光伏技术展望

李振国

工程（英文） ›› 2023, Vol. 21 ›› Issue (2) : 28 -31.

工程（英文） ›› 2023, Vol. 21 ›› Issue (2) : 28 -31. DOI: 10.1016/j.eng.2022.07.008

光伏技术展望

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Prospects of Photovoltaic Technology

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李振国. 光伏技术展望[J]. 工程（英文）, 2023, 21(2): 28-31 DOI:10.1016/j.eng.2022.07.008

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1、 引言

光伏技术在推动全球低碳能源体系形成、最终实现碳中和中扮演着不可或缺的角色。受益于整个光伏产业的技术进步，光伏度电成本在过去十年下降了85% [1]。现在太阳能光伏是全球大部分地区最便宜的电力能源之一。例如，沙特阿拉伯地区在2021年4月发布的光伏电价仅为1.04美分·(kW·h)-1 [2]。

未来几年，光伏技术创新将持续推动光伏电池效率提升、光伏电力成本下降及整个光伏产业规模的扩大。随着光伏电力在能源结构中占比的不断提升，由其在一定地域范围内的间歇性和不连续性特点所带来的挑战将逐渐凸显，从而为光伏与其他能源形式和（或）各类储能方式耦合的新技术的发展带来更多机遇。从长远来看，我们认为绿氢深度参与的“光伏+”系统是我们整个社会实现深度脱碳和可持续发展的关键所在。

2、 光伏技术发展趋势

高效率与低度电成本确保了光伏电力的竞争力，而两者均依赖于光伏行业技术的进步。晶硅太阳能电池自20世纪60年代以来一直在光伏技术中占主导地位，且仍在不断进步与发展。在过去十年里，晶硅太阳能电池在学界和业界均取得了众多技术突破（图1）[3‒6]。

图1 近10年光伏电池发展情况和未来展望。2010—2022年不同类型碳硅太阳能电池的效率演变：同质结正背面接触的晶硅电池（FBC, ▲）与交叉式背接触的晶硅电池（IBC,△）；异质结正背面接触的晶硅电池（HJ FBC, ■）与交叉式背接触的晶硅电池（HJ IBC, ♦）[3‒4]。2016—2021年隆基公司电池转换效率记录（★）与未来十年预测的最高转换效率（☆）。全球光伏加权平均的LCOE（●）与化石能源的发电成本（灰色区域）[5]。2010—2020全球光伏累计装机量（绿色柱形）与2022—2030预测装机量（绿色阴影柱形）[6]。ASU：亚利桑那州立大学；RCz：多次装料拉晶技术；TOPCon：遂穿氧化物钝化接触；POLO：氧化物上多晶硅；ISFG：哈默林太阳能研究所；EPFL：瑞士洛桑联邦理工学院；FhG ISE：弗劳恩霍夫太阳能研究所；PSK：钙钛矿；HZB：德国亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心；CSEM：瑞士电子和微技术中心；PERC：发射极和背面钝化电池；HJT：异质结技术；Al-BSF：铝背场电池。

例如，由德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所在2013年[7‒8]开发的电荷载流子选择性接触——氧化物隧道钝化接触[TOPCon，亦称多晶硅氧化物（POLO）钝化接触]电池，较目前市场上主流的晶硅PERC（发射极和背面钝化电池）具备更优的表面钝化效果与载流子提出能力。目前，TOPCon晶硅电池的光电转换效率最高可达26.0%（正面和背面接触，FBC）[3]（图1中的▲）和26.1%（叉指式背接触，IBC）[9]（图1中的△）。此外，以n/p型非晶硅（a-Si）作为选择性接触层、本征非晶硅作为钝化层的异质结技术（HJT），能够实现晶硅吸收层中载流子的快速输出。通过将HJT与IBC技术相结合，Kaneka公司在2017年开发的异质结背接触（HJ IBC）电池光电转换效率达26.7% [10]，这也是迄今为止单结晶硅电池的最高效率（图1中的□）。同时，异质结双面（HJ FBC）电池目前的效率纪录也达到了26.5%，该纪录由隆基公司于今年发布并保持[11‒12]（图1中的■和★）。

