太阳能电池工作原理图

能源工业是国民经济的基础产业，也是技术密集型产业。“安全、高效、低碳”集中体现了现代能源技术的特点，也是抢占未来能源技术制高点的主要方向。

目前对新能源的开发主要集中在太阳能、氢能、风能、地热能等可再生能源，其中太阳能资源丰富、分布广泛，是最具发展潜力的可再生能源。随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出，太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。

太阳能来自于太阳内部核聚变所蕴藏的巨大能量。据粗略估计，太阳辐射的总能量流为4×10²⁶J/s，其中向地球输送的光和热约达1.8×10¹⁷J/s，相当于燃烧4×10⁸t烟煤所产生的能量。

一年中太阳辐射到地球表面的能量相当于人类现有各种能源在同期内所提供能量的上万倍。与石油、煤、天然气等能源的价格随着供应量和储量的变化而波动不同，伴随着技术的不断进步，人类利用太阳能的成本会逐年下降。近年来，对于可再生能源的开发利用日益受到人们的重视，太阳能由于兼具清洁、安全、能量巨大、分布广泛、长久不衰等特点，逐渐成为未来能源的主要供应形式之一。图1.1为各类一次能源使用量的变化趋势，在未来的能源结构中，太阳能无疑将占据重要地位。

图1.1 一次能源使用量变化趋势

资料来源：全球变化咨询理事会(WBGU)

电力是增长最快的终端能源形式，引领全球能源转型。总体而言，到2040年，为应对电力需求的增加，以及替代现有退役装机容量（约占现役装机容量的40%），需要新增7200GW的装机量。国际能源组织（IEA）预测，未来对于可再生能源利用的强劲增长，将会使可再生能源发电量占全球发电量的比例提高到1/3，到2040年，可再生能源发电量将占全球新增发电量的近1/2，市场规模达数千亿美元。

光伏发电是指利用太阳能电池直接将太阳光能转换为电能的过程，是可再生能源发电中的重要组成部分。目前，它正在快速成长并成为常规化石能源及其他能源利用形式越来越重要的替代品。

2014年上半年，美国光伏发电装机量占美国新增电力装机总量的53%；而在日本夏季用电高峰期，光伏发电量占总发电量的比例则达到了37%。我国自2013年开始启动了大规模的光伏电站建设计划，当前已经成为年新增光伏装机量最大的国家。从全球光伏行业来看，2002年至2012年十年间，光伏行业市场需求年均复合增长率达58.5%，从2002年的数百兆瓦增至2012年的30GW；2013年，全球光伏总装机容量为135GW，其中新增装机容量40GW，同比增长33%；2014年全球光伏新增装机容量为41GW，2015年和2016年全球光伏新增装机容量将分别达到55GW和65GW。历年光伏市场的变化趋势及绿色科技传媒研究中心（GTM Research）预测情况详见图1.2。

中国、日本和美国是光伏需求的主要推动者，同时也聚集了大量的光伏制造企业及光伏应用产品生产商。根据IEA 2014年的预测，截至2050年，光伏发电产能将达4600GW，将提供全部人类电力需求16%的份额，约折合63000亿千瓦时的电能。按照这一预测，2015年到2025年间，平均年装机量将达到120GW以上，2025年之后有望增加到200GW/年的水平。

图1.2 全球光伏装机量发展现状及趋势

资料来源：绿色科技传媒研究中心

光伏发电规模的扩大和持续发展有赖于光伏材料的不断革新和技术的不断进步。太阳能电池的发展可以追溯到1839年，法国的Becquerel最早发现了液体电解液中的光电效应；然而直到1883年才由美国的Fritts使用硒制备了第一个太阳能电池；之后又经过半个世纪的发展，1930年，Schottky提出Cu₂O势垒的“光伏效应”理论；同年，Longer首次提出可以利用“光伏效应”制造“太阳能电池”，使太阳能变成电能；随后，美国贝尔实验室的Pearson于1954年发明电池效率为6%的单晶硅太阳能电池，开启了p-n结太阳能电池的新时代，时至今日，p-n结太阳能电池仍然占据着光伏领域的绝对地位。

光伏材料方面，硅基材料的吸收波段与太阳光谱主要能量波段匹配，且其具有原料丰富、稳定无毒、生产成本低等特点，已经发展成为目前使用最广泛的一类太阳能电池材料。按硅材料的晶体结构，太阳能电池又可分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。

单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池统称为晶体硅太阳能电池，占据全球太阳能电池市场的绝大部分（市场份额约90%），目前单晶硅太阳能电池的实验室效率已经达到25.6%。

