褚君浩：太阳能光伏技术发展的挑战和机遇

中国科学院院士、半导体物理和器件专家 褚君浩先生的

　　第三届中国（无锡）国际新能源大会暨展览会将于2011年11月3至5日在江苏无锡隆重举行。本届大会以“突破与整合”为主题，总体活动由新能源大会和太阳能展会两个部分组成。

　　以下是中国科学院院士、半导体物理和器件专家褚君浩先生的发言实录：

　　各位领导、各位企业家、各位专家，我和大家交流一下太阳能技术发展的挑战和机遇。

　　主要三个方面的问题。一个是能源与环境问题，第二是太阳能光伏电池发展的情况，第三是转变经济发展方式的机遇。

　　现在能源与环境是人类今后五十年所面临十个问题中的两个，其他还有贫困、战争、民族等等，其中能源与环境是非常重要的两个问题。过去一百年我们可以看到，地球人口增加，温度上升，二氧化碳增加，而且都是发生在最近这一百年。我们看到在北极，发现了有及个小熊的骨骼残骸，这个小熊被大的北极熊吃掉了，以前大熊是靠在冰上打一个洞抓鱼，现在北冰洋很多冰都化了，没有鱼可以打了，就出现了大熊吃小熊的残酷局面。这是格陵兰岛，我们可以看到，这个冰都是化的比较多，如果格陵兰岛的冰全部化掉的话，那么地球的海平面将要上涨7.2米，这样一个数字有人不太相信，曾经专门做过计算，算了以后的确是这样一个数字。如果说北冰洋的冰全部化了以后，地球要上升几十米，这个图是华东师范大学地理系做的一个图，也就是说，如果海平面上升50米，会发生什么情况，整个山东省就剩下了两个岛，上海和无锡都在水里面，所以情况是非常严峻的，我也教华东师范大学地理系的老师们做了一张如果上升一米怎么样，上升三米怎么样，上升八米怎么样，都是非常惊险的情况。所以我们现在要发展低碳技术。

　　这个低碳技术包括了减碳、无碳和去碳三个方面。可再生能源中太阳能是非常重要的一个方面。现在地球上的化石能源包括核能，实际上他们都是非常有限的，大家可以从这个图上看 ，也就是几十年，一两百年的历史，只有太阳能是无限的，所以人类对太阳能利用的需求是永恒的。过去是间接的利用，到现在来说，我们可以说，人类对太阳能的直接利用，这将是一个永恒的主题，也就是说我们从事太阳能事业的科研、教学、产业，都是一件非常永恒的重要的事业。太阳能到地球表面会还剩下70%的能量，算到地球上，如果算一个平米一年就是1662度电，如果算到这个图，这是说明世界上每个地方，一天一个平米大概有几度电的能量，我们中国地区一般是四到五度电。这是什么概念呢，如果说有十个平米，那么能量就是40度电，如果说我们太阳能电池的效率是10%，我们就可以得到四度电，如果四度电的概念可以供一户人家利用。如果太阳能电池的效率是20%，那就不要十个平米，只要五个平米，五个平米的概念就是只要我们在阳台边上，加上一部分的墙就可以供一家人的需求。所以，也有人做过计算，我们中国的荒漠地区很多，如果把中国的荒漠地区的10%的土地拿出来，放上10%的太阳能电池，就可以够我们中国一年的能源需求。太阳能光伏电池技术的发展，就是PN结光伏效应，光生电子，空穴对在空间中电荷层被电场分开，并贡献光电流。我们产生的电是两种用途，一个是直接推动我们的用电器，也可以送到我们的电网中去，如果直接送到用电器当中，我们现在的冰箱、电视机，实际上都是把220伏的电交流，变到低电压，再开动我们的机器，我们需要发展一种新的电器，这些电器是直接用太阳能电池的直流电供给的。这个也是一个未来发展的趋势，既可以插220伏的交流电，也可以直接用直流电。当然另一种是把电通过逆变器送到电网中，这是一个更加重要的，而且是可以比较普遍的形式。现在送到网里面去，要解决逆变器里面跟网的匹配问题，现在电网也说，你们这个太阳能电、风电都是垃圾电，刚才赵参事说现在还有一些机制上的障碍，就是电力企业不喜欢你们的电，他们的理由就是你们的太阳能电和风电是垃圾电，我们有一次到山东去看，风很好，但是风电不能送进去，为什么？电力部门说，我们这个火电还用不光，你这个风电还来干什么，会影响到他们的部门利益。所以我们一分析是上网电价，还有部门利益的调整问题。是不是太阳能电和风电是垃圾电呢，这个一方面需要逆变器有很好的水平，另外需要有智能电网的调控。现在这张表格是比较早的，2007年，中国的产量那时候是三分之一左右，但是中国的市场是千分之一点七，这个情况到了现在并没有改变，刚才赵主任的报告中也说了，这个是中国的产量，也是很多，占了非常大的部分，但是应用，中国一直到2010年，这个应用还是小，我们只能在这个下面找到一点点，上面都是欧洲。所以我们是生产的大国，应用的小国。现在只有2%的应用，产量占到50%左右。这个就需要我们国家在应用方面促进我们应用市场的开发。现在上网电价是一个很好的趋势，但是还要解决一系列操作层面上的问题。

