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自1954年美國科學家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次制成晶硅太陽能電池至今，光伏技術發(fā)展已有幾十年的歷史。在最近的2004-2016年，多晶硅技術由于其成本優(yōu)勢，快速擴大產業(yè)規(guī)模，成為光伏技術的主流。但目前晶硅技術發(fā)展已相對成熟，未來轉換效率提升的空間將越來越小。因此如何將光伏組件的轉換效率及系統(tǒng)效率大幅提升值得我們深入研究。
一、當前光伏技術的發(fā)展路徑
從太陽能電池的技術原理出發(fā)，此前的技術創(chuàng)新主要在兩個方向上優(yōu)化。第一是如何最大限度增加光吸收，提高光的使用效率，可稱之為“開源”，目前采用的主要方式有增加抗反射層、減少柵線遮擋、采用黑硅及絨面減少光反射、全背面接觸電池（IBC）等；第二是如何減小電學損耗、減少復合，使更多的光生載流子可以傳輸?shù)酵饨与娐分行纬呻娏鳎煞Q之為“節(jié)流”，為此科學家們采用了多種多樣的鈍化技術，如局域重摻雜、背鈍化、HIT雙面鈍化等結構及N型材料等，這是當前提高電池片轉換效率最有效的方式。
二、“開源”將是光伏技術更重要的發(fā)展方向
“節(jié)流”可以使太陽能電池的轉換效率有一定提升，但目前該方向的優(yōu)化已經接近極限，現(xiàn)有的各種電池結構大多都已在十幾年前就被提出了，但由于工藝復雜，成本較高，所以發(fā)展相對緩慢；而“開源”則是更為重要的發(fā)展方向，它將大大提高電池的轉換效率，在這方面還有很大的發(fā)展空間。
1、在電池層面，采用疊層電池結構及納米線或量子點材料作為吸收層有望大幅提升光吸收效率，預計可將電池轉換效率提升至25-35%。以鈣鈦礦電池（帶隙可調）為代表的薄膜太陽能電池的發(fā)展為疊層電池結構奠定了基礎，該電池的穩(wěn)定性在近半年迅速提升使其向商業(yè)化更進一步。洛桑聯(lián)邦理工學院開發(fā)的真空閃蒸處理技術使鈣鈦礦電池性能更加穩(wěn)定，韓國科學家采用疏水導電聚合物制備的鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性也大大提高了，在濕度75%的環(huán)境下工作1400多小時，而將鈣鈦礦材料中加入無機材料可大大提升現(xiàn)有材料的穩(wěn)定性。最近，香港理工大學研發(fā)的鈣鈦礦/單晶硅疊層太陽能電池，其轉換效率已高達25.5%。德國ZSW、卡爾斯魯厄理工學院（KIT）及IMEC的科學家團隊聯(lián)合制成了鈣鈦礦和CIGS薄膜太陽能光伏組件堆，預計未來轉換效率也可超過25％。
此外，由丹麥瑞士團隊提出的納米線太陽能電池通過利用納米線的獨特性能，聚光能力是普通光照強度的15倍，這有望突破現(xiàn)有太陽能電池轉換效率的理論極限。瑞典公司Sol Voltaics的納米線太陽能電池技術已能夠成功對太陽能電池薄膜納米線進行校準定位，當將其作為一個PN結串聯(lián)集成在晶硅組件上時，納米材料使得光伏組件實現(xiàn)了27%的轉換效率。荷蘭埃因霍溫技術大學科學家通過納米線太陽能電池可以使轉換效率達到17.8%，但其理論效率高達46%，提升空間仍然非常大。
2、在組件層面，低成本的新型聚光、分光等光學裝置的應用有望大幅提升組件的轉換效率，預計可將組件轉換效率提升至35%以上。瑞士企業(yè)Insolight開發(fā)了可蓋在光伏組件頂部的薄塑料層附加裝置，該裝置是帶有許多透明半圓小透鏡的注塑成型陣列板，就像是一個小型的放大鏡網(wǎng)絡，用其對準高性能太陽能電池區(qū)域，該裝置有望大幅提升組件的光電轉換效率。德國弗勞恩霍夫研究所已經對一塊該電池的性能進行了獨立驗證，Insolight聲稱其轉換效率達到了36.4%，可在屋頂應用的潛力非常大。
新南威爾士大學(UNSW)的最新研究成果稱已獲得34.5%的組件轉換效率。新裝置由嵌入棱鏡的四聯(lián)迷你模塊結合而成(大小為28cm2)，可以從陽光中提取最大能量。當陽光照射棱鏡的時候，四聯(lián)模塊接收器會將陽光分成四束，從而增加收獲的能量?？梢韵胂笪磥矶喾N多樣低成本的光學裝置在光伏組件中的應用將有望用最簡單的方式獲得成倍的光吸收效果，從而使大幅提升組件轉換效率成為可能，為我們組件設計提供了一種新的思路。
