中国光伏行业发展现状

王 娜 徐 兵 郭明磊 李 勇

（安徽科技学院电气与电子工程学院 安徽·蚌埠 233000）

0 前言

光伏发电技术归根结底得益于光生伏特效应，简单的说就是光照产生电现象。这一效应发现于1839年，随后1877年科学家发现半导体Se材料也可以发生相同的效应。在1945年，贝尔实验室合成了世界上第一块硅太阳能电池，随后在1954年实验室里合成的单晶硅太阳能电池的光转换效率达到了震撼世界的6%。随着成本的降低，很快1974年太阳能电池进入了商用。

我国的光伏产业起步较早（1975年），近几年，发展迅速。2013年，光伏新增发电装机容量为11.8GW，首次超过欧盟11GW，成为全球第一大光伏市场。2020年，虽然受到疫情的影响，我国的光伏产品比如硅材料、电池组件的产量呈同比增长的大好趋势。我国在世界光伏产业中掌握绝对的话语权。

1 发展光伏产业的意义

与清洁能源取之不尽、用之不竭的特点相比，传统能源储量有限。比如中东地区，能源储量世界第一，但仅仅够开采100年。2020年，英国石油公司给出的最新统计数据表明，我国的煤炭储量为141595百万吨，世界排名第四，但是也就能开采60年。以首都北京为例，一年用电量（居民+工业+写字楼）一千亿度电，消耗5000万吨煤。我国这样的一线城市4个，新一线城市15个，二线城市30个。目前，资源枯竭现象明显。东北集中了我国1/4的资源型城市，1998年出现“东北现象”、2000年出现“萎缩矿区”、2005年出现“森林基地缩减至98%”等资源枯竭现象。国内生态环境日趋恶化。长期的传统能源消耗，人造气体增加。以地球为研究对象，太阳光辐射为吸热，地球辐射为放热，吸收和放热因为大气层的存在而保持一定的温度。现在随着人造气体的增加，地球的能量不能正常逃逸，地球就像被困在厚厚的玻璃里，这样地球温度上升，这就是全球温室效应。最近几年，空气污染较为突出，雾霾天气频繁出现，严重影响人们的出行和生活。因为长时间雾霾、地下水层污染和食品添加剂的长期使用，最近几年，肝癌、胃癌和肺癌等癌症将会越来越普遍。

与清洁能源使用相比，传统能源开采过程会对地表造成严重的破坏，以露天煤矿为例，需要剥离岩土层才能露出煤炭，常年累月的挖掘，山丘被夷为平地，平地被铲成洼地。岩土层没被剥离后的矿区会寸土不生，严重破坏了生态平衡。我国地域辽阔，大大小小的露天煤矿多达5300个。尽管如此，我国露天煤矿占总煤量的15%，85%的储量在多百米甚至千米之下，需要井下作业。开采结束后，原来的煤层填充空间如果置之不理就会发生岩层垮塌和地面下沉现象。

为此，国家首先在东北进行经济转型试点。2001年阜新被设为首个资源枯竭城市，2007年东北进入全面“生态文明”建设，即以较低的资源代价和环境代价换取较高的经济发展速度。2010年，国务院常务会议审议并原则通过加快新兴产业的决定，其中就包括光伏产业。目前，我国传统能源消费比例明显下降，以煤炭为例，已经从70年代的90%以上下降至60%以下，未来还会继续下降。

2 我国光伏产业发展分布现状

我国三分之二的地域为高原丘陵地区，地广人稀，造成传统电网成本极高，电力供应不足。而光伏发电具有地域性、灵活性特点，刚好能解决这一矛盾。目前，太阳能利用的主要形式有：太阳能热水器、太阳热发电、建电一体化和光伏发电。2010年9月，国务院决定发展新能源产业，即生物质能、核聚变能、海洋能、风能、热能和太阳能。2016年底，我国太阳能光伏发电系统有了质的飞跃，新增装机容量仅次于德国和意大利，成为世界第三。光伏发电不仅是新能源的主要担当，在多能互补项目中取得了很多成就。青海的共和大型光伏发电项目与龙羊峡水电站合力实现了昼夜不间断发电，也是世界上第一座水光互补发电项目。我国的光伏项目主要集中在西北五省：甘肃、青海、新疆和西藏。2014年，科技部牵头光伏科学与技术国家重点实验室在北京举行了研讨会，到会专家一直认为到2030年光伏发电会成为主要的新能源，2050年会成为主导能源。另一方面，随着太阳能电池的原材料单晶硅、多晶硅和非晶硅的加工工艺的改进，太阳能电池组件的制造成本会进一步降低。国内有名的光伏企业：英利集团有限公司、天合光能集团、南京中电光伏科技集团和汉能太阳能集团。与西部光伏发电项目相比，东部更多利用公共建筑体系建设光伏发电系统。拥有光伏发电项目的火车站有：武汉站、杭州东站和上海虹桥火车站；引入光伏项目的地铁站有：石家庄地铁、上海龙阳路地铁和广州地铁；建设光伏项目的飞机场有：上海虹桥地铁、北京大兴国际机场和深圳机场。国内一流大学均有课题组投入到光伏材料的制备之中，比如上海交通大学、中山大学、中科院半导体研究所和南开大学等。目前，廉价的钙钛矿材料是科研领域的研究热点。2017年，南京理工的科研团队进行了该材料制备工艺的研发，为商用奠定了坚实基础，研究成果被国际顶级杂志采用。2020年，西安交通大学课题组有给出新型廉价太阳能电池材料，其发光效率可达12.3%，该研究成果发表在国际权威杂志《材料化学A》上。以上均说明，不论是在光伏市场还是在科技最前沿，我国均具有绝对的话语权。

