前已全部實現國產化，在BIPV 組件方面具有優(yōu)勢。中國建材集團有限公司（簡稱中建材）、中山瑞科新能源有限公司等也在CdTe 量產組件方面取得進展。中建材在成都中建材及邯鄲中建材的CdTe 生產線均已達到100MW/a 的產能，目前正在建設300MW 生產線，成都中建材大面積組件（17.9m）獲得了17.9%的光電轉換效率。中山瑞科CdTe 1200×600 標準組件單塊功率突破120W，轉換效率達到了16.7%。CdTe穩(wěn)定性高、弱光性能好、熱斑效應小、無光致衰減效應、適合柔性，光電轉換效率未來仍有較大提升空間。但目前CdTe本身材料具有一定的局限性、原料Te 儲量有限、CdTe 材料的污染問題等，未來需要開發(fā)環(huán)境友好替代材料、高效回收循環(huán)利用等技術，克服技術瓶頸，在提高量產組件光電轉換效率的同時，推動產業(yè)規(guī)模擴大，進一步降低成本。

2.3 鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦太陽能電池（PSC）相比傳統太陽能電池，原料豐富、工藝簡單、成本低、能耗低、效率高、載流子壽命長、環(huán)保等，尤其對雜質不敏感、吸光能力強、不需高溫工藝，其理論成本遠低于當前主流技術，極具成本優(yōu)勢及經濟性。PSC技術發(fā)展迅猛，光電轉換效率提升速度遠遠超過其他光伏技術，在短短十二年間其轉換效率從2009 年的3.8%提升至當前的25.7%，迅速成為當前國際光伏的前沿及產業(yè)化熱點研究領域，被認為是“最具潛力的下一代光伏發(fā)電技術”，目前處于小規(guī)模試驗及中試階段。我國在PSC 電池領域與國際同步，多項技術保持世界前列。PSC未來發(fā)展所需攻克的主要關鍵技術如圖2所示。

圖2 鈣鈦礦太陽能電池關鍵技術

2.3.1 效率及長期穩(wěn)定性

光電轉換效率及長期穩(wěn)定性是衡量電池性能的重要指標，也是制約其實現產業(yè)化的關鍵因素。高質量的鈣鈦礦吸光材料是獲得高效、高穩(wěn)定性PSC的關鍵，圍繞鈣鈦礦吸光材料，溶劑工程、表界面工程、組分工程、添加劑工程等手段均被證實可獲得均勻致密的高質量鈣鈦礦吸光層、顯著提升PSC光電轉換效率及穩(wěn)定性。溶劑工程通過改變鈣鈦礦前驅體溶解及結晶過程的溶劑，如采用混合溶劑、揮發(fā)性/非揮發(fā)性溶劑、配位性/非配位性溶劑等，可有效調控鈣鈦礦反應、成核、生長等過程，獲得均勻致密的鈣鈦礦吸光層。表界面工程通過修飾、配位、表界面預處理、表界面后處理、增加功能層等手段調控電子傳輸層/鈣鈦礦吸光層/空穴傳輸層及表界面，鈍化薄膜表面缺陷，抑制界面非輻射復合，有效提升電池的光電轉換效率及穩(wěn)定性。組分工程采用混合鈣鈦礦、組分調控等手段對鈣鈦礦材料進行化學組分的調控，可有效調整鈣鈦礦帶隙、增強水氧氣穩(wěn)定性、增長載流子壽命等。添加劑工程通過多種多樣的添加劑如路易斯酸（金屬陽離子、富勒烯衍生物等）、路易斯堿（含O、N、S等的化合物）、銨鹽、離子液體（ILs）等，調節(jié)鈣鈦礦的結晶成膜過程及形貌、鈍化體相及表界面的缺陷，調節(jié)PSC能級、抑制非輻射復合、消除滯后現象，從而有效提高電池的光電轉換效率及長期穩(wěn)定性。其中離子液體類材料由于其物理化學性質穩(wěn)定，可設計性強，尤其在改善PSC電池長期穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢?？赏ㄟ^與鈣鈦礦材料配位等相互作用誘導其定向結晶，有效鈍化缺陷，其本身親疏水性可調，從而獲得高質量、穩(wěn)定的鈣鈦礦吸光層，顯著提升電池的光電轉換效率，最高獲得了25.6%的轉換效率（認證效率25.2%）。此外，引入疏水功能鈍化層、高效封裝材料等策略也可有效鈍化鈣鈦礦材料缺陷，獲得高質量鈣鈦礦薄膜，同時有效改善鈣鈦礦材料本征穩(wěn)定性，從而大幅提升PSC電池的長期穩(wěn)定性。

