光伏技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)和技術(shù)路線圖

太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。我們通常說的光伏都是指后一種方式。傳統(tǒng)概念里，電池是個儲存電力的儲能單元，在光伏行業(yè)里，電池是利用光生伏特效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電單元，簡稱為光伏電池。

光伏是光生伏特（Photovoltaic）的簡稱，這個詞來源于希臘語，意思是光、伏特和電氣的。伏特來源于意大利物理學(xué)家亞歷山德羅伏特的名字，為紀(jì)念他后人將“伏特”作為電壓的單位使用。

光生伏特效應(yīng)就是光電效應(yīng)，是德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)的。光電效應(yīng)就是太陽能電池工作的基本機理：太陽光照在半導(dǎo)體P-N結(jié)上，形成新的空穴-電子對，在P-N結(jié)電場的作用下，光生空穴由N區(qū)流向P區(qū)，光生電子由P區(qū)流向N區(qū)，接通電路后就形成電流。從發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)到可以大規(guī)模地制造商業(yè)用光伏電池，人類用了一百年的時間。

光伏發(fā)電的最核心的器件是太陽能電池，電池的轉(zhuǎn)化效率、生產(chǎn)成本決定了它的市場前景、制造者的利潤，以及最后環(huán)節(jié)-電站業(yè)主的投資回報期。在其發(fā)展的100多年里，基礎(chǔ)研究和技術(shù)進步都起到了積極推進的作用，至今為止，太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)和機理沒有發(fā)生根本的改變。

一、太陽能電池的種類

1>晶硅太陽能電池

晶硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟、商業(yè)化程度最高、市場占有率達90%以上，被稱為第一代太陽能電池。晶硅電池按照基材的類別分為：單晶硅電池和多晶硅電池。單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率最高。但由于受單晶硅材料價格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，,致使單晶硅成本價格居高不下。多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率略低，但制造成本也較低，對于普通商業(yè)客戶來說，具有更好的性價比。因此相對來說市場份額更大。

2>薄膜太陽能電池

和晶硅電池基于硅片不同，薄膜電池是基于玻璃基板。這就從根本上決定了生產(chǎn)材料的成本比晶硅電池要更低。它被稱為第二代太陽能電池。采用化學(xué)氣相沉積法在玻璃基板上生成一層半導(dǎo)體薄膜，產(chǎn)生光電效應(yīng)。根據(jù)半導(dǎo)體材料的不同，分為：硅基薄膜太陽電池、化合物薄膜太陽電池（含Ⅱ-Ⅵ族：碲化鎘-CdTe，以及擴展Ⅱ-Ⅵ族：銅銦鎵硒-CIGS，銅鋅錫琉-CZTS等）、有機和染料敏化太陽電池。

薄膜太陽電池原材料成本低，便于大面積、自動化高效生產(chǎn)，更適合用于光電建筑一體化應(yīng)用。缺點是轉(zhuǎn)換效率約只有晶硅電池的一半。如果能進一步解決穩(wěn)定性及提高轉(zhuǎn)換率，未來預(yù)期會有極大的市場潛力。

3>第三代太陽能電池

太陽能電池轉(zhuǎn)換效率受到光吸收、載流子輸運、載流子收集的限制。由于常規(guī)半導(dǎo)體電池只能轉(zhuǎn)換接近和高于帶隙能量的光子，對可見太陽光譜能量并未得到充分的利用。因此充分利用太陽能的全光譜，是突破瓶頸的關(guān)鍵。第三代太陽能電池就是這些具有新材料和結(jié)構(gòu)的太陽能電池的統(tǒng)稱。已經(jīng)提出的第三代太陽電池主要有疊層太陽電池、多帶隙太陽電池和熱載流子太陽電池等。

二、光伏技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖

晶硅電池發(fā)展的趨勢是低成本高效率，這是光伏技術(shù)的發(fā)展方向。低成本的實現(xiàn)途徑包括效率提高、成本下降及組件壽命提升三方面。效率的提高依賴工藝的改進、材料的改進及電池結(jié)構(gòu)的改進。成本的下降依賴于現(xiàn)有材料成本的下降、工藝的簡化及新材料的開發(fā)。組件壽命的提升依賴于組件封裝材料及封裝工藝的改善。因而，晶體硅電池發(fā)電的平價上網(wǎng)時間表除了與產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴大有關(guān)外，最重要的依賴于產(chǎn)業(yè)技術(shù)（包括設(shè)備和原材料）的改進。

圖1光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖，展示了不同光伏技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及前景

僅靠工藝水平的改進對電池效率的提升空間已經(jīng)越來越有限，電池效率的進一步提升將依賴新結(jié)構(gòu)、新工藝的建立。具有產(chǎn)業(yè)化前景的新結(jié)構(gòu)電池包括PERL選擇性發(fā)射極電池、HIT異質(zhì)結(jié)電池、IBC背面主柵電池及N型電池等。這些電池結(jié)構(gòu)采用不同的技術(shù)途徑解決了電池的柵線細(xì)化、選擇性擴散、表面鈍化等問題，可以將電池產(chǎn)業(yè)化效率提升2～3個百分點。2001年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)（UNSW）研發(fā)的PERL高效單晶硅電池效率達到25％，接近理論值，是迄今為止的最高記錄。

薄膜電池因其發(fā)展歷程較短顯現(xiàn)如下缺點：效率低、制造技術(shù)與相應(yīng)設(shè)備不夠完善、開發(fā)經(jīng)驗不足。需要加大研發(fā)力度，從器件結(jié)構(gòu)到襯底基材、大面積、均勻、高性能的沉積技術(shù)的改進，以及新型互連、集成型模塊，卷對卷的制造和包裝方式等方面的創(chuàng)新和提高，以便能夠成為可與晶硅電池相媲美的光伏電源形式。當(dāng)前發(fā)展起來的薄膜電池，各有各自的優(yōu)缺點。CdTe因其工藝簡單，轉(zhuǎn)換效率達到12%，最短只需8個月的能源回收期，具有最低的成本優(yōu)勢，因而美國FirstSolar在薄膜電池市場上具有最大份額。美國的可再生能源國家實驗室（NREL）保持小面積碲化鎘電池的最高效率紀(jì)錄16.5%