第三代太阳能电池技术尚不成熟 规模应用尚需十数年

  根据《可再次生产的能源中长期发展规划》，到2020年，中国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW，到2030年之前，中国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上。欧洲联合研究中心（JRC）预测，太阳能光伏发电在21世纪将占据世界能源消费的重要席位，并变成全球能源供应的主体。在此背景下，全球光伏发电产业技术迅猛发展，随着传统能源价格的上涨，一个太阳能发电的新时代正在渐行渐近。

  目前世界一流的光伏发电技术达到了何种程度？与我国的研究水平有多大差距？距离规模化生产还有多远？下一步我国光伏发电产业需要注意些什么？带着这样一些问题，《科学时报》记者专访了中国科学院化学所占肖卫和李永舫研究员等专家。

  记者：目前国外光伏发电技术探讨研究呈现出哪些趋势？主要的技术方向、研究成果及产业化情况如何？

  专家：在全球范围内，太阳能光伏发电利用慢慢的变成了新兴起的产业，而且方兴未艾。过去10年光伏（PV）产业年平均增产率为35％，2008年PV全球市场销售额达371亿美元，2008年PV全球总安装容量达创纪录的5.95GW。

  自1953年第一块单晶硅太阳能电池问世以来，商品太阳能电池已发展了两代。目前，已经产业化的硅基太阳电池的最高能量转换效率达到24％，基于砷化镓半导体的太阳电池效率甚至达到了31%～32％。以单晶硅为代表的第一代太阳能电池的性价比在3.5 美元/W左右，价格昂贵，但其基础科学问题已基本解决，研究的重点已转入材料的提纯、封装等技术问题。以多晶硅和无定形硅为代表的第二代薄膜太阳能电池的性价比在1.5美元/W。目前，第二代太阳能电池已进入市场，但材料、集成等方面仍有许多基础科学问题亟待解决。

  传统的太阳能光伏材料是以无机半导体材料为主，如硅、砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒等，尽管这些材料制备的光伏器件获得了较高的光电转换效率，但由于成本高、毒性大、材料来源稀缺等原因，限制了光伏器件在可再次生产的能源领域中的大规模应用。

  有机染料与无机半导体复合的染料敏化纳晶太阳能电池自1991年发明以来，以其低成本高效率立即受到大家的广泛关注。目前其光电转换效率接近12%，并且已有很多公司开始尝试对其进行商业性开发，染料敏化电池将有望成为光伏新的增长点。

  有机聚合物太阳能电池是20世纪90年代发展起来的第三代新概念太阳能电池，它具有成本低、重量轻、超薄、柔性等特点，非常适宜大面积制备和个性化应用，性价比在0.5美元/W，很可能降到0.2美元/W或更低。目前，小面积聚合物太阳能电池效率超过6％,器件稳定性超过3000小时。

  记者：目前我国在此领域处于怎样的地位？研究及发展趋势有何不同？中科院化学所及您所在的实验室在此方面主要作了哪些研究？成果如何？

  专家：在我国，中科院等离子体所、物理所、化学所，长春应用化学所等单位和北大、清华、武汉大学、华中理工等多所大学都在染料敏化电池方面做了大量研究，并在有些领域取得了国际先进的成果。华南理工大学、中科院化学所、中科院长春应化所、吉林大学、浙江大学等单位在聚合物太阳能电池方面也做了一些世界领先水平的工作。

  化学所的工作侧重于光伏材料方面，如有机染料、固体电解质、有机聚合物电子给体和受体材料等。目前，化学所小面积固态染料敏化电池效率可达7％，而小面积聚合物电池效率可达6％，均属国际先进水平。

  记者：作为第三代光伏发电技术组成部分的有机太阳能电池光电转换效率在实验室已达到6.1％，染料敏化太阳能电池的光电转换效率接近12%，即将走向商业化生产。您对这些研究成果如何评价？这是否标志着第三代光伏发电技术已成熟？

  专家：目前第三代的太阳能电池技术基本上还处于由实验室阶段走向中试阶段，国际上一些大公司在正在作这方面的努力，如日立、富士、索尼、Solarmer等，但这些技术还不能说成熟，离大规模推广还有非常长的路要走。

  首先是效率问题，以单晶硅为代表的第一代电池效率最高，商业化产品能达到30％以上，实验室已达到42％；第二代的商业产品也已经普遍在10％以上。

  第三代中以有机电池为例，全球顶配水平也只是刚刚达到6.77％，只有几家实验室能到6％以上，实际上能有5％以上的转化率就已经算是世界“第一梯队”水平了。

  而且我们所说的“效率达到6％以上”，并不是我们一般见到的已经应用的电池，而是指只有大约0.1平方厘米的“小面积”电池。如果要真正投入应用，必须扩大电池面积，随之增加电阻等其他因素的影响，使效率急剧下降。

  电池的常规使用的寿命是另一个问题，有机材料的成本要远远低于无机电池，但常规使用的寿命也相对较短。目前实验室老化试验平均只有3000小时左右的寿命，最好也不会超过1万小时。

  记者：近年来全球太阳能发电技术及相关产业持续稳步发展，我国太阳能产业的发展更加迅猛。但国内企业80%以上的生产技术还依赖进口，在太阳能领域的专利技术拥有量还较低。面对巨大的产业及市场，我国太阳能发电在技术等侧面迫切地需要解决哪些问题？

  专家：目前确实存在这种情况，太阳能相关技术大部分都是国外的专利。国内太阳能产业规模很大，生产的太阳能电池有95％都是出口的，而生产技术却都是进口的，是一种不健康的“两头在外”的状态，实质上还是外国的加工厂。企业的利润有很大一部分被人白白拿走，这使我们在市场和技术上更加依赖他们来发展。

  所以目前国内太阳能发电技术迫切需要加大自主创新的力度，需要有自己核心的专利技术，这样才有和别人谈判的本钱，在国际市场上才有地位，太阳能产业才能健康发展。近来国家财政的支持非常到位，科研工作取得了不少成绩，以后的工作应该重视源头创新，在作好基础研究的同时，更加重视从基础研究到技术开发的转化，从实验室到工业化生产的转移。

  记者：未来随着光伏产业的不断发展，对关键技术及设备的需求及要求越来越高。您能否预测一下未来光伏发电技术的发展方向、前景及其对产业的带动作用？

  专家：未来光伏发电产业的发展，在10~20年内还是要立足于效率高、寿命长的前两代电池，方向是通过关键材料的制备技术和器件集成技术的革新进一步降低成本。

  从长期来看，第三代电池具有低成本等优势，非常有发展潜力，10~20年以后很可能发挥其优势。但目前技术尚不成熟，尽管现在也有一些示范性的样板，还有很多基本科学和技术问题要解决，不能急躁冒进，眼光要放长远些。在目前的情况下，有机太阳能电池等第三代电池的定位不应该是“替代”前两代，而应该充分的发挥其轻便、成本低、可折叠等特点，在一些硅基电池难以涉及的领域发展其个性化应用，与之形成“互补”的关系。

  目前第三代电池的研发，我国在基础研究方面已经走在了世界前列，特别是在关键材料方面，拥有了属于自己的核心技术，在未来的发展中取得了有利位置。全力发展相关核心技术，对我国太阳能产业来说有重要的战略意义，既可以推动我们国家太阳能产业的全面发展，又可当作国际技术交换的筹码，在国际竞争中增加主动性。