3、在系統(tǒng)層面，智能跟蹤器、物聯(lián)網(wǎng)技術及智能控制云平臺的綜合應用，有望大幅提高光伏系統(tǒng)效率，降低度電成本。根據(jù)GTM發(fā)布的《2016年全球光伏跟蹤器前景：價格、預測、市場份額和供應商簡介》報告，到2021年，光伏跟蹤器安裝量將增長到37.7GW，占所有地面光伏系統(tǒng)的近一半。目前在國內跟蹤器的普及率還比較低，可以想象未來跟蹤器市場空間巨大。新型太陽能跟蹤器能以更有效的方式追蹤太陽光，不再采用現(xiàn)有的主動和被動跟蹤器。物聯(lián)網(wǎng)及智能控制云平臺的逐漸滲透可大幅提升系統(tǒng)的效率。在今年10月中國光伏大會上，天合光能就發(fā)布了其Trinatracker高可靠智慧型跟蹤系統(tǒng)解決方案，未來跟蹤器和逆變箱的一體化，搭載智慧云平臺的整合系統(tǒng)端解決方案將最大限度降低系統(tǒng)度電成本。SunPower近期發(fā)布了第三代綠洲智能平臺(Oasis®)，該平臺利用無人機收集數(shù)據(jù)，運用配套專業(yè)軟件對數(shù)據(jù)進行分析，擬定上千種發(fā)電站設計備選方案，并根據(jù)客戶的預算和發(fā)電目標進行自動篩選，最終生成理想的設計方案，設計人員可通過云計算平臺查看海量備選方案進行篩選，以確保設計方案能夠實現(xiàn)成本和產能的最優(yōu)化。在電站25年的可靠運行壽命期間通過優(yōu)化電站中的各模塊，預計可將發(fā)電量提高35%以上！
三、光伏技術未來發(fā)展展望
以上對目前光伏技術最新的亮點做了簡要的分析和總結，我們可以看到這些新的技術大多都可與現(xiàn)有的主流晶硅技術進行疊加或是兼容，它們是在現(xiàn)有技術基礎上的進一步創(chuàng)新，這些創(chuàng)新技術雖然大多還停留在實驗室階段，真正邁向產業(yè)化還有很長的路要走，但它們卻為光伏技術創(chuàng)新提供了新的方向和思路。希望我們的科學家及技術工作者可以進一步開拓思路，跳脫出現(xiàn)有技術的束縛，也許下一個光伏技術的顛覆性創(chuàng)新很快就將出現(xiàn)在中國！
一、當前光伏技術的發(fā)展路徑
從太陽能電池的技術原理出發(fā)，此前的技術創(chuàng)新主要在兩個方向上優(yōu)化。第一是如何最大限度增加光吸收，提高光的使用效率，可稱之為“開源”，目前采用的主要方式有增加抗反射層、減少柵線遮擋、采用黑硅及絨面減少光反射、全背面接觸電池（IBC）等；第二是如何減小電學損耗、減少復合，使更多的光生載流子可以傳輸?shù)酵饨与娐分行纬呻娏鳎煞Q之為“節(jié)流”，為此科學家們采用了多種多樣的鈍化技術，如局域重摻雜、背鈍化、HIT雙面鈍化等結構及N型材料等，這是當前提高電池片轉換效率最有效的方式。
二、“開源”將是光伏技術更重要的發(fā)展方向
“節(jié)流”可以使太陽能電池的轉換效率有一定提升，但目前該方向的優(yōu)化已經接近極限，現(xiàn)有的各種電池結構大多都已在十幾年前就被提出了，但由于工藝復雜，成本較高，所以發(fā)展相對緩慢；而“開源”則是更為重要的發(fā)展方向，它將大大提高電池的轉換效率，在這方面還有很大的發(fā)展空間。
1、在電池層面，采用疊層電池結構及納米線或量子點材料作為吸收層有望大幅提升光吸收效率，預計可將電池轉換效率提升至25-35%。以鈣鈦礦電池（帶隙可調）為代表的薄膜太陽能電池的發(fā)展為疊層電池結構奠定了基礎，該電池的穩(wěn)定性在近半年迅速提升使其向商業(yè)化更進一步。洛桑聯(lián)邦理工學院開發(fā)的真空閃蒸處理技術使鈣鈦礦電池性能更加穩(wěn)定，韓國科學家采用疏水導電聚合物制備的鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性也大大提高了，在濕度75%的環(huán)境下工作1400多小時，而將鈣鈦礦材料中加入無機材料可大大提升現(xiàn)有材料的穩(wěn)定性。最近，香港理工大學研發(fā)的鈣鈦礦/單晶硅疊層太陽能電池，其轉換效率已高達25.5%。德國ZSW、卡爾斯魯厄理工學院（KIT）及IMEC的科學家團隊聯(lián)合制成了鈣鈦礦和CIGS薄膜太陽能光伏組件堆，預計未來轉換效率也可超過25％。