与此同时，基于不同光伏材料和不同结构的诸多类型太阳能电池不断涌现。图1.3为美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)对各类太阳能电池的效率追踪图，每一条曲线都代表一种成熟的或具有较大发展潜力的太阳能电池技术的发展历程，每一个点都蕴含着光伏研究人员的巨大心血。其中，以GaAs单晶电池为代表的单结化合物太阳能电池在117倍聚光下的效率已经达到29.1%，有机聚合物电池实验室效率达到11.5%，染料敏化电池的效率为11.9%，量子点电池的效率近期也得到较为明显的提升，达到了9.9%。值得一提的是钙钛矿电池，其认证的效率已经达到20.1%，发展十分迅速。

图1.3 不同类型太阳能电池最高最高效率追踪图

资料来源：美国国家可再生能源实验室

随着光伏应用规模的不断扩大，太阳能电池的制造成本和系统应用成本逐渐降低。图1.4为1976年至2014年间，光伏组件平均售价与累积组件出货量之间的关系图。由图可知，随着组件出货量的增加，光伏组件的平均价格逐渐降低。以晶体硅太阳能电池为例，在光照资源较好的地区，光伏发电成本已降至0.10～0.11$/(kWh)，与核能和天然气发电相当，与火力发电（0.07$/(kWh)）的差距逐步缩小。光伏电力已经在日本、西班牙、德国、英国等19个国家和地区基本实现平价上网，进入了脱离补贴也能自主发展的阶段。相比于传统化石能源，光伏发电成本的竞争优势在未来会不断地凸显出来。

图1.4 光伏组件平均售价与累积组件出货量关系图

资料来源：国际光伏技术路线图（ITRPV）

长期以来，大量化石能源的消耗推动着人类工业时代的进步，但是在促进社会发展的同时，使人类赖以生存的环境遭受越来越严重的破坏，空气污染日益加剧，全球温室气体排放量持续攀升。目前的工业技术越来越注重对节能减排贡献。

图1.5为2014年至2050年不同能源技术对CO₂减排贡献的预测情况，光伏技术在全球CO₂减排任务中将贡献20％的比例。2014年，中美达成APEC减排协议，协议约定“中国计划到2030年非化石能源占一次能源消费比例提高到20%左右”。经简单测算，我国需每天新增约670MW的光伏发电、核电、风电、水电等可再生能源电力，才能在2030年完成上述协议的目标。此协议预示着应对全球气候变化的治理结构开始逐步向“大国治理”模式过渡，全球在气候变化应对上迎来“新常态”。与此同时，为进一步降低碳排放和加强资源保护，2014年起实施的石油消费税和煤炭资源税政策也将进一步推动能源结构调整，助推光伏行业的发展。

图1.5 2014~2050年不同能源技术对CO₂减排贡献的预测情况对比

资料来源：国际能源组织

从更深层次来讲，能源行业历来是“兵家”必争之地，欧美“光伏双反”就是很好的例证。多年来，中国和世界各大巨头都在抢占光伏领域，尤其是伴随着传统化石能源出现危机和环境污染日益加剧，可持续能源战略陆续被各国提上日程，越来越受到世界范围内的重视。在光伏市场跌宕起伏的大背景下，美国、日本、欧盟（尤其是德国）、澳大利亚、中国等陆续出台各类激励太阳能产业发展的举措，总体目标是为光伏行业的发展提供完善的政策环境。我国自2014年以来，国家能源局、国家发展和改革委员会、国家工业和信息化部等陆续出台了十余项与光伏相关的利好政策，涉及光伏制造、市场应用的方方面面。伴随着光伏市场的逐步扩大、光伏技术的不断提高、光伏发电成本的日益下降和社会对清洁能源的迫切需要，以及“能源发展战略行动计划”和“一带一路”等重大战略的贯彻实施，光伏产业已经成为我国少数具有国际竞争力的战略新兴产业，为经济社会发展和生态环境保护“共赢”局面的促成保驾护航。

本文由安静摘编自《新能源材料科学与应用技术》编委会编著的《新能源材料科学与应用技术》第一章，内容有删减。

978-7-03-047298-4

《新能源材料科学与应用技术》内容包括硅基太阳电池、化合物太阳电池、聚合物太阳电池、有机/无机杂化太阳电池材料和应用技术，以及锂离子电池、锂空气电池、锂硫电池、全固态锂电池材料与应用技术，系统阐述了多种太阳电池、锂电池材料与技术的科学基本原理，探讨获取高性能太阳电池和锂电池新材料的知识和方法，重点介绍了国内外相关领域的最新研究进展和前景展望。

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