碳中和目标下的光伏发电技术

苗青青，石春艳，张香平

（中国科学院过程工程研究所绿色过程与工程重点实验室，离子液体清洁过程北京市重点实验室，北京 100190）

当前温室气体引起的全球气候变化已成为全人类面临的严峻挑战。《巴黎协定》提出了全球实现控制2℃温升并努力低于1.5℃的目标，我国在2020 年9 月第75 届联合国大会提出了2030 年碳达峰、2060年实现碳中和的“双碳”目标。据统计，2020 年我国CO排放量达100 多亿吨，电力行业的碳排放是其主要排放来源之一，控制电力行业的碳排放将在碳减排中发挥关键作用，将直接影响我国“双碳”目标实现的进程。此外，在“双碳”目标下，随着电力对煤油气等的替代、工业交通等终端电气化及未来社会对电力需求的持续增长，大力开发利用可再生能源等绿色低碳零碳能源体系、构建以新能源为主体的新型电力系统，成为当前能源领域技术变革的战略方向。光伏发电是我国未来可再生能源发电的主要方式之一，具有能量来源巨大、绿色环保无污染、安全可持续、安装灵活、建设周期短、使用寿命长、运维成本低、应用形式多样、适用范围广等优势。本文重点对我国光伏发电的现状、存在问题、关键技术、未来发展趋势及发展策略等进行简要论述，以期为我国光伏产业的快速发展及高效安全的清洁能源新体系构建提供方向引导。

1 光伏发电现状及存在问题

2020年我国可再生能源开发利用规模达6.8亿吨标煤，居世界第一，相当于替代煤炭量约10 亿吨，减少CO排放量约17.9 亿吨。可再生能源发电量为2.2万亿千瓦时，占全社会用电量的29.5%，发电装机总规模9.3亿千瓦，占总装机比重42.4%。其中水电3.7 亿千瓦、风电2.8 亿千瓦、光电2.5 亿千瓦、生物质发电2952 万千瓦，分别连续16 年、11 年、6 年及3 年居全球第一。总体来讲，我国整体可再生能源利用水平持续提升，发电成本不断下降，技术装备水平大幅提升，光电、风电、水电等多项技术位居世界前列。

光伏产业已成为我国最具核心竞争力的战略新兴产业之一，光伏发电将成为我国未来发电的主要方式之一。2020 年我国光伏新增并网装机容量48.2GW，同比增长60%，累计并网装机容量253GW，新增和累计装机容量均为全球第一。2020 年我国光伏发电量0.26万亿千瓦时，约占全国全年总发电量的3.5%，光伏利用率98%。光伏累计发电量近0.93 万亿千瓦时，折合标煤2.9 亿吨，减排CO7.4亿吨。我国光伏领域多项技术位居世界第一，不断刷新电池效率世界纪录，光伏产业占世界主导地位，为全世界供应了超过90%的硅片、超过70%的电池片及组件。近十年来光伏发电成本不断下降，发电项目单位千瓦平均造价下降了75%左右。图1 展示了美国国家可再生能源实验室（NREL）发布的光伏发电技术光电转换效率记录。

图1 各种光伏发电技术光电转换效率最高记录[5]

实现“双碳”目标、构建高效安全的新电力体系，在给光伏发电行业带来机遇的同时也带来诸多挑战，如在关键技术方面，新一代高效低成本光伏发电关键技术、柔性电池及光伏建筑一体化（BIPV）、核心设备及高效工艺、量产产能产线等；在光伏系统方面，解决光伏非连续性及间歇性、光伏消纳、光伏成本进一步降低、匹配的大规模储能技术等；在支撑体系方面，统筹我国光伏发电全国优化配置、因地制宜的地区发展目标、完善的行业评价体系标准、完备的技术服务体系等。亟需从技术、系统、支撑体系等各方面积极推动我国光伏发电行业的快速健康持续发展，为我国碳中和目标的实现奠定科学基础。

