“双碳”目标下我国太阳能利用技术的发展现状与展望

李美成，高中亮，王龙泽，耿 奇，李英峰，崔 鹏，纪 军，黄 浩

(华北电力大学新能源学院，北京 102206)

0 引言

中国作为世界第二大经济体、绿色经济技术的领导者，在承担能源绿色低碳发展方面，表现出了大国担当[1]。2020年9月22日，国家主席习近平郑重向世界宣布，中国的二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值(即碳达峰)，努力争取2060年前实现碳中和[2](下文简称为“‘双碳’目标”)。在实现“双碳”目标的愿景下，构建以新能源为主体的新型电力系统，实现能源体系的清洁、低碳，是我国整个能源行业自上而下共同努力的目标[3]。当前，在所有的新能源发电方式中，太阳能发电和风力发电均具有较大的规模，且二者可以相互补充。

太阳能利用技术主要包括光伏发电、太阳能热发电、光化学、光感应和光生物转化等多种形式。光伏发电的并网装机容量占全部太阳能发电并网装机容量的99%以上，光伏发电已成为太阳能发电技术的主力军[4]。面对当前实现“双碳”目标的新形势，我国太阳能利用技术迎来了新的发展时期。当前，太阳能发电产业的制造能力持续增强、产业链逐步完善、发展规模位居全球多个第一、技术化水平不断提升，但仍然面临一些挑战。为此，本文梳理了我国光伏产业的发展现状与太阳能利用技术发展过程中面临的主要挑战，针对实现“双碳”目标的新形势，展望了太阳能利用技术的发展前景，并从技术研发、人才培养、产业发展、创新平台4个方面提出了建议。

1 光伏产业的发展现状

经过多年的发展，我国光伏产业已经实现了全产业链的自主可控，是我国目前少有的具有国际竞争力的产业；该产业是实现我国能源变革的重要引擎，有望率先成为战略性新兴产业高质量发展的典范[5]。尤其在“双碳”目标的引领下，光伏产业在制造能力、产业链完善程度、市场规模及技术化水平等方面均取得了举世瞩目的成绩。

1.1 制造能力持续增强

在光伏制造业持续向国内转移的背景下，我国光伏产业链各个环节的规模在全球范围内都已占据了高份额[6]。2007年我国太阳电池的产量跃居全球第一，目前仍保持着该纪录且产量处于遥遥领先的地位。截至2018年底，我国光伏组件的累计产量占全球光伏组件总产量的2/3以上[6]；截至2020年底，我国光伏组件的年产量已连续14年处于全球领先地位。2020年，我国多晶硅、硅片、晶体硅太阳电池、光伏组件的产量分别达到了39.2万t、161.3 GW、134.8 GW与124.6 GW[7]。此外，我国光伏制造企业的规模和实力也位居全球前列，多晶硅产量连续10年位居全球第一。随着多晶硅制造企业的技术改进及新建产能的释放，预计2021年我国多晶硅产量将达到45万t[8]。

1.2 产业链逐步完善

我国光伏产业已形成了完整的产业配套设施，包括光伏专用设备、平衡部件和配套辅材辅料等，并且产业链各环节的规模也实现了全球领先。得益于良好的政策环境与技术积累，我国在硅材料生产、硅片加工、太阳电池制造及光伏组件生产等环节已经具备了成套供应能力。而其他光伏产业发展较快的地区和国家却无法具备这种优势，目前尚无法形成完整的产业链供应能力[6]。隆基绿能科技股份有限公司、天津中环半导体股份有限公司和晶科能源控股有限公司这3大企业的硅片新增产能已超过全球硅片新增产能的70%，且头部企业的产能集中化趋势明显，使我国光伏产业的全产业链完善程度持续加强。在全球光伏产业的各个产业链环节(包括多晶硅、硅片、太阳电池、光伏组件、逆变器)前10位的排名中，我国企业几乎占领了整个版图。

1.3 市场规模持续扩大

自国务院发布《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》(国发[2013]24号)以来，我国各政府部门都在积极支持光伏产业的发展。2013年，我国光伏发电新增装机容量实现了全球第一；2020年，我国光伏发电的新增装机容量达到了48.2 GW，已连续8年位居全球第一；截至2020年底，我国光伏发电的累计并网装机容量达到了253 GW，已连续6年位居全球首位。此外，2020年，我国光伏发电量达2605亿kWh，同比增长16.2%，占我国全年总发电量的3.5%，同比提高了0.4个百分点[9]。

从2019年开始，我国的光伏发电已逐渐接近或达到平价上网水平。“双碳”目标的提出，为我国光伏产业的发展注入了更加强劲的动力，未来，光伏发电将成为我国的核心能源利用形式，大规模的集中式光伏电站和分布式光伏电站将共同占据能源利用形式的半壁江山。随着《国家能源局综合司关于报送整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》等政策的不断出台，未来我国光伏发电的市场规模将保持平稳且较快地增长，并呈现出集中式光伏电站与分布式光伏电站“协调并跑”的发展态势。

