向阳而生 “洁”尽所能(开卷知新)

发布时间:2024-12-24 15:32:33 来源: sp20241224

  图为浙江省台州市仙居县山野间的光伏发电设施。   王华斌摄(人民视觉)

  习近平总书记在主持中共中央政治局第十二次集体学习时强调:“我国风电、光伏等资源丰富,发展新能源潜力巨大。经过持续攻关和积累,我国多项新能源技术和装备制造水平已全球领先,建成了世界上最大的清洁电力供应体系,新能源汽车、锂电池和光伏产品还在国际市场上形成了强大的竞争力,新能源发展已经具备了良好基础,我国成为世界能源发展转型和应对气候变化的重要推动者。”据中国光伏行业协会统计,2023年,我国光伏产业规模持续扩大,多晶硅、硅片、硅电池、组件等主要制造环节产量同比增长超过64%,行业总产值超过1.75万亿元。光伏产业在推动我国新能源高质量发展、助力共建清洁美丽的世界等方面作出重要贡献。

  追寻光的能量,发展绿色清洁能源

  太阳能储存量大,没有环境污染,是重要的可再生清洁能源。当阳光从1.5亿公里外照耀地球时,除了在大气层中的反射、吸收和散射,大约50%的能量可以照射到地球表面,其地面辐射的平均强度是每平方米1366瓦。因此,从理论上讲,只需将照射在地面的太阳光能量利用万分之一,就可以满足人类现在的能源需求。

  我们平时所说的太阳能,一般指太阳能光热和太阳能光伏,其分别利用了阳光的光热效应和光伏(光电)效应。光热效应是指将太阳的能量集聚起来,再转换成热能。如在我国城乡广泛应用的太阳能热水器、太阳能灶等,也包括将太阳能转换成热能后,再利用热能发电这一形式。而光伏效应则是将太阳能通过太阳电池,直接转换成电能。这种光电转换主要借助半导体器件的“光生伏特”效应进行,不仅可以用于空间站、卫星供电,还可以用于家庭、工厂屋顶电站以及大型太阳能光伏电站,实现大规模并网发电。

  太阳能光伏研究的历史不到200年,实际应用70多年,大规模应用则集中于近20年。1839年,法国实验室首先观察到光伏现象,发现光照在盐酸液体上可以产生电流。1876年,科学家在硒材料上观察到光照使固体产生电流的现象。几年后,科学家利用硒薄膜制备了第一个太阳能光伏电池,在阳光下产生电流。直到1905年,爱因斯坦揭示光电原理以后,人们才真正理解太阳能光电转换的奥秘。1954年,借助硅半导体技术,贝尔实验室发明了现代意义上的太阳电池,光电转换效率达到6%,从此开启了现代太阳能光伏技术和产业发展的时代。

  太阳电池最早应用于卫星。1958年,人们在卫星上首次使用太阳电池。十几年后,我国制造的第二颗人造卫星也使用了太阳电池。太阳电池的研究成功,为卫星、空间站等现代航天系统提供能源动力,促进人类航天事业发展。鉴于当时的技术和产业基础,太阳电池成本非常高,很难大规模生产应用。因此,很多国家开始加大对太阳能光伏的研究力度,以提升电池的光电转换效率,降低成本。

  我国自上世纪50年代研制出太阳电池后,持续深耕光伏产业。上世纪90年代,为解决西部偏远地区的电力供应问题,独立光伏用户和小型光伏电站逐渐开始建设,特别是2002年前后我国实施的“光明工程”“送电到乡”等工程,为解决偏远地区人们用电难起到重要作用。2005年,我国制定了可再生能源法,大力推进太阳能、风能等可再生能源开发利用,为我国太阳能光伏产业飞速发展和相关技术世界领先奠定坚实基础。

  从跟跑到领跑,技术创新提升光电转换效率

  自1954年用硅材料制备的太阳电池问世以来,人们尝试开发多种材料制备太阳电池,都可以实现太阳能的光电转换。不过,以硅材料为基础的太阳能光伏技术不断发展,凭借其成本低、寿命长、可靠性高、技术成熟等优点,成为太阳能光伏技术的主流。所以,光伏产业如今仍以硅光伏为主,产业链涉及金属(冶金)硅、高纯多晶硅、硅片、硅电池、硅组件和太阳电站等产业,还涉及光伏玻璃、聚乙烯醇薄膜、铝合金支架、逆变器等众多原辅料产业。相关产业始终以“提高效率、降低成本”为目标,通过技术革新实现度电成本的最低化。