2 关键技术及未来趋势

2.1 晶硅太阳能电池

当前我国晶硅太阳能电池技术最成熟，应用最广，占据主要市场份额。2020 年我国多晶硅产量39.2 万吨，硅片产量约161.3GW，电池片约134.8GW，组件约124.6GW。当前多晶硅1kg Si平均还原电耗为49kWh、平均综合电耗为66.5kWh、平均综合能耗11.5kg 标煤，且未来随着技术进步均将进一步下降。在成本方面，2020 年万吨级三氯氢硅西门子法多晶硅生产线设备投资成本约为1.02亿元/千吨，新投电池片生产线设备已基本国产化，投资成本约为22.5万元/MW，组件生产线设备已全部实现国产化，投资成本约为6.3 万元/MW。未来随着电池光电转换效率的提高、设备性能及产能的提升，成本将进一步降低。

目前已开发多种晶硅太阳能电池，其中单晶硅实验室太阳能电池最高光电转化效率为26.1%，异质结硅（HJT）26.7%，多晶硅为23.3%（图1）。其中光电转换效率超过25%的主要有发射极钝化和背面接触（PERC）电池、交指式背接触（IBC）电池、HJT电池、异质结背接触（HBC）电池、隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）电池等。其中PERC技术比较成熟，是主要的量产技术，市场占比86.4%。规模化生产的P 型单晶PERC 平均光电转换效率已达22.8%，部分先进企业技术已达23%。PERC多晶黑硅电池平均效率为20.8%。进一步提升效率、降低成本、双面PERC 技术等将成为PERC未来的主要发展方向。

N型电池技术目前已有很大提升，其中TOPCon电池产业链升级投资成本相对较低，目前平均效率为23.5%。HJT 电池工艺短、温度系数低，目前平均效率已达23.8%。TOPCon及HJT等N型电池效率均有较大的提升潜力。虽然N型电池光电转换效率高，但当前相比PERC 技术规模小，市场占比约3.5%，成本相对较高。预计随着技术的进步、电池光电转换效率的进一步提升及成本的大幅降低，N型电池技术将会是未来的主要方向之一。但其大规模走向市场仍需突破量产化技术瓶颈、提高技术成熟度、产能产线、核心设备国产化、降低成本等关键问题。

2.2 薄膜太阳能电池

薄膜太阳能电池相比晶硅太阳能电池具有材料消耗少、能耗低、成本低、可柔性、重量轻、弱光性好、可透光等优势，在BIPV、分布式电站、移动电源、便携式可穿戴等领域具有广阔的应用前景，目前占据10%左右的市场份额。传统的薄膜太阳能电池主要包括硅基、砷化镓（GaAs）、铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）等。

硅基薄膜太阳能电池包括非晶硅、微晶硅等薄膜太阳能电池，但当前相比晶硅太阳能电池从电池性能及成本上无明显优势，技术提升空间相对较为有限。GaAs 具有最高的转换效率、带隙合适、吸收效率高、抗辐照能力强、耐高温等优点，在空间应用、无人机等领域具有很大的发展前景。目前单结单晶及薄膜GaAs 电池实验室最高光电转换效率分别为27.8%及29.1%。两结及三结非聚光型电池实验室最高效率已分别达32.9%及39.5%。但GaAs 材料价格十分昂贵，制备步骤复杂，设备技术独特，成本过高，且Ga稀缺，As潜在毒性，限制了GaAs 的规模化普及应用，极少在地面应用，目前尚未大规模量产。

