太陽能光伏發(fā)電建設(shè)和技術(shù)路線現(xiàn)狀及行業(yè)未來展望

廖駿源

（四川省能投風(fēng)電開發(fā)有限公司，四川成都 610000）

2020年9月，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布的：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。”體現(xiàn)了中國與各國攜手共建充滿生機、清潔美麗的世界美好愿景和構(gòu)建人類命運共同體的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，也為國家下一步的節(jié)能減排和能源發(fā)展戰(zhàn)略指明了方向。

在此背景下，太陽能光伏作為儲量巨大、開發(fā)成本低廉、低碳排放且我國掌握自主知識產(chǎn)權(quán)的可再生能源發(fā)電方式，已經(jīng)逐漸成為國家未來能源戰(zhàn)略的重要一環(huán)。在過去的10年中，我國太陽能光伏行業(yè)取得舉世矚目的成就，制造技術(shù)領(lǐng)先全球，電池組件出貨量世界第一，太陽能光伏裝機全球第一。盡管取得了如此輝煌的成就，但在2030年碳達峰、2060年碳中和的目標(biāo)之下，我國的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)仍然有很長的路要走。

本文將對我國太陽能光伏行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進行分析、綜述，并對下一步的發(fā)展方向進行展望。

1 太陽能光伏發(fā)電原理

不同于水電、火電、風(fēng)電、核電等利用電磁感應(yīng)原理發(fā)電，太陽能光伏的發(fā)電原理源自于20世紀初發(fā)展起來的固體物理學(xué)和半導(dǎo)體物理學(xué)。

其主要原理是半導(dǎo)體吸收了來自于太陽輻射的光子，當(dāng)光子能量?ωphot大于半導(dǎo)體禁帶寬度ΔW時，半導(dǎo)體中的價帶電子將由半導(dǎo)體的價帶頂部被激發(fā)至導(dǎo)帶底部，形成電子—空穴對。新形成的電子—空穴對在一定范圍內(nèi)不斷產(chǎn)生、復(fù)合，部分電子、空穴在PN結(jié)本身的內(nèi)建電場的作用下，在空間電荷區(qū)被分別分離至P區(qū)和N區(qū)形成電荷堆積，在有限的區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)了電子—空穴對分離。在實際應(yīng)用中，人們再利用加入電極等方式將電子—空穴對進一步分離，并通過外回路形成電流，以完成光子能量到電能的轉(zhuǎn)換。

2 我國太陽能光伏裝機和發(fā)電情況及下一步目標(biāo)

2.1 “十三五”期間全國光伏建設(shè)和發(fā)電運行情況

根據(jù)國家能源局官方統(tǒng)計數(shù)據(jù)，“十三五”期間我國光伏裝機容量實現(xiàn)跨越式增長，由2016年的0.77億kW增長到2020年的2.52億kW，增長3.27倍，平均年增幅26.76%。其中集中式光伏電站裝機由0.67億kW增長到1.74億kW，增長2.59倍，分布式光伏自0.1億kW增長至0.78億kW，增長7.8倍。分布式光伏占比大幅提升，由2016年的12.99%增長到2020年的30.95%（詳見圖1）。

圖1 “十三五”期間全國光伏裝機情況

光伏發(fā)電量由2016年的662億kWh增長至2020年的2605億kWh，增長3.93倍，平均年增幅31.52%（詳見圖2）。

圖2 “十三五”期間全國光伏發(fā)電量情況

2.2 國家光伏行業(yè)下一步發(fā)展目標(biāo)

2020年12月，習(xí)近平主席在氣候雄心峰會上宣布，到2030年，中國風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到1200GW（12億kW）以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右。

3 光伏電池片各技術(shù)路線的市場份額及發(fā)展方向

3.1 電池片材料

自20世紀90年代以來，單晶硅、多晶硅、薄膜，甚至砷化鎵等多種光伏線路貫穿整個光伏發(fā)展歷史。經(jīng)過近十余年的發(fā)展，最終市場選擇了一條能夠?qū)崿F(xiàn)平價上網(wǎng)的技術(shù)路線。

現(xiàn)階段，晶硅材料占據(jù)了絕大部分（80%以上）的市場份額，薄膜、砷化鎵等太陽能電池因其在制造成本和技術(shù)成熟度上的劣勢，市場占有率相對較低。

在單晶硅和多晶硅的競爭當(dāng)中，2018年之前，多晶硅以其低廉的制造成本占領(lǐng)了絕大部分的光伏電池片市場。而隨著單晶硅棒改良西門子法的成熟，單晶硅的制造成本大幅下降。在轉(zhuǎn)化效率方面的優(yōu)勢，使單晶硅技術(shù)在市場占有率逐年提高，目前PERC多晶硅太陽電池已經(jīng)基本上轉(zhuǎn)向了PERC鑄錠單晶硅太陽電池。