3 我国光伏新材料研究现状

太阳能电池简单的说就是一个pn节。以同质硅为例，低浓度离子注入硼形成p型半导体，然后表面高浓度注入磷形成n型，这样表层n型区与底层p型区之间就形成pn结。从半导体物理的角度，pn结分为三个区，p型区（中性区，带负电的杂质离子，空穴，均匀分布，显电中性），n型区（中性区，带正电的杂质离子，电子，均匀分布，显电中性），中间耗尽层（p侧留下不可移动的带负电的杂质离子，n侧留下不可移动的带正电的杂质离子，内建电场）。太阳光照射表面，三个区均可以产生电子-空穴对，在内建电场的作用下，p侧聚集空穴对应电源的正极，n侧聚集电子对应电源的负极，如果有外电路，电流就会从p侧流向n侧。传统的但是用的最多的太阳能电池材料包括单晶硅、多晶硅和非晶硅，其中单晶硅太阳能电池的光电转化效率最高，价格也最昂贵。简单的光伏发电系统有以下几部分构成：太阳能电池组件、控制器、蓄电池和负载。其中，如果是交流负载，还需加上逆变器，逆变器可以将直流电转化成交流电，供交流负载使用。单晶硅光转化效率高但价格昂贵，多晶硅转化效率一般但价格低廉，应用更广泛。目前，关于多晶硅的改良方法不断被提出和改进，国内硅制品产业发展较好。多晶硅的改良方法有西门子改良方法、硅烷的热分解方法、高纯试剂还原方法和真空冶金技术。目前，我国仍然是光伏电池和组件的生产大国，但是生产专利很多依赖国外，多晶硅的制备和单晶硅的提纯的新技术和新方法仍然是目前的科研热点。薄膜太阳能电池是将半导体膜沉积在几十微米厚的半导体薄膜上。厚度在几十微米之内薄膜太阳能电池（晶体硅太阳能电池300微米以上）虽然很薄，但是满足对大部分光的吸收，这样大大节省了硅材料成本。国内专家表示，如果薄膜电池的光电转化效率高于15%，薄膜光伏电池将占据大部分市场。目前，找到廉价、高转化率的化合物薄膜光伏电池材料仍然是科学研究的热点。与硅晶材料相比，砷化镓光伏电池具有体积小、质量轻、光转化率高等显著优点。砷化镓是直接带隙半导体材料，禁带宽度比Si小很多，在太阳能电池有着广泛的应用。砷化镓具有较好的抗辐照能力，因此，很多砷化镓光伏电池应用到军事和航空航天领域。目前，关于砷化镓及其复合半导体材料在光伏领域的应用仍然是研究的热点领域。2010年，石墨烯硅基太阳能电池被报道，揭开了研究低维光伏材料的大门。利用化学工艺CVD将石墨烯在n型硅上生长，因为功函数的差异，两者的能带在化学接触点发生弯曲从而形成内建电场，光照环境下，硅区产生的电子空穴对被内建电场分离形成新的电场，即发生光生伏特效应。随着化学掺杂技术、光学减反技术和界面优化技术的突出，Gr-Si电池的光电转化率已有最初的1.65%提高至13.7%，提升空间仍然很大。尽管如此，石墨烯的制备方法成本较高、si的吸光性差和电子迁移率不好等缺点限制了该材料的商业应用。因此，如何降低CVD生长方法成本、如何提高SI基性能进而提高电池的光电转化效率仍然是目前低维太阳能电池材料的研究热门领域。

4 小结

受疫情影响，全球光伏产业同比都明显降低，但是中国光伏产业扛住了疫情的影响，二季度强势增加，其中多晶硅、电池组件等的产量呈现同比增长的好势头。相信在国家“丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路”政策下，中国的光伏产业将迎来更广阔的的空间。