2.3.2 疊層技術

疊層電池是未來光伏技術的一個重要發(fā)展方向，極具商業(yè)化潛力。疊層結構可突破單結電池的Shockley-Queisser 極限，其理論光電轉換效率可達40%以上，是提升太陽能電池光電轉換效率的有效手段。由于鈣鈦礦材料豐富、成分靈活可調、制備工藝簡單，是疊層電池理想的選擇之一。疊層電池目前主要集中在PSC/Si、PSC/PSC、PSC/CIGS 等結構。目前PSC/Si 疊層電池最高光電轉換效率已達29.8%，全鈣鈦礦PSC/PSC 疊層電池效率已超過25.6%，PSC/CIGS 疊層電池效率已達24.2%，均具有較好的發(fā)展前景。但對于疊層電池，如何有效設計疊層電池結構，開發(fā)理想的、匹配的頂層光吸收層及底層光吸收層，有效減少疊層電池的寄生吸收損失、反射損失、電化學損失等，突破單結電池的效率極限，大幅提升電池的光電轉換效率是未來疊層電池的重點方向。另外疊層電池制備工藝、電池穩(wěn)定性、大面積制備、量產產線等也有待進一步攻克。

2.3.3 無鉛鈣鈦礦

無鉛（Pb）鈣鈦礦材料是PSC產業(yè)化的另一個重要方向。錫（Sn）與Pb 同族，兩者具有相近的電子特性及相近的離子半徑，因而Sn 基PSC 具有與Pb基PSC相近的光電特性，且具有合適的帶隙。但Sn基PSC目前由于二價Sn易被氧化成四價Sn，形成P型摻雜，同時造成電池穩(wěn)定性較差，另外結晶過程快造成薄膜缺陷較多，導致目前Sn 基PSC相比Pb 基PSC 開路電壓、光電轉換效率等較低。采用添加劑工程（鍵合添加劑、還原性添加劑、含Sn 補償劑等）、組分工程（A 位陽離子調控、X 位鹵素離子調控等）、維度工程（降低維度、二維材料等）、共混策略（Sn、Pb混合、溶劑混合）等手段可通過結晶調控及缺陷鈍化調控獲得高質量Sn基鈣鈦礦薄膜，從而有效提高Sn 基PSC 的光電性能。Sn 基PSC 當前獲得的最高光電轉換效率為14.81%，認證效率14.03%，具有較好的發(fā)展?jié)摿Γ磥砣孕璐蠓岣吖怆娹D換效率及電池穩(wěn)定性。

2.3.4 大面積組件

在大面積制備技術方面，區(qū)別于實驗室中常用的旋涂法，為了獲得均勻的高質量大面積鈣鈦礦薄膜，刮涂、狹縫涂布、提拉、噴涂、蒸鍍、熱輔助、真空閃蒸、氣相沉積、噴墨打印、印刷、卷對卷等均被用于開發(fā)大面積電池工藝。電池組件及產業(yè)化技術方面，杭州纖納光電在PSC 組件方面多次刷新世界紀錄，目前最新的19.32cmPSC小組件在穩(wěn)態(tài)功率輸出下的效率達到21.4%[日本電氣安全與環(huán)境科技研究所（JET）認證]，獲得全球首個IEC61215 穩(wěn)定性認證及多倍加嚴認證，標志著PSC技術從實驗室開始邁向市場。極電光能開發(fā)的63.98cm2鈣鈦礦光伏組件獲得了20.5%的光電轉換效率（穩(wěn)態(tài)效率20.1%，JET認證）。協鑫光電已有10MW PSC中試生產線，可生產45cm×65cm尺寸的電池組件。協鑫光電、纖納光電等投建的100MW級大面積PSC電池生產線、極電光能投建的150MW生產線、萬度光能擬投建的第一期200MW生產線等有望進一步大力推動PSC 產業(yè)化進程。PSC光伏組件效率高、成本低，在物料、技術壁壘等方面要求都低于其他太陽能電池，具有較強的市場競爭力及產業(yè)化前景，但距離真正實現產業(yè)化仍需攻克電池長期穩(wěn)定性、大面積制備工藝、大尺寸組件成套裝備開發(fā)、規(guī)?；慨a、高效疊層電池技術等。

