習(xí)近平總書記在主持中共中央政治局第十二次集體學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)：“我國風(fēng)電、光伏等資源豐富，發(fā)展新能源潛力巨大。經(jīng)過持續(xù)攻關(guān)和積累，我國多項(xiàng)新能源技術(shù)和裝備制造水平已全球領(lǐng)先，建成了世界上最大的清潔電力供應(yīng)體系，新能源汽車、鋰電池和光伏產(chǎn)品還在國際市場(chǎng)上形成了強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力，新能源發(fā)展已經(jīng)具備了良好基礎(chǔ)，我國成為世界能源發(fā)展轉(zhuǎn)型和應(yīng)對(duì)氣候變化的重要推動(dòng)者。”據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2023年，我國光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，多晶硅、硅片、硅電池、組件等主要制造環(huán)節(jié)產(chǎn)量同比增長超過64%，行業(yè)總產(chǎn)值超過1.75萬億元。光伏產(chǎn)業(yè)在推動(dòng)我國新能源高質(zhì)量發(fā)展、助力共建清潔美麗的世界等方面作出重要貢獻(xiàn)。
追尋光的能量，發(fā)展綠色清潔能源
太陽能儲(chǔ)存量大，沒有環(huán)境污染，是重要的可再生清潔能源。當(dāng)陽光從1.5億公里外照耀地球時(shí)，除了在大氣層中的反射、吸收和散射，大約50%的能量可以照射到地球表面，其地面輻射的平均強(qiáng)度是每平方米1366瓦。因此，從理論上講，只需將照射在地面的太陽光能量利用萬分之一，就可以滿足人類現(xiàn)在的能源需求。
我們平時(shí)所說的太陽能，一般指太陽能光熱和太陽能光伏，其分別利用了陽光的光熱效應(yīng)和光伏（光電）效應(yīng)。光熱效應(yīng)是指將太陽的能量集聚起來，再轉(zhuǎn)換成熱能。如在我國城鄉(xiāng)廣泛應(yīng)用的太陽能熱水器、太陽能灶等，也包括將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能后，再利用熱能發(fā)電這一形式。而光伏效應(yīng)則是將太陽能通過太陽電池，直接轉(zhuǎn)換成電能。這種光電轉(zhuǎn)換主要借助半導(dǎo)體器件的“光生伏特”效應(yīng)進(jìn)行，不僅可以用于空間站、衛(wèi)星供電，還可以用于家庭、工廠屋頂電站以及大型太陽能光伏電站，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電。
太陽能光伏研究的歷史不到200年，實(shí)際應(yīng)用70多年，大規(guī)模應(yīng)用則集中于近20年。1839年，法國實(shí)驗(yàn)室首先觀察到光伏現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)光照在鹽酸液體上可以產(chǎn)生電流。1876年，科學(xué)家在硒材料上觀察到光照使固體產(chǎn)生電流的現(xiàn)象。幾年后，科學(xué)家利用硒薄膜制備了第一個(gè)太陽能光伏電池，在陽光下產(chǎn)生電流。直到1905年，愛因斯坦揭示光電原理以后，人們才真正理解太陽能光電轉(zhuǎn)換的奧秘。1954年，借助硅半導(dǎo)體技術(shù)，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了現(xiàn)代意義上的太陽電池，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6％，從此開啟了現(xiàn)代太陽能光伏技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的時(shí)代。
太陽電池最早應(yīng)用于衛(wèi)星。1958年，人們?cè)谛l(wèi)星上首次使用太陽電池。十幾年后，我國制造的第二顆人造衛(wèi)星也使用了太陽電池。太陽電池的研究成功，為衛(wèi)星、空間站等現(xiàn)代航天系統(tǒng)提供能源動(dòng)力，促進(jìn)人類航天事業(yè)發(fā)展。鑒于當(dāng)時(shí)的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，太陽電池成本非常高，很難大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。因此，很多國家開始加大對(duì)太陽能光伏的研究力度，以提升電池的光電轉(zhuǎn)換效率，降低成本。
我國自上世紀(jì)50年代研制出太陽電池后，持續(xù)深耕光伏產(chǎn)業(yè)。上世紀(jì)90年代，為解決西部偏遠(yuǎn)地區(qū)的電力供應(yīng)問題，獨(dú)立光伏用戶和小型光伏電站逐漸開始建設(shè)，特別是2002年前后我國實(shí)施的“光明工程”“送電到鄉(xiāng)”等工程，為解決偏遠(yuǎn)地區(qū)人們用電難起到重要作用。2005年，我國制定了可再生能源法，大力推進(jìn)太陽能、風(fēng)能等可再生能源開發(fā)利用，為我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展和相關(guān)技術(shù)世界領(lǐng)先奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
