太阳能发电，未来路在何方？（科学画报)

太阳能应用的三种类型

1839年，法国19岁的小伙子埃德蒙德·贝克勒尔发现，在光照下液体电解质中出现电流。在这瞬间的兴奋中，他并没有意识到在将近200年后，他的发现在化石能源即将枯竭之时会成为拯救人类的“诺亚方舟”。

太阳能的现代应用分成三种类型：其一是用来发热，加热诸如水这样的物质，为人类提供热能。第二种是直接用来发电，当阳光照射在一种器件时，直接在其中产生电能，这种技术称为太阳能光伏发电技术，这种用来发电的器件称为太阳电池。第三种是将太阳能聚集起来，使被加热的物质达到数百摄氏度的高温，这种被加热的物质可以是一种油，也可以是其他种类的物质，通过能量交换，这种处于高温状态的物质可将水汽化，产生高压蒸汽，推动燃气轮机发电。

太阳能的热利用形式已经在世界范围内得到广泛的应用，中国很多地方可以看到的热水器就属于此类技术。但是由于太阳能热利用不能产生电能，所以其利用范围较小。而太阳能光伏技术将太阳能转换成电能，其利用面就广泛得多。2012年全球新安装了32吉瓦的光伏组件，全球累计安装量突破100吉瓦。如果回到10年前的2002年看看，我们发现当时全球太阳电池年安装量只有0.43吉瓦。

目前太阳能光伏发电才刚刚起步，真正的大规模应用还没有展开，因为光伏发电的成本还很高。尽管经过科学界和工业界的共同努力，太阳电池的每瓦组件售价已经从2008年的25元降到2012年的4元，但是光伏发电的成本仍高出中国的火力发电上网成本。人们还在不断努力，以不断提高太阳电池的效率，并逐步降低成本。

晶体硅太阳电池是主流

目前太阳电池的主流产品是晶体硅太阳电池。在2012年生产的太阳电池产品中90％属于晶体硅太阳电池。所谓晶体硅太阳电池就是将硅材料制备成180微米厚的薄片状晶体，在上面通过扩散方法制备出类似于半导体器件中的二极管结构。

这种晶体硅太阳电池可以分成单晶硅电池和多晶硅电池，单晶硅电池的整个硅片都是一个晶粒，而多晶硅电池片中存在许多晶粒。因为晶粒内部存在缺陷，以及晶粒边界的缺陷会阻碍荷电载流子的运动，所以多晶硅电池的效率总比单晶硅太阳电池的效率低。目前，大规模生产的单晶硅电池的效率达到18.5％～19％，而多晶硅电池的效率在17.5％左右，这两种电池的组件效率分别是16％和15％。

单晶硅电池的实验室最高效率达到25%，目前规模化生产的太阳电池效率与实验室的最高效率还有很大的差距，但是工业界已经有了多种技术路线来进一步提升效率。

其他类型的太阳电池

除了晶体硅太阳电池外，科学家已开发出许多其他种类的太阳电池，开发这些电池的目标有两个，一是降低成本，另一个是提高效率。从降低成本的角度开发的电池主要以薄膜电池为主，其中包括：非晶硅薄膜太阳电池、碲化镉薄膜太阳电池、铜铟镓硒薄膜太阳电池、染料敏化太阳电池，这些电池都是以减少材料的使用为目标。

薄膜电池用来吸收太阳光的材料层的厚度仅为0.5～3微米，相比晶体硅的180微米的厚度要低很多。虽然用材较低，但是由于制备工艺的限制，大多数薄膜电池效率较低。不过，含有III-V族化学元素的叠层化合物薄膜电池的效率却非常高。比如，使用砷化铝镓、砷化镓和锗制成的三叠层太阳电池，在非聚光条件下效率达到34.1%，而在418倍聚光下的效率达到43.5%，研究人员甚至有信心在近期将这种聚光电池的效率提升到50%。然而，这种电池的材料和工艺成本都非常高，很难在大规模电站上应用，只能结合聚光和跟踪系统降低发电成本，在应用中仍遇到很多困难。到目前为止，在与晶体硅太阳电池的竞争中，薄膜电池还处于劣势地位。

染料敏化太阳电池的原理是利用染料吸收太阳光，使得其中低能态上的电子跃迁到高能态，并将高能态上的电子输运到二氧化钛材料的导带上去，进而传输到外电极上，而低能态上留下的空位被液态电解质中的碘离子输运过来的电子所填补，碘离子再在背面的金属电极（如铂）交换电子，这样形成一个闭环。目前这种电池的实验室最高效率为11.8％，还没有大规模的量产，其原因主要有：（1）器件中包括液态的电解质，在后续长期使用中容易泄漏；（2）铂背电极较贵；（3）各种材料的长期使用寿命仍不够长；（4）效率仍然不高。

新能源让未来更和平

在未来10年内，晶体硅仍将是大规模光伏电站的主导产品。通过降低硅材料成本以及使用铜代替银作为电极浆料的主体材料，同时将晶体硅电池效率进一步提高到21％以上，太阳电池有希望在现有基础上进一步降低成本，最终实现平价上网，并可能像现在的太阳能热水器那样大规模地安装到普通老百姓的房顶上。

在中国，光伏发电在未来5年内还很难做到像常规能源发电那样平价上网，但是随着太阳电池系统成本的进一步下降、安装规模的上升、常规能源发电成本的进一步提升，太阳能发电平价上网是必然趋势。

当我们遥想几百年之后的未来人类生活时，可能人类的主要活动只围绕着两个方面：制造能源，使用这些能源维持生活，再去制造新的能源。未来世界或许会变得更加和平，人们已经没有必要为争夺能源而进行战争，因为太阳能、风能、生物质能等可再生能源在每个国家、每个地区都很丰富，都是取之不尽、用之不竭的。

（本文作者王文静，中国科学院电工研究所太阳电池技术研究部主任，研究员，博士，博士生导师，中国科学院太阳能热利用与光伏系统重点实验室副主任。国际SEMI会员，中国可再生能源协会理事，中国可再生能源协会光伏专业委员会理事。）