目前能够商品化的薄膜太阳能电池主要有CIGS及CdTe电池。CIGS稳定性好、成本低、不衰退、弱光性能好，目前实验室光电转换效率记录为23.4%。我国当前CIGS小电池片（≤1cm）实验室最高光电转换效率记录为23.2%，组件量产产线平均效率为16.5%左右。柔性CIGS组件的最高光电转换效率及量产平均光电转换效率分别为17.3%及16.1%。我国汉能集团在CIGS电池技术及量产方面保持世界领先，神华光伏、凯盛科技等也取得较大进展。预计未来随着工艺技术进步、设备性能改善，CIGS 光电转换效率仍有较大提升空间。CIGS中原料In、Ga 储量有限、Cd 潜在污染问题等也有待于未来技术的进步予以解决。CdTe 目前实验室最高光电转换效率为22.1%。我国小面积CdTe（≤1cm）实验室最高光电转换效率约为20.2%，量产组件最高转换效率及平均转换效率分别为16%及15.1%。由于CdTe 本身技术壁垒较高，目前全球CdTe 组件量产主要由美国First Solar 占全球约99%以上份额。我国龙焱能源40MW 全自动产线的设备目前已全部实现国产化，在BIPV 组件方面具有优势。中国建材集团有限公司（简称中建材）、中山瑞科新能源有限公司等也在CdTe 量产组件方面取得进展。中建材在成都中建材及邯郸中建材的CdTe 生产线均已达到100MW/a 的产能，目前正在建设300MW 生产线，成都中建材大面积组件（17.9m）获得了17.9%的光电转换效率。中山瑞科CdTe 1200×600 标准组件单块功率突破120W，转换效率达到了16.7%。CdTe稳定性高、弱光性能好、热斑效应小、无光致衰减效应、适合柔性，光电转换效率未来仍有较大提升空间。但目前CdTe本身材料具有一定的局限性、原料Te 储量有限、CdTe 材料的污染问题等，未来需要开发环境友好替代材料、高效回收循环利用等技术，克服技术瓶颈，在提高量产组件光电转换效率的同时，推动产业规模扩大，进一步降低成本。

2.3 钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池（PSC）相比传统太阳能电池，原料丰富、工艺简单、成本低、能耗低、效率高、载流子寿命长、环保等，尤其对杂质不敏感、吸光能力强、不需高温工艺，其理论成本远低于当前主流技术，极具成本优势及经济性。PSC技术发展迅猛，光电转换效率提升速度远远超过其他光伏技术，在短短十二年间其转换效率从2009 年的3.8%提升至当前的25.7%，迅速成为当前国际光伏的前沿及产业化热点研究领域，被认为是“最具潜力的下一代光伏发电技术”，目前处于小规模试验及中试阶段。我国在PSC 电池领域与国际同步，多项技术保持世界前列。PSC未来发展所需攻克的主要关键技术如图2所示。

图2 钙钛矿太阳能电池关键技术

2.3.1 效率及长期稳定性

光电转换效率及长期稳定性是衡量电池性能的重要指标，也是制约其实现产业化的关键因素。高质量的钙钛矿吸光材料是获得高效、高稳定性PSC的关键，围绕钙钛矿吸光材料，溶剂工程、表界面工程、组分工程、添加剂工程等手段均被证实可获得均匀致密的高质量钙钛矿吸光层、显著提升PSC光电转换效率及稳定性。溶剂工程通过改变钙钛矿前驱体溶解及结晶过程的溶剂，如采用混合溶剂、挥发性/非挥发性溶剂、配位性/非配位性溶剂等，可有效调控钙钛矿反应、成核、生长等过程，获得均匀致密的钙钛矿吸光层。表界面工程通过修饰、配位、表界面预处理、表界面后处理、增加功能层等手段调控电子传输层/钙钛矿吸光层/空穴传输层及表界面，钝化薄膜表面缺陷，抑制界面非辐射复合，有效提升电池的光电转换效率及稳定性。组分工程采用混合钙钛矿、组分调控等手段对钙钛矿材料进行化学组分的调控，可有效调整钙钛矿带隙、增强水氧气稳定性、增长载流子寿命等。添加剂工程通过多种多样的添加剂如路易斯酸（金属阳离子、富勒烯衍生物等）、路易斯碱（含O、N、S等的化合物）、铵盐、离子液体（ILs）等，调节钙钛矿的结晶成膜过程及形貌、钝化体相及表界面的缺陷，调节PSC能级、抑制非辐射复合、消除滞后现象，从而有效提高电池的光电转换效率及长期稳定性。其中离子液体类材料由于其物理化学性质稳定，可设计性强，尤其在改善PSC电池长期稳定性方面具有显著优势。可通过与钙钛矿材料配位等相互作用诱导其定向结晶，有效钝化缺陷，其本身亲疏水性可调，从而获得高质量、稳定的钙钛矿吸光层，显著提升电池的光电转换效率，最高获得了25.6%的转换效率（认证效率25.2%）。此外，引入疏水功能钝化层、高效封装材料等策略也可有效钝化钙钛矿材料缺陷，获得高质量钙钛矿薄膜，同时有效改善钙钛矿材料本征稳定性，从而大幅提升PSC电池的长期稳定性。