1.4 技术化水平不断提升

我国太阳电池的产业化技术水平不断提升，近几年，量产太阳电池的光电转换效率以每年约0.5%的速度增长。从2021年来看，在各种商业化太阳电池产品中，PERC太阳电池在未来5～10年内将占据主要的市场份额，各种新型的n型太阳电池技术将出现增速发展。在薄膜太阳电池技术领域，铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池技术将是我国光伏建筑一体化产业的重要应用方向。钙钛矿太阳电池技术正处于商业化发展的前沿，由于其在光电转换效率、成本、弱光性和室内应用方面均具有显著优势，许多研究人员认为钙钛矿太阳电池有望取代硅基太阳电池的统治地位。

在太阳电池技术的研发方面，我国企业及科研院所刷新世界纪录的频率在不断加快。2021年5月31日，晶科能源研究院制备的大面积n型单晶硅太阳电池获得了光电转换效率为25.25%的世界纪录[10]。同年7月，通威太阳能有限公司利用其PERC太阳电池量产设备，通过对该类太阳电池生产工艺的创新，制备了光电转换效率可达23.47%的M6大尺寸全面积PERC太阳电池[11]。

2 太阳能利用技术发展中面临的挑战

在充分肯定我国太阳能发电产业及太阳能利用技术取得阶段性成果的同时，也应清楚地认识到构建以新能源为主体的新型电力系统，并不是为了单纯增加太阳能发电等新能源发电的装机规模，而是为了使能源电力行业实现全局性、革命性的变革。因此，在实现“双碳”目标的进程中，我国太阳能利用技术将会在科研、技术、机制等多方面面临挑战，主要表现为：基础研发能力薄弱、专业人才供给不足、光伏发电的高效利用有待进一步提升，以及标准化能力不足，缺少大型公共研发和检测平台。

2.1 基础研发能力薄弱

我国太阳能发电产业具有一定的“重发展规模、轻自主创新”的倾向，基础性科研的投入力度不足。在我国太阳能发电产业发展初期，以产业链中的中低端装备制造作为切入点，以规模优势实现了产业的迅速发展，但主要技术的发展水平与发达国家相比仍存在一定差距。目前，主流的太阳能热发电技术及其参数均由欧美国家创造和拥有，而且高效太阳电池的结构及技术原理均由国外研究人员研发，这给我国太阳能发电产业的国际化发展带来了知识产权风险。

近年来，在薄膜太阳电池、量子点太阳电池等光伏发电技术方面，虽然我国投入了较大的研发力量，但是研发技术储备不足，极易受到国外技术的限制和打击，可能会直接影响我国光伏产业的发展[12]。

2.2 专业人才供给不足

太阳能利用技术涉及多个技术领域，涵盖了物理、化学、材料科学与工程、电子信息工程、电气工程及自动化等多个学科门类，因此对于研发人员的学习能力、融合创新能力的要求较高。然而，我国当前的大学学科门类划分仍沿袭苏联时的学科门类设置，适用于工业化时代发展的各类学科划分相对割裂，严重滞后于当前产业的快速发展，不利于培养知识结构全面、综合素质较强的复合型人才，使太阳能利用技术的专业人才供给与需求难以吻合。

2.3 光伏发电的高效利用有待进一步提升

光伏发电具有显著的间隙性和随机性，导致光伏发电功率不平稳，而电力系统必须时刻保证电能供需一致。因此，高比例的光伏发电将给电力系统的安全、稳定运行带来挑战。预计在2050年，我国新能源发电平均每天将产生超过10亿kW的波动功率[13]，而根据届时的常规能源总装机容量，将难以利用常规能源进行功率调控[14]。因此，电力系统实现能量平衡的难度将不断加大，这也将给光伏发电的有效利用带来挑战。

2.4 标准化能力不足，缺少大型公共研发和检测平台

我国作为太阳能发电产业的“世界工厂”，在设备生产、制造、监管等方面均需要各类标准、规范，但我国的标准化制定工作与欧美发达国家相比仍然存在较大差距。由于我国大部分的太阳能利用技术的国家标准或行业标准的实施时间较早，且部分太阳能利用技术的标准存在缺失，技术指标滞后，无法满足当今太阳能发电产业的技术发展需求。与国际通用的IEC标准相比，我国的太阳能利用技术尚未发展出完整的标准体系。

另外，在光伏发电技术的检查认证方面，我国虽涌现了一批检测认证机构，但仍面临诸多不足。比如：测试数据在国际公信力方面无法与国外先进机构相比，导致国内认证机构的品牌在国际市场的认可度有待提高，由国内检测机构出具的太阳电池光电转换效率数据仍需获得国际权威机构的认可。

此外，我国缺乏太阳能利用技术领域的公共研发平台及大科学装置。在太阳能利用技术领先的发达国家，均有国家级公共研发平台，并以其作为科技研发的支撑，如美国国家可再生能源实验室(NREL)、德国的弗朗霍夫实验室、日本的新能源产业技术综合开发机构(NEDO)等。我国的太阳能利用重点实验室多隶属于企业，对于解决国际型科学技术前沿问题的能力不足，“产、学、研、用”的结合力度欠佳，未能发挥核心技术服务于全行业的作用，也不利于尽快攻克“卡脖子”类的关键核心技术。因此，我国需要建设具有战略性、基础性和前瞻性的针对太阳能利用的大科学装置，通过采用“产、学、研、用”紧密结合的运营模式，快速实现新技术的产业化。