　　太阳能电池从技术上来分可以分为三类，一个是硅基，一个是化合物，一个是新材料的。硅基有单晶硅的，有多晶硅的，第二代光伏电池是薄膜，第三代光伏电池是薄膜为主，高效率，低成本，燃料敏化，宽光谱、叠层多结、量子点、纳米等。将来预测薄膜电池会逐渐扩大比例，晶硅电池会从90逐步退到70%多，这个主要原因一方面是百分比增加，另一方面薄膜电池在一步一步发展。而且未来不同电池所占的比例，有这样一个图，我们有一个概念，就是各类电池，以晶硅为主，但是各类电池共存，有各种不同的用途，在不同的场合下利用不同类型的电池。将来能量回收期，现在社会说有一个概念，说你们太阳能电池将来到的电很多，得到的电很少，这实际上是一个误解，我们能量回收期就是一年左右，我们造太阳能电池所用的电，能在一年半到两年中就可以回收，或者一年中就可以回收，而且一个太阳能电池可以用25年左右，甚至30年。现在的情况是各类电池实验室的效率在不断提高，大面积产业化的效率是低于实验室效率，但是这个差距正在逐步逐步的缩短。实验室的效率，整个效率都还有上升的空间，他们并不是到现在这个效率就终止了，这个上面三条缺陷，弯的曲线是理论方面的效率，下面的点是我们实际达到的效率，这个竖的线是表示差距，正因为我们有这个竖线存在，所以我们现在迫切需要提升我们的技术水平，如果这个竖线已经是零了，也就是说我们技术问题已经解决了。我们现在还有这些竖线存在，所以我们的技术还有上升的余地，可以缩短这条竖的线，反过来，我们需要产学研结合，解决提升这个电池的技术水平。这个三类电池是这样一个情况，以晶体硅为代表的第一代太阳能电池正在蓬勃发展，占据太阳能电池总量的90%，并且技术有上升的空间。为什么还是硅材料为主呢，因为硅材料有优势，非常稳定，是上帝给人类最好的礼物之一。晶体硅电池中，成本70%，或者60%是硅材料，所以如果说我们降低硅材料的成本，那我们可以降低硅电池的成本，那么降低硅的成本现在有两个方法，一个是继续降低化学方法来制备多晶硅技术，另外一个是发展物理方法来提纯多晶硅，物理方法提纯的多晶硅，几年前市场上占有的量是零，现在他所占有的量是10%左右。在我们太阳能中心，还有一个小组是做小锭，也是物理方法提纯，做的效果也很好，做了300多片的，平均效率16.23%，现在我们国内有好多利用物理方法进行提纯多晶硅材料的公司，有些也已经在电池上得到应用，无论是浙江、辽宁，不同的省份都有这样一些例子。另外一个方面是把硅基太阳能电池技术提高，这里介绍了很多。现在一个非常重要的目标是希望能够突破20%的效率，这个是完全可能的，现在陆续有很多公司，国际国内，他们的效率可以达到20%以上。这是现在一个很大的目标，另外还要加强研发，比如这个例子，是在多晶硅电池表面涂一层纳米硅，可以提升效率。这就说明硅基电池还有效率上升的空间。

　　第二个是薄膜电池，这类电池是可以产业化的，但是在实现产业化中有很多的技术问题，有不同的工艺路线，设备问题、工艺问题，以及材料器件物理问题都要研究和发展。这是三类薄膜电池，这三类薄膜电池，比如硅薄膜电池，最近碰到一些发展中的阻碍，尤其是非晶硅电池，最近发展的不是太好，现在对硅薄膜电池的研究非常热门，都在进行研发，据我所知，虽然尚德硅薄膜电池不生产了，但是研发工作还在进行，希望进一步搞起来。如果碲化镉太阳能电池价格降到每挖一美元，全年日照是1600小时一年，对于这样的区域，如果一瓦是七毛七美分，一度电算下来就是2.5美分，这也说明，在价格说是非常有竞争力的。对于有2000小时的地区，一度电是两美分。

　　第三代电池是新材料新概念新结构新工艺的新型太阳能电池，其中包括燃料敏化太阳电池，宽光谱多结太阳能电池，有机太阳能电池，纳米结构量子点太阳电池等等，我们需要产学研的结合，研发这类的电池。燃料敏化，这个不是PN结的原理，工艺比较简单，这样的电池好几个研究所都在制备，其中一个等离子技术所，他们04年就做了一个，有人认为染料电池不稳定，他有液体在里面，现在希望寻找固态电解质，制备更加稳定的电池。现在也有人考虑，不是染料敏化二氧化碳，而是用染料敏化量子线，现在学术思想非常丰富，技术也非常奥妙。还有一大类是宽光谱的，这是非常重要的一类电池，他这个是利用太阳光在不同光谱里面的不同颜色，如果都转化为电，效率就会提高，现在就在找好多材料，这些材料敏感不同颜色的太阳光，这样就找到很多不同组合的材料，做成多极电池，感应不同波段的太阳光，效率可以提高很到。现在有很多理论方面的工作，他的效率可以提高到40、50，甚至70，美国很多单位都在做这个方面的理论研究工作。还有中间带隙太阳能电池。如果用这种宽光谱的电池做好，因为他的成本比较贵，就不合算了，这时候就做成小面积，然后用聚光，聚在一个下的面积上，这个小的面积上放上我们宽光谱的电池，这个现在是非常热门的方面，而且在青海有一个示范电站。这个方面现在有很多新的研究，量子点太阳能电池。当然，里面有很多的科学问题需要研究。

　　现在是转变发展方式的机遇，这些都是很好的应用，这是太阳能飞机，太阳能飞机能够用的话，那么将来太阳能汽车就可以用。现在我们处于第三次产业革命结束，第四次产业革命开始的时候，谢谢大家。