中國光伏行業(yè)發(fā)展現狀

王 娜 徐 兵 郭明磊 李 勇

（安徽科技學院電氣與電子工程學院 安徽·蚌埠 233000）

0 前言

光伏發(fā)電技術歸根結底得益于光生伏特效應，簡單的說就是光照產生電現象。這一效應發(fā)現于1839年，隨后1877年科學家發(fā)現半導體Se材料也可以發(fā)生相同的效應。在1945年，貝爾實驗室合成了世界上第一塊硅太陽能電池，隨后在1954年實驗室里合成的單晶硅太陽能電池的光轉換效率達到了震撼世界的6%。隨著成本的降低，很快1974年太陽能電池進入了商用。

我國的光伏產業(yè)起步較早（1975年），近幾年，發(fā)展迅速。2013年，光伏新增發(fā)電裝機容量為11.8GW，首次超過歐盟11GW，成為全球第一大光伏市場。2020年，雖然受到疫情的影響，我國的光伏產品比如硅材料、電池組件的產量呈同比增長的大好趨勢。我國在世界光伏產業(yè)中掌握絕對的話語權。

1 發(fā)展光伏產業(yè)的意義

與清潔能源取之不盡、用之不竭的特點相比，傳統(tǒng)能源儲量有限。比如中東地區(qū)，能源儲量世界第一，但僅僅夠開采100年。2020年，英國石油公司給出的最新統(tǒng)計數據表明，我國的煤炭儲量為141595百萬噸，世界排名第四，但是也就能開采60年。以首都北京為例，一年用電量（居民+工業(yè)+寫字樓）一千億度電，消耗5000萬噸煤。我國這樣的一線城市4個，新一線城市15個，二線城市30個。目前，資源枯竭現象明顯。東北集中了我國1/4的資源型城市，1998年出現“東北現象”、2000年出現“萎縮礦區(qū)”、2005年出現“森林基地縮減至98%”等資源枯竭現象。國內生態(tài)環(huán)境日趨惡化。長期的傳統(tǒng)能源消耗，人造氣體增加。以地球為研究對象，太陽光輻射為吸熱，地球輻射為放熱，吸收和放熱因為大氣層的存在而保持一定的溫度?，F在隨著人造氣體的增加，地球的能量不能正常逃逸，地球就像被困在厚厚的玻璃里，這樣地球溫度上升，這就是全球溫室效應。最近幾年，空氣污染較為突出，霧霾天氣頻繁出現，嚴重影響人們的出行和生活。因為長時間霧霾、地下水層污染和食品添加劑的長期使用，最近幾年，肝癌、胃癌和肺癌等癌癥將會越來越普遍。

與清潔能源使用相比，傳統(tǒng)能源開采過程會對地表造成嚴重的破壞，以露天煤礦為例，需要剝離巖土層才能露出煤炭，常年累月的挖掘，山丘被夷為平地，平地被鏟成洼地。巖土層沒被剝離后的礦區(qū)會寸土不生，嚴重破壞了生態(tài)平衡。我國地域遼闊，大大小小的露天煤礦多達5300個。盡管如此，我國露天煤礦占總煤量的15%，85%的儲量在多百米甚至千米之下，需要井下作業(yè)。開采結束后，原來的煤層填充空間如果置之不理就會發(fā)生巖層垮塌和地面下沉現象。

為此，國家首先在東北進行經濟轉型試點。2001年阜新被設為首個資源枯竭城市，2007年東北進入全面“生態(tài)文明”建設，即以較低的資源代價和環(huán)境代價換取較高的經濟發(fā)展速度。2010年，國務院常務會議審議并原則通過加快新興產業(yè)的決定，其中就包括光伏產業(yè)。目前，我國傳統(tǒng)能源消費比例明顯下降，以煤炭為例，已經從70年代的90%以上下降至60%以下，未來還會繼續(xù)下降。

2 我國光伏產業(yè)發(fā)展分布現狀

我國三分之二的地域為高原丘陵地區(qū)，地廣人稀，造成傳統(tǒng)電網成本極高，電力供應不足。而光伏發(fā)電具有地域性、靈活性特點，剛好能解決這一矛盾。目前，太陽能利用的主要形式有：太陽能熱水器、太陽熱發(fā)電、建電一體化和光伏發(fā)電。2010年9月，國務院決定發(fā)展新能源產業(yè)，即生物質能、核聚變能、海洋能、風能、熱能和太陽能。2016年底，我國太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)有了質的飛躍，新增裝機容量僅次于德國和意大利，成為世界第三。光伏發(fā)電不僅是新能源的主要擔當，在多能互補項目中取得了很多成就。青海的共和大型光伏發(fā)電項目與龍羊峽水電站合力實現了晝夜不間斷發(fā)電，也是世界上第一座水光互補發(fā)電項目。我國的光伏項目主要集中在西北五省：甘肅、青海、新疆和西藏。2014年，科技部牽頭光伏科學與技術國家重點實驗室在北京舉行了研討會，到會專家一直認為到2030年光伏發(fā)電會成為主要的新能源，2050年會成為主導能源。另一方面，隨著太陽能電池的原材料單晶硅、多晶硅和非晶硅的加工工藝的改進，太陽能電池組件的制造成本會進一步降低。國內有名的光伏企業(yè)：英利集團有限公司、天合光能集團、南京中電光伏科技集團和漢能太陽能集團。與西部光伏發(fā)電項目相比，東部更多利用公共建筑體系建設光伏發(fā)電系統(tǒng)。擁有光伏發(fā)電項目的火車站有：武漢站、杭州東站和上海虹橋火車站；引入光伏項目的地鐵站有：石家莊地鐵、上海龍陽路地鐵和廣州地鐵；建設光伏項目的飛機場有：上海虹橋地鐵、北京大興國際機場和深圳機場。國內一流大學均有課題組投入到光伏材料的制備之中，比如上海交通大學、中山大學、中科院半導體研究所和南開大學等。目前，廉價的鈣鈦礦材料是科研領域的研究熱點。2017年，南京理工的科研團隊進行了該材料制備工藝的研發(fā)，為商用奠定了堅實基礎，研究成果被國際頂級雜志采用。2020年，西安交通大學課題組有給出新型廉價太陽能電池材料，其發(fā)光效率可達12.3%，該研究成果發(fā)表在國際權威雜志《材料化學A》上。以上均說明，不論是在光伏市場還是在科技最前沿，我國均具有絕對的話語權。