3 太阳能利用技术的前景展望

为有效攻克太阳能利用技术发展进程中面临的主要挑战，更好地服务于我国“双碳”目标的实现，未来的太阳能利用技术将重点围绕研发创新、人才培养、产业升级、平台建设等方面开展。

3.1 加强基础研究，抢占颠覆性技术创新制高点

基础研究是整个科学体系的源头，也是解决太阳能利用领域所有技术问题的总机关。应加大太阳能利用技术的基础研发投入，加快构筑支撑高端引领的先发优势，力争在关键领域、“卡脖子”的关键技术方面尽早取得突破。例如，亟需突破轻、薄、柔、高效率的太阳电池制备工艺难题，加快研发新一代太阳能利用技术，以应对下一轮太阳能发电产业的技术革新。

同时，推进新一代数字化技术与太阳能利用技术的交叉融合，抢占颠覆性产业科技创新制高点，实现新技术领域的“换道超车”。例如，基于区块链的去中心化核心思想与分布式数据结构，并发挥能源物联网的可拓展性优势，对传统分布式光伏发电系统进行数字化改造，构建相互信任、高效流通、开放共享的能源网络。

3.2 创新人才培养，学科建设与产业创新良性互动

太阳能利用技术进步与产业发展都离不开人才，硬实力与软实力，归根到底要靠人才实力，因此，太阳能利用技术的长远发展需要全面汇聚人才，着力夯实创新发展的人才基础。

1)在学科布局方面，加强顶层设计，设立“新能源与储能工程”或“可再生能源与储能”等新能源类一级学科，促进学科交叉融合，加快培育新的学科增长点，以带动太阳能等新能源开发利用相关学科整体水平的提升和布局优化；

2)在人才培养方面，突出价值引领，建立通专融合的人才培养体系，整合“新能源材料与器件”“新能源科学与工程”等相关学科专业，加强通识教育核心课程体系的建设，开展工程教育认证工作；

3)在融合发展方面，促进“产、学、研”融合发展，建立企业与高校联合实验室，打破科技创新与产业应用之间的壁垒；

4)在科研评价方面，面向国家需求，立足国际前沿，深化学术科研创新机制改革，建立科学合理的科研分类评价体系。

3.3 以用户为中心，提升绿色电力高效利用能力

能源电力市场正在从“以产品为中心”逐步转变为“以用户为中心”，光伏发电市场也应顺应行业趋势，利用需求侧的良性互动，提高绿色电力的消费率与利用率，真正实现能源消费革命。

1)加快新型光电玻璃、光电幕墙、光电遮阳板等新技术的研发，积极建设光伏建筑一体化项目，使光伏发电项目不单局限于建在地面及屋顶，将建筑物的玻璃与墙体作为发电设施，可极大提高用户侧的绿色电力产销量；

2)积极推进国家农业绿色发展先行区的创建，打造现代化农业光伏示范工程，以农业用户为中心，在拓展光伏发电建设区域的同时，通过科技创新实现光伏与农业的有机结合，促进农业农村地区设施用能的清洁化和低碳化。

3.4 提高检测认证水平，加快建设公共研发平台

提高检测认证水平，使我国检测机构出具的太阳电池光电转换效率等数据得到国外权威机构的认可，这是保障我国太阳能利用技术原创性可持续发展的基础。应发挥我国国家制度和治理体系的优势，主动加强前瞻性思考、全局性谋划、战略性布局、整体性推进，积极建设国家级公共研发平台，针对太阳能利用的关键核心技术及检测认证平台，凝聚合力进行科研攻关。

1)建设太阳能技术公共研发平台，投建太阳能利用领域的大科学装置，瞄准世界科技前沿，加强软、硬件关键技术攻坚；

2)加快建设国家级实验室，强化太阳能利用技术的原始创新能力，凝聚新能源领域高端领军技术人才，实现未来太阳能利用技术的国际引领，乃至发起和领导国际大科学计划和大科学工程，是实现我国将太阳能打造成未来主导能源的有效行动计划。

4 结论

太阳能利用技术是一种低碳、高效和可持续的能源供给方式，将成为我国能源结构转型升级的必然选择。本文分析了在“双碳”目标下我国太阳能利用技术发展过程中面临的主要挑战，并对发展提出了具有针对性的建议。在未来的发展进程中，应持续关注核心技术创新，寻求太阳能利用技术的基础理论突破；创新学科建设，为光伏发电、太阳能热发电行业夯实人才基础；转变发展理念，以用户为中心，实现绿色电力的高效利用；切实提高太阳能利用技术的检测认证能力，加快建设国家级公共研发平台。通过多方面的协同发展，我国太阳能利用技术必将迎来更加广阔的发展前景，推动我国能源改革的进程，为实现“双碳”目标提供源动力。