太阳能光伏——向阳而生 “洁”尽所能

　　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 杨德仁 中国科学院院士、浙大宁波理工学院校长）