  以硅片制造产业为例,要提高硅电池的效率,需要提高硅片原子晶格排列的完整性,减少硅晶体的缺陷和杂质。因此,硅片制备技术从早期低成本的非晶硅、铸造多晶硅,逐步转变为高质量、高纯度的直拉单晶硅,标志硅材料质量的少数载流子寿命不断提高,达到700微秒以上,为太阳电池效率的提升提供材料基础。

  2000年以来,硅晶体生长制造工艺通过多种技术创新不断降低成本。以前,直拉单晶硅直径3—4英寸,现在增加到10英寸以及12英寸。过去在晶体炉中制备直拉单晶硅时,每一只石英坩埚只能生长一根单晶硅,原料多晶硅装填重量只有100多公斤;现在,借助连续添加原材料技术,一只坩埚可以连续不间断地生长8—10根单晶硅,原料多晶硅装填重量超过1000公斤。以前,4英寸直拉单晶硅长度一般小于2米,现在一根直径10英寸的单晶硅长度可以超过6米。上述生长技术的发明和发展,使硅片制造成本大幅降低。

  与此同时,单晶硅加工技术的发展也让人眼前一亮。以前是利用金刚砂轮内圆切割技术,之后发展出砂浆线切割技术,现在是利用金刚线切割技术,硅片切割效率显著提升。同时,用于太阳电池的硅片厚度从300微米降低到130—150微米,硅片切片损失从200多微米厚度降到35—40微米。这些单晶硅加工技术的创新发展,同样显著降低了生产成本。

  另外,太阳电池技术也在不断创新。在电池工艺方面,从初始的简单结构电池工艺,到背面增加背场、正面增加绒面的基本电池工艺,再到如今的隧穿氧化层钝化接触、异质结电池工艺,新技术使太阳电池的光电转换效率持续提升,为太阳能光伏产业的快速发展提供了直接驱动力。未来,新材料(如钙钛矿)和硅光伏技术的结合,将为太阳电池效率进一步提升拓展新的空间。

  从全球范围来看,我国光伏产业前景广阔。近年来,用于光伏的单晶硅生长和加工技术创新主要源于中国,太阳电池效率的多项世界纪录也由中国企业创造。可以说,在整个硅太阳能光伏产业链上,中国走在世界前端。在太阳能光伏的应用(电站)方面,从2007年的0.02吉瓦到2023年的216.3吉瓦,安装量增加了1万倍以上。中国太阳能光伏年安装量已经连续11年占据世界首位,成为名副其实的太阳能光伏应用大国。太阳能光伏技术和产业成为中国推动科技进步、发展新质生产力的缩影。

  从零起步,从跟跑到领跑,我国光伏行业近年来实现跨越式发展,重点环节国产化程度大幅提升,以高科技、高附加值、引领绿色转型成为出口新增长点。能源是国民经济的命脉,是人类生存和发展的物质基础,在构建新发展格局中发挥着举足轻重的作用。太阳能光伏的应用和快速发展,为我国实现“双碳”目标,建设更加环保、更加清洁的家园提供了重要途径,同时也为实现我国能源自主可控提供了重要的解决方案。

  (作者为中国科学院院士、浙大宁波理工学院校长)

  版式设计:沈亦伶  

   

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  《大国光伏:中国王牌制造业的突围与崛起》:中国光伏行业协会、刘家琦·酷玩实验室团队著;电子工业出版社出版。

  《太阳电池材料(第二版)》:杨德仁编著;化学工业出版社出版。

  《太阳能光伏技术与应用》:沈文忠主编;上海交通大学出版社出版。

  《太阳电池发展现状及性能提升研究》:王启明、褚君浩、郑有炓等编著;科学出版社出版。

  《 人民日报 》( 2024年10月29日 20 版)

(责编:卫嘉、白宇)