就光伏产业而言，2014年隆基公司推出的多次装料拉晶技术（RCz）和金刚线切割工艺（DWE），极大地拓展了晶硅太阳能电池制造成本降低的空间，在推动光伏度电成本逼近甚至低于化石燃料电力过程中发挥了重要作用（图1中红线和灰色带）。与此同时，PERC技术取代铝背场电池（Al-BSF）技术，使电池转换效率实现了从20%至24%（图1中的★）的大幅提升，这也大大促进了光伏度电成本的下降。这些技术的发展使晶硅太阳能电池技术路线成为目前市场上最高效、最经济的光伏技术路线。而光伏技术的经济性又推动了光伏产业规模的进一步扩大以及光伏技术的持续创新迭代。

未来10年，晶硅电池仍会是光伏行业的主流技术。随着先进技术的应用和新技术的突破，商业化晶硅电池效率将持续提升。在第一阶段（5年），上述先进的钝化接触电池技术，即TOPCon和HJT的规模化可将晶硅电池量产效率提至24%以上。事实上，光伏企业已经公布的26.5%的HJT电池效率和25.7%的TOPCon电池效率均是基于大面积硅片（图1中的★显示了隆基公司的电池效率纪录）[12‒14]。这些先进的电池大规模生产指日可待。

在未来追求更高效率（高于当前26.7%的效率纪录）晶硅电池的道路上[4]，我们必须基于对电池内部过程的深入认识，进一步降低电池体区的效率损失，包括俄歇复合损失、光学损失和前表面欧姆损失。目前，领域内学者已提出了一些与电池效率相关的光子激发和载流子传输与分离过程的初步理论[15‒16]。对于未来需要开发具备更低掺杂浓度的薄硅片（以实现低俄歇复合）以及导电性良好的局域结构或宽带隙化合物接触层（以实现低光损耗和传输电阻损耗），业内已有一定的共识[17]。然而，基于现有理论，实现这些概念并获得预期结果仍十分困难。我们需要建立一个更为细致的电池效率损失分析理论，能够较全面地识别和量化各材料特性（包括吸收成硅材料特性和选择性接触层属性）与电池内部光子/电荷行为过程之间的联系。在该优化理论的指导下，基于先进硅材料的TOPCon、HJT、IBC和DASH（无掺杂非对称硅异质接触）杂化的电池技术，或有望实现超过27%的电池效率[18‒19]。基于此，进一步结合光学结构的改进，单晶硅电池效率以可能达到28%以上[20]。

而后，为突破单pn结电池效率上限（约33%）[21]，多结叠层太阳电池是目前可以预见的必然途径，其在聚光条件下[22]的最高实验光电转换效率已达47.1%。在多种叠层技术路线中，钙钛矿/晶硅（PSK/c-Si）叠层技术，因其完美的带隙匹配、高工艺兼容性和高理论光电转换效率（44%）[23]，目前看是最具前景的。由于大量的研究关注，钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的光电转换效率纪录已由首次提出时的23.6%提升至31.25% [24]（图1中的⎔）。然而，钙钛矿顶层电池的耐久性差，且大面积效率损失显著，这严重限制钙钛矿/晶硅电池的商业化应用。由于其在工作条件下衰减迅速，钙钛矿顶层电池的寿命通常以“小时”计算，这点与晶硅光伏组件25年质保是无法比拟的。因目前的钙钛矿薄膜制备方法很难获得均匀的大尺寸薄膜，小面积（≤1 cm2）的钙钛矿电池[25]中获得的高光电转换效率（>25%）会随着电池面积的增大而显著下降。为了将钙钛矿电池的寿命提升到接近晶硅电池的水平，需深入认识钙钛矿电池性能衰减机制，探索阻断这些电池性能衰减路径的策略，例如，采用全无机钙钛矿[26]，引入有效的缺陷钝化剂（如离子液体）[27]，以及增强电池封装工艺[28]。另一方面，为降低大面积钙钛矿效率损失，需要基于对钙钛矿结晶动力学的深入理解，严格控制钙钛矿结晶过程的变量[29]。例如，在使用最经济高效的溶剂法[30]制备钙钛矿薄膜时，溶剂系统的精细设计对获得较大的高质量薄膜工艺窗口从而在相应的大面积钙钛矿器件上实现更均匀的光电转换效率分布至关重要[31]。此外，提高透明导电层的均匀性和涂层技术的精度对缓解大面积钙钛矿光电转换效率损耗亦十分关键。乐观地说，在相关领域人员的共同努力下，效率大于32%的高稳定性钙钛矿/晶硅叠层电池将于2030年之前实现量产。