從跟跑到領(lǐng)跑，技術(shù)創(chuàng)新提升光電轉(zhuǎn)換效率
自1954年用硅材料制備的太陽電池問世以來，人們嘗試開發(fā)多種材料制備太陽電池，都可以實(shí)現(xiàn)太陽能的光電轉(zhuǎn)換。不過，以硅材料為基礎(chǔ)的太陽能光伏技術(shù)不斷發(fā)展，憑借其成本低、壽命長、可靠性高、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，成為太陽能光伏技術(shù)的主流。所以，光伏產(chǎn)業(yè)如今仍以硅光伏為主，產(chǎn)業(yè)鏈涉及金屬（冶金）硅、高純多晶硅、硅片、硅電池、硅組件和太陽電站等產(chǎn)業(yè)，還涉及光伏玻璃、聚乙烯醇薄膜、鋁合金支架、逆變器等眾多原輔料產(chǎn)業(yè)。相關(guān)產(chǎn)業(yè)始終以“提高效率、降低成本”為目標(biāo)，通過技術(shù)革新實(shí)現(xiàn)度電成本的最低化。
以硅片制造產(chǎn)業(yè)為例，要提高硅電池的效率，需要提高硅片原子晶格排列的完整性，減少硅晶體的缺陷和雜質(zhì)。因此，硅片制備技術(shù)從早期低成本的非晶硅、鑄造多晶硅，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量、高純度的直拉單晶硅，標(biāo)志硅材料質(zhì)量的少數(shù)載流子壽命不斷提高，達(dá)到700微秒以上，為太陽電池效率的提升提供材料基礎(chǔ)。
2000年以來，硅晶體生長制造工藝通過多種技術(shù)創(chuàng)新不斷降低成本。以前，直拉單晶硅直徑3—4英寸，現(xiàn)在增加到10英寸以及12英寸。過去在晶體爐中制備直拉單晶硅時(shí)，每一只石英坩堝只能生長一根單晶硅，原料多晶硅裝填重量只有100多公斤；現(xiàn)在，借助連續(xù)添加原材料技術(shù)，一只坩堝可以連續(xù)不間斷地生長8—10根單晶硅，原料多晶硅裝填重量超過1000公斤。以前，4英寸直拉單晶硅長度一般小于2米，現(xiàn)在一根直徑10英寸的單晶硅長度可以超過6米。上述生長技術(shù)的發(fā)明和發(fā)展，使硅片制造成本大幅降低。
與此同時(shí)，單晶硅加工技術(shù)的發(fā)展也讓人眼前一亮。以前是利用金剛砂輪內(nèi)圓切割技術(shù)，之后發(fā)展出砂漿線切割技術(shù)，現(xiàn)在是利用金剛線切割技術(shù)，硅片切割效率顯著提升。同時(shí)，用于太陽電池的硅片厚度從300微米降低到130—150微米，硅片切片損失從200多微米厚度降到35—40微米。這些單晶硅加工技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，同樣顯著降低了生產(chǎn)成本。
另外，太陽電池技術(shù)也在不斷創(chuàng)新。在電池工藝方面，從初始的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)電池工藝，到背面增加背場(chǎng)、正面增加絨面的基本電池工藝，再到如今的隧穿氧化層鈍化接觸、異質(zhì)結(jié)電池工藝，新技術(shù)使太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率持續(xù)提升，為太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供了直接驅(qū)動(dòng)力。未來，新材料（如鈣鈦礦）和硅光伏技術(shù)的結(jié)合，將為太陽電池效率進(jìn)一步提升拓展新的空間。
從全球范圍來看，我國光伏產(chǎn)業(yè)前景廣闊。近年來，用于光伏的單晶硅生長和加工技術(shù)創(chuàng)新主要源于中國，太陽電池效率的多項(xiàng)世界紀(jì)錄也由中國企業(yè)創(chuàng)造?？梢哉f，在整個(gè)硅太陽能光伏產(chǎn)業(yè)鏈上，中國走在世界前端。在太陽能光伏的應(yīng)用（電站）方面，從2007年的0.02吉瓦到2023年的216.3吉瓦，安裝量增加了1萬倍以上。中國太陽能光伏年安裝量已經(jīng)連續(xù)11年占據(jù)世界首位，成為名副其實(shí)的太陽能光伏應(yīng)用大國。太陽能光伏技術(shù)和產(chǎn)業(yè)成為中國推動(dòng)科技進(jìn)步、發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的縮影。
從零起步，從跟跑到領(lǐng)跑，我國光伏行業(yè)近年來實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，重點(diǎn)環(huán)節(jié)國產(chǎn)化程度大幅提升，以高科技、高附加值、引領(lǐng)綠色轉(zhuǎn)型成為出口新增長點(diǎn)。能源是國民經(jīng)濟(jì)的命脈，是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，在構(gòu)建新發(fā)展格局中發(fā)揮著舉足輕重的作用。太陽能光伏的應(yīng)用和快速發(fā)展，為我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，建設(shè)更加環(huán)保、更加清潔的家園提供了重要途徑，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)我國能源自主可控提供了重要的解決方案。
（作者為中國科學(xué)院院士、浙大寧波理工學(xué)院校長）
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