3.2 電池制造技術(shù)

3.2.1 PERC技術(shù)

在電池制造技術(shù)方面，自2018年以來PERC太陽能電池已經(jīng)幾乎完全取代了BSF多晶硅太陽能電池。PERC太陽能電池不論是采用多晶還是單晶硅材料，無論是使用單面技術(shù)還是雙面技術(shù)。其工藝流程都主要是在傳統(tǒng)BSF技術(shù)基礎(chǔ)上增加背鈍化膜的制備、前表面激光和背表面激光開孔三道工序。在2020年各主流廠家的通過縮小細柵線面積、縮小甚至取消主柵面積，以及降低SE區(qū)域面積等方法降低前表面復(fù)合速率，使PERC組件的轉(zhuǎn)化效率已突破23%。但同時，PERC技術(shù)也逐步進入轉(zhuǎn)化效率突破上的瓶頸。

3.2.2 TOPCON技術(shù)

TOPCON是一種隧穿氧化層鈍化接觸（Tunnel Oxide Passivated Contact）太陽能電池技術(shù)，其電池結(jié)構(gòu)為N型硅襯底電池，在電池背面通過超薄的氧化硅和摻雜硅薄層形成鈍化接觸結(jié)構(gòu)，以降低電子—空穴對的表面復(fù)合和金屬接觸復(fù)合，為NPERT電池轉(zhuǎn)換效率進一步提升提供更大的空間。電池核心技術(shù)是背面鈍化接觸，硅片背面由一層超薄氧化硅（1～2nm）與一層磷摻雜的微晶非晶混合Si薄膜組成。此方法制備的N型太陽能電池轉(zhuǎn)化效率超過23%，目前實現(xiàn)的最高效率已達到25.8%。

3.2.3 HJT異質(zhì)結(jié)技術(shù)

目前，HJT異質(zhì)結(jié)技術(shù)也是太陽能電池發(fā)展的重要方向之一。N型HJT電池的結(jié)構(gòu)是以N型單晶硅為襯底作為主要的吸收區(qū)域。經(jīng)過制絨清洗后，在襯底正面沉積本征非晶硅薄膜和P型非晶硅形成異質(zhì)結(jié)。在背面，沉積N性非晶硅形成背表面場。之后雙面沉積TCO，最后通過在兩側(cè)的頂層印刷金屬電極。其具有結(jié)構(gòu)對稱、開路電壓高、溫度特性好等優(yōu)點。轉(zhuǎn)化效率亦可高達25%。但目前，異質(zhì)結(jié)電池依然存在制造設(shè)備投資高、工藝復(fù)雜、技術(shù)要求較高、生產(chǎn)成本仍高于同質(zhì)結(jié)組件等缺點，有待進一步發(fā)展。

4 分析和展望

4.1 裝機建設(shè)規(guī)模及形式

在裝機建設(shè)規(guī)模方面，要達到2030年600GW以上的裝機容量。我國的太陽能光伏裝機需由2020年底的2.52億kW增加至6億kW以上，平均年裝機容量增加約為3500萬kW，年平均增長率需超過19%。根據(jù)2016—2020年我國光伏裝機容量的增長情況來看，我國無論從技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模上均具備按時甚至提前完成600GW光伏裝機的能力。

在電站建設(shè)方面，土地一直是制約規(guī)模化光伏建設(shè)的重要因素之一。在國家大力推動光伏建設(shè)的背景下。水光互補、漁光互補及分布式光伏將得到更好的發(fā)展，同時分布式光伏以其接近負荷中心、更具電價競爭力等優(yōu)勢裝機比例將進一步提高。

4.2 光伏組件

在光伏組件主要存在以下趨勢：①上游原料單晶逐步替代多晶；②電池組件N型逐步替代P型；③生產(chǎn)工藝TOPCON和異質(zhì)結(jié)等新技術(shù)將在成本等問題取得突破后替代PERC技術(shù)。

5 結(jié)語

隨著碳達峰、碳中和目標(biāo)的確立，我國的光伏行業(yè)發(fā)展將進一步提速。晶體硅、電池片、電池組件的生產(chǎn)技術(shù)將進一步加快發(fā)展，技術(shù)路線之間的競爭將更加激烈；光伏產(chǎn)業(yè)鏈將更加合理和完善。光伏電站裝機容量將穩(wěn)定增長，水光互補、風(fēng)光互補、漁光互補及分布式發(fā)電將得到更加全面的發(fā)展。