2.3.2 叠层技术

叠层电池是未来光伏技术的一个重要发展方向，极具商业化潜力。叠层结构可突破单结电池的Shockley-Queisser 极限，其理论光电转换效率可达40%以上，是提升太阳能电池光电转换效率的有效手段。由于钙钛矿材料丰富、成分灵活可调、制备工艺简单，是叠层电池理想的选择之一。叠层电池目前主要集中在PSC/Si、PSC/PSC、PSC/CIGS 等结构。目前PSC/Si 叠层电池最高光电转换效率已达29.8%，全钙钛矿PSC/PSC 叠层电池效率已超过25.6%，PSC/CIGS 叠层电池效率已达24.2%，均具有较好的发展前景。但对于叠层电池，如何有效设计叠层电池结构，开发理想的、匹配的顶层光吸收层及底层光吸收层，有效减少叠层电池的寄生吸收损失、反射损失、电化学损失等，突破单结电池的效率极限，大幅提升电池的光电转换效率是未来叠层电池的重点方向。另外叠层电池制备工艺、电池稳定性、大面积制备、量产产线等也有待进一步攻克。

2.3.3 无铅钙钛矿

无铅（Pb）钙钛矿材料是PSC产业化的另一个重要方向。锡（Sn）与Pb 同族，两者具有相近的电子特性及相近的离子半径，因而Sn 基PSC 具有与Pb基PSC相近的光电特性，且具有合适的带隙。但Sn基PSC目前由于二价Sn易被氧化成四价Sn，形成P型掺杂，同时造成电池稳定性较差，另外结晶过程快造成薄膜缺陷较多，导致目前Sn 基PSC相比Pb 基PSC 开路电压、光电转换效率等较低。采用添加剂工程（键合添加剂、还原性添加剂、含Sn 补偿剂等）、组分工程（A 位阳离子调控、X 位卤素离子调控等）、维度工程（降低维度、二维材料等）、共混策略（Sn、Pb混合、溶剂混合）等手段可通过结晶调控及缺陷钝化调控获得高质量Sn基钙钛矿薄膜，从而有效提高Sn 基PSC 的光电性能。Sn 基PSC 当前获得的最高光电转换效率为14.81%，认证效率14.03%，具有较好的发展潜力，但未来仍需大幅提高光电转换效率及电池稳定性。

2.3.4 大面积组件

在大面积制备技术方面，区别于实验室中常用的旋涂法，为了获得均匀的高质量大面积钙钛矿薄膜，刮涂、狭缝涂布、提拉、喷涂、蒸镀、热辅助、真空闪蒸、气相沉积、喷墨打印、印刷、卷对卷等均被用于开发大面积电池工艺。电池组件及产业化技术方面，杭州纤纳光电在PSC 组件方面多次刷新世界纪录，目前最新的19.32cmPSC小组件在稳态功率输出下的效率达到21.4%[日本电气安全与环境科技研究所（JET）认证]，获得全球首个IEC61215 稳定性认证及多倍加严认证，标志着PSC技术从实验室开始迈向市场。极电光能开发的63.98cm²钙钛矿光伏组件获得了20.5%的光电转换效率（稳态效率20.1%，JET认证）。协鑫光电已有10MW PSC中试生产线，可生产45cm×65cm尺寸的电池组件。协鑫光电、纤纳光电等投建的100MW级大面积PSC电池生产线、极电光能投建的150MW生产线、万度光能拟投建的第一期200MW生产线等有望进一步大力推动PSC 产业化进程。PSC光伏组件效率高、成本低，在物料、技术壁垒等方面要求都低于其他太阳能电池，具有较强的市场竞争力及产业化前景，但距离真正实现产业化仍需攻克电池长期稳定性、大面积制备工艺、大尺寸组件成套装备开发、规模化量产、高效叠层电池技术等。