2.4 其他新型太陽能電池

其他新型太陽能電池主要包括有機太陽能電池（OPV）、染料敏化太陽能電池（DSC）、量子點太陽能電池（QSC）等。其中OPV 具有質量輕、可柔性、顏色可調、可大面積印刷制備的特點，目前實驗室最高光電轉換效率為18.2%，但當前制約其產業(yè)化的主要瓶頸在于電池的光電轉換效率偏低。未來的主要方向為大幅提升電池的光電轉換效率、開發(fā)重復性能好的可溶液加工活性層材料、高效疊層技術等。DSC 具有原材料豐富無毒無污染、工藝簡單、顏色形狀多樣化、成本低、對設備及環(huán)境要求低等優(yōu)點，自1991 年問世獲得7.9%的光電轉換效率以來，在實驗室技術、小面積組件、實用化技術等方面獲得了廣泛關注。目前制約其規(guī)?；l(fā)展的最主要因素為電池光電轉換效率提升緩慢，多年保持在10%以上，目前實驗室最高光電轉換效率為13.0%。QSC敏化劑種類多、制備工藝相對簡單，具有量子限域效應等，目前實驗室最高光電轉換效率為18.1%。相比傳統的金屬硫化物硒化物，鈣鈦礦量子點展示了優(yōu)異的光電性能，對未來提升QSC 電池光電轉換效率具有較大的潛力。上述三種新型太陽能電池目前主要處于實驗室階段，實現產業(yè)化仍需在大幅提升電池光電轉換效率方面取得進一步突破。我國光伏發(fā)電技術整體現狀、關鍵技術及未來趨勢如圖3所示。

圖3 我國光伏發(fā)電技術現狀、關鍵技術及未來趨勢

3 未來發(fā)展策略

我國光伏發(fā)電目前多項技術世界領先，但對于實現“雙碳”目標及未來能源體系轉型，仍要大力推進現有技術的創(chuàng)新及下一代太陽能電池關鍵核心技術的開發(fā)。一方面需要大力推進現有晶硅太陽能電池包括PERC 技術等，提高效率、降低成本、開發(fā)雙面PERC技術等，充分發(fā)揮晶硅太陽能電池在大規(guī)模并網光伏電站、裝機容量等方面的優(yōu)勢，同時加快TOPCon、HJT、疊層等晶硅太陽能電池新技術開發(fā)，突破技術瓶頸，提高技術成熟度、增加產能、降低成本等。另一方面要著重加快薄膜太陽能電池CIGS、CdTe 等的提效降本、工藝技術進步、設備性能提升、量產產能等，同時開發(fā)材料替代技術、電池循環(huán)回收技術等，加速薄膜太陽能電池市場份額的大幅提升及在BIPV、分布式電站、移動電源等領域的大規(guī)模應用。對于具有產業(yè)化前景的PSC，需大力推動加速其產業(yè)化進程，加快電池長期穩(wěn)定性、大面積工藝、設備產線、工程示范、規(guī)?；慨a等核心技術突破，積極開發(fā)新型高效疊層太陽能電池關鍵技術、大面積制備工藝、組件量產、設備產線等。同時以光伏大規(guī)?；嘣l(fā)展為核心，積極探索面向未來的顛覆性變革光伏技術及自主創(chuàng)新，設備智能化國產化，搭建高水平光伏先進技術平臺，加大政策扶持，健全配套的機制體制、政策、法規(guī)及措施等，為我國光伏產業(yè)創(chuàng)造良好的發(fā)展環(huán)境，不斷推進我國光伏產業(yè)的技術升級及革新，加速光伏產業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，進一步增強我國光伏產業(yè)的核心競爭力，為我國能源轉型變革、構建安全高效穩(wěn)定的清潔能源電力新體系提供保障。

4 結語及展望

實現碳中和是我國重大發(fā)展戰(zhàn)略目標，碳中和倒逼能源體系清潔化轉型、產業(yè)技術變革升級、促進社會全面綠色轉型，對于能源領域是挑戰(zhàn)更是重大機遇。在國家科技的頂層設計及戰(zhàn)略引領下，在社會經濟能源安全正常保障的前提下，大力推動光伏技術快速發(fā)展，自主創(chuàng)新開發(fā)新一代顛覆性變革技術，為構建高效安全的清潔能源新體系奠定技術基礎，在實踐中不斷前行，將為我國碳中和目標的實現提供重要支撐。