3、 光伏应用场景延展

光伏电力在整个能源电网系统中的占比正在持续提升。据国际可再生能源署预测，2030年光伏电力在能源结构中的占比超过10%，累计装机容量超过5000 GW（图1中的绿色柱状）；至2050年光伏电力在整个电网中占到35%以上，累计装机容量达到14 000 GW [6]。在这种情况下，在一定地域范围内光伏电力的间歇性及不连续性的特点对能源系统形成的挑战将愈发凸显。为应对上述挑战，各地正大力推进光伏能源和其他可再生能源（水电、风电等）的多能源互补系统[32]。此外，由光伏和各种储能单元组成的扩展光（光伏+）系统，包括物理（水电）、电化学（电池）和化学（氢）方法，也将快速发展（图2）。

图2 未来绿色能源世界的综合能源系统。

光伏-电解（PV-EC）系统利用光伏发电进行电解制造绿氢，不仅是储存大量太阳能的有效方式，而且是光伏能源深度参与能源结构转型的重要途径。光伏发电产生的绿色氢气在未来可持续发展社会的交通、化工、日常生活等各个领域中，既是重要的能源物质，亦是宝贵的化学原料。同时，光伏-电解系统也是目前将太阳能转化为氢能的最高效的一种方法，实验室结果显示光伏-电解系统可将30%以上的太阳能转化为氢化学能[33]。随着光伏电力成本的不断降低，光伏-电解路线也有望成为最廉价的绿氢制取方法。与此同时，根据国际能源署预测，光伏制氢的规模在2030年将迅速增加到850 GW，并在2050年达到3600 GW [34]。未来社会对绿氢如此巨大的需求无疑将为光伏产业的发展提供巨大的机遇，并推动光伏电力成本的进一步降低。

最终，随着“光伏+”系统的成熟，光伏能源在一定区域内的间歇性及不连续性对能源系统带来的挑战将逐渐被克服，世界能源产业也将从资源属性转变为制造属性。

4、 结论

随着单晶硅电池技术的快速发展，光伏电力目前已成为全球最具经济性的可再生能源之一，光伏能源在全球能源体系中所占比重持续上升。未来，光伏市场仍将以晶硅电池为主，但要实现高于28%的电池效率，我们仍需深入理解影响电池光电转换效率的因素并探索可有效控制这些因素的途径。如果在未来几年里钙钛矿电池的寿命和大面积效率损失问题能够得到有效改善，钙钛矿/晶硅叠层电池有望成为未来主流的高效率（>32%）电池。与此同时，耦合其他能源形式或储能方式的“光伏+”系统，尤其是以绿氢为纽带“光伏-电解”系统，将有效缓解光伏能源在一定区域内的间歇性特点所带来的挑战，使光伏电力在能源系统中的占比进一步提高，为实现巴黎协定目标和深度脱碳社会夯实道路。

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