2.4 其他新型太阳能电池

其他新型太阳能电池主要包括有机太阳能电池（OPV）、染料敏化太阳能电池（DSC）、量子点太阳能电池（QSC）等。其中OPV 具有质量轻、可柔性、颜色可调、可大面积印刷制备的特点，目前实验室最高光电转换效率为18.2%，但当前制约其产业化的主要瓶颈在于电池的光电转换效率偏低。未来的主要方向为大幅提升电池的光电转换效率、开发重复性能好的可溶液加工活性层材料、高效叠层技术等。DSC 具有原材料丰富无毒无污染、工艺简单、颜色形状多样化、成本低、对设备及环境要求低等优点，自1991 年问世获得7.9%的光电转换效率以来，在实验室技术、小面积组件、实用化技术等方面获得了广泛关注。目前制约其规模化发展的最主要因素为电池光电转换效率提升缓慢，多年保持在10%以上，目前实验室最高光电转换效率为13.0%。QSC敏化剂种类多、制备工艺相对简单，具有量子限域效应等，目前实验室最高光电转换效率为18.1%。相比传统的金属硫化物硒化物，钙钛矿量子点展示了优异的光电性能，对未来提升QSC 电池光电转换效率具有较大的潜力。上述三种新型太阳能电池目前主要处于实验室阶段，实现产业化仍需在大幅提升电池光电转换效率方面取得进一步突破。我国光伏发电技术整体现状、关键技术及未来趋势如图3所示。

图3 我国光伏发电技术现状、关键技术及未来趋势

3 未来发展策略

我国光伏发电目前多项技术世界领先，但对于实现“双碳”目标及未来能源体系转型，仍要大力推进现有技术的创新及下一代太阳能电池关键核心技术的开发。一方面需要大力推进现有晶硅太阳能电池包括PERC 技术等，提高效率、降低成本、开发双面PERC技术等，充分发挥晶硅太阳能电池在大规模并网光伏电站、装机容量等方面的优势，同时加快TOPCon、HJT、叠层等晶硅太阳能电池新技术开发，突破技术瓶颈，提高技术成熟度、增加产能、降低成本等。另一方面要着重加快薄膜太阳能电池CIGS、CdTe 等的提效降本、工艺技术进步、设备性能提升、量产产能等，同时开发材料替代技术、电池循环回收技术等，加速薄膜太阳能电池市场份额的大幅提升及在BIPV、分布式电站、移动电源等领域的大规模应用。对于具有产业化前景的PSC，需大力推动加速其产业化进程，加快电池长期稳定性、大面积工艺、设备产线、工程示范、规模化量产等核心技术突破，积极开发新型高效叠层太阳能电池关键技术、大面积制备工艺、组件量产、设备产线等。同时以光伏大规模化多元发展为核心，积极探索面向未来的颠覆性变革光伏技术及自主创新，设备智能化国产化，搭建高水平光伏先进技术平台，加大政策扶持，健全配套的机制体制、政策、法规及措施等，为我国光伏产业创造良好的发展环境，不断推进我国光伏产业的技术升级及革新，加速光伏产业的大规模发展，进一步增强我国光伏产业的核心竞争力，为我国能源转型变革、构建安全高效稳定的清洁能源电力新体系提供保障。

4 结语及展望

实现碳中和是我国重大发展战略目标，碳中和倒逼能源体系清洁化转型、产业技术变革升级、促进社会全面绿色转型，对于能源领域是挑战更是重大机遇。在国家科技的顶层设计及战略引领下，在社会经济能源安全正常保障的前提下，大力推动光伏技术快速发展，自主创新开发新一代颠覆性变革技术，为构建高效安全的清洁能源新体系奠定技术基础，在实践中不断前行，将为我国碳中和目标的实现提供重要支撑。