此外，由丹麥瑞士團隊提出的納米線太陽能電池通過利用納米線的獨特性能，聚光能力是普通光照強度的15倍，這有望突破現(xiàn)有太陽能電池轉換效率的理論極限。瑞典公司Sol Voltaics的納米線太陽能電池技術已能夠成功對太陽能電池薄膜納米線進行校準定位，當將其作為一個PN結串聯(lián)集成在晶硅組件上時，納米材料使得光伏組件實現(xiàn)了27%的轉換效率。荷蘭埃因霍溫技術大學科學家通過納米線太陽能電池可以使轉換效率達到17.8%，但其理論效率高達46%，提升空間仍然非常大。
2、在組件層面，低成本的新型聚光、分光等光學裝置的應用有望大幅提升組件的轉換效率，預計可將組件轉換效率提升至35%以上。瑞士企業(yè)Insolight開發(fā)了可蓋在光伏組件頂部的薄塑料層附加裝置，該裝置是帶有許多透明半圓小透鏡的注塑成型陣列板，就像是一個小型的放大鏡網(wǎng)絡，用其對準高性能太陽能電池區(qū)域，該裝置有望大幅提升組件的光電轉換效率。德國弗勞恩霍夫研究所已經對一塊該電池的性能進行了獨立驗證，Insolight聲稱其轉換效率達到了36.4%，可在屋頂應用的潛力非常大。
新南威爾士大學(UNSW)的最新研究成果稱已獲得34.5%的組件轉換效率。新裝置由嵌入棱鏡的四聯(lián)迷你模塊結合而成(大小為28cm2)，可以從陽光中提取最大能量。當陽光照射棱鏡的時候，四聯(lián)模塊接收器會將陽光分成四束，從而增加收獲的能量?？梢韵胂笪磥矶喾N多樣低成本的光學裝置在光伏組件中的應用將有望用最簡單的方式獲得成倍的光吸收效果，從而使大幅提升組件轉換效率成為可能，為我們組件設計提供了一種新的思路。
3、在系統(tǒng)層面，智能跟蹤器、物聯(lián)網(wǎng)技術及智能控制云平臺的綜合應用，有望大幅提高光伏系統(tǒng)效率，降低度電成本。根據(jù)GTM發(fā)布的《2016年全球光伏跟蹤器前景：價格、預測、市場份額和供應商簡介》報告，到2021年，光伏跟蹤器安裝量將增長到37.7GW，占所有地面光伏系統(tǒng)的近一半。目前在國內跟蹤器的普及率還比較低，可以想象未來跟蹤器市場空間巨大。新型太陽能跟蹤器能以更有效的方式追蹤太陽光，不再采用現(xiàn)有的主動和被動跟蹤器。物聯(lián)網(wǎng)及智能控制云平臺的逐漸滲透可大幅提升系統(tǒng)的效率。在今年10月中國光伏大會上，天合光能就發(fā)布了其Trinatracker高可靠智慧型跟蹤系統(tǒng)解決方案，未來跟蹤器和逆變箱的一體化，搭載智慧云平臺的整合系統(tǒng)端解決方案將最大限度降低系統(tǒng)度電成本。SunPower近期發(fā)布了第三代綠洲智能平臺(Oasis®)，該平臺利用無人機收集數(shù)據(jù)，運用配套專業(yè)軟件對數(shù)據(jù)進行分析，擬定上千種發(fā)電站設計備選方案，并根據(jù)客戶的預算和發(fā)電目標進行自動篩選，最終生成理想的設計方案，設計人員可通過云計算平臺查看海量備選方案進行篩選，以確保設計方案能夠實現(xiàn)成本和產能的最優(yōu)化。在電站25年的可靠運行壽命期間通過優(yōu)化電站中的各模塊，預計可將發(fā)電量提高35%以上！
三、光伏技術未來發(fā)展展望
以上對目前光伏技術最新的亮點做了簡要的分析和總結，我們可以看到這些新的技術大多都可與現(xiàn)有的主流晶硅技術進行疊加或是兼容，它們是在現(xiàn)有技術基礎上的進一步創(chuàng)新，這些創(chuàng)新技術雖然大多還停留在實驗室階段，真正邁向產業(yè)化還有很長的路要走，但它們卻為光伏技術創(chuàng)新提供了新的方向和思路。希望我們的科學家及技術工作者可以進一步開拓思路，跳脫出現(xiàn)有技術的束縛，也許下一個光伏技術的顛覆性創(chuàng)新很快就將出現(xiàn)在中國！
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