3 我國光伏新材料研究現狀

太陽能電池簡單的說就是一個pn節(jié)。以同質硅為例，低濃度離子注入硼形成p型半導體，然后表面高濃度注入磷形成n型，這樣表層n型區(qū)與底層p型區(qū)之間就形成pn結。從半導體物理的角度，pn結分為三個區(qū)，p型區(qū)（中性區(qū)，帶負電的雜質離子，空穴，均勻分布，顯電中性），n型區(qū)（中性區(qū)，帶正電的雜質離子，電子，均勻分布，顯電中性），中間耗盡層（p側留下不可移動的帶負電的雜質離子，n側留下不可移動的帶正電的雜質離子，內建電場）。太陽光照射表面，三個區(qū)均可以產生電子-空穴對，在內建電場的作用下，p側聚集空穴對應電源的正極，n側聚集電子對應電源的負極，如果有外電路，電流就會從p側流向n側。傳統(tǒng)的但是用的最多的太陽能電池材料包括單晶硅、多晶硅和非晶硅，其中單晶硅太陽能電池的光電轉化效率最高，價格也最昂貴。簡單的光伏發(fā)電系統(tǒng)有以下幾部分構成：太陽能電池組件、控制器、蓄電池和負載。其中，如果是交流負載，還需加上逆變器，逆變器可以將直流電轉化成交流電，供交流負載使用。單晶硅光轉化效率高但價格昂貴，多晶硅轉化效率一般但價格低廉，應用更廣泛。目前，關于多晶硅的改良方法不斷被提出和改進，國內硅制品產業(yè)發(fā)展較好。多晶硅的改良方法有西門子改良方法、硅烷的熱分解方法、高純試劑還原方法和真空冶金技術。目前，我國仍然是光伏電池和組件的生產大國，但是生產專利很多依賴國外，多晶硅的制備和單晶硅的提純的新技術和新方法仍然是目前的科研熱點。薄膜太陽能電池是將半導體膜沉積在幾十微米厚的半導體薄膜上。厚度在幾十微米之內薄膜太陽能電池（晶體硅太陽能電池300微米以上）雖然很薄，但是滿足對大部分光的吸收，這樣大大節(jié)省了硅材料成本。國內專家表示，如果薄膜電池的光電轉化效率高于15%，薄膜光伏電池將占據大部分市場。目前，找到廉價、高轉化率的化合物薄膜光伏電池材料仍然是科學研究的熱點。與硅晶材料相比，砷化鎵光伏電池具有體積小、質量輕、光轉化率高等顯著優(yōu)點。砷化鎵是直接帶隙半導體材料，禁帶寬度比Si小很多，在太陽能電池有著廣泛的應用。砷化鎵具有較好的抗輻照能力，因此，很多砷化鎵光伏電池應用到軍事和航空航天領域。目前，關于砷化鎵及其復合半導體材料在光伏領域的應用仍然是研究的熱點領域。2010年，石墨烯硅基太陽能電池被報道，揭開了研究低維光伏材料的大門。利用化學工藝CVD將石墨烯在n型硅上生長，因為功函數的差異，兩者的能帶在化學接觸點發(fā)生彎曲從而形成內建電場，光照環(huán)境下，硅區(qū)產生的電子空穴對被內建電場分離形成新的電場，即發(fā)生光生伏特效應。隨著化學摻雜技術、光學減反技術和界面優(yōu)化技術的突出，Gr-Si電池的光電轉化率已有最初的1.65%提高至13.7%，提升空間仍然很大。盡管如此，石墨烯的制備方法成本較高、si的吸光性差和電子遷移率不好等缺點限制了該材料的商業(yè)應用。因此，如何降低CVD生長方法成本、如何提高SI基性能進而提高電池的光電轉化效率仍然是目前低維太陽能電池材料的研究熱門領域。

4 小結

受疫情影響，全球光伏產業(yè)同比都明顯降低，但是中國光伏產業(yè)扛住了疫情的影響，二季度強勢增加，其中多晶硅、電池組件等的產量呈現同比增長的好勢頭。相信在國家“絲綢之路經濟帶和21世紀海上絲綢之路”政策下，中國的光伏產業(yè)將迎來更廣闊的的空間。