太阳能光伏技术已到临界状态

2015-5-18

一个多世纪以来，人类持续不断地挖掘已经在地下埋葬了上亿万年的煤油，推动了社会的繁荣与进步，却带来各种“乌烟瘴气”的副作用。随着大气层环境的恶化，再生能源如风能、水能、植物能以及潮水能等开始粉墨登场，纵观各种可再生能源技术，太阳能也许是最重要的一种，对彻底解决全人类的能源需求提供最大的帮助。

2009年，人类能源的总消耗为16太瓦，预测到2050年，总能源需求量将达28太瓦；而我们每年从太阳吸收到的能源，足足有2.3万太瓦，如果能充分加以利用，就可以无污染、无偿养活800多个地球。由此可见，解决好太阳能技术的重要性，而太阳能光伏技术的突破，确实已到了临界状态。

我们可以先简短回顾一下光伏技术的发展历史。早在1839年，一位法国人，Alexander-Edmond Becquerel，就发现半导体材料在阳光下能产生电流；但直至1905年，艾恩斯坦方才解释“光”是经“光子”传递，这“光子”能敲松半导体里的“负电子”，这“负电子”与腾空出来的“空穴”，互相连贯交替，故产生电流。直到1954年，美国贝尔实验室用参杂磷和硼的硅片，制造了头一块晶体硅光伏电池，当时的效率只有3.2%的转换力，今日市场上的晶体硅转换率，已在20%以上，确实进步了不少。

然而，这年过“六旬”的老技术，有两个致命的弱点：其一，它的主要生产原材料，是99.9999%纯度的硅片，其材料成本占生产成本的七成，注定了其昂贵生产成本，使它始终无法与廉价的煤油发电竞争，其生存常依赖政府补贴；其二，它的生产造成大量四氯化硅的污染；多年来，这挂着环保再生能源光环的产业链，却是中国农田的污染源头。但由于它技术门槛较低，二十多年来，上千家晶体硅工厂在中国建立，中国成为全球最大的晶体硅产国；近几年，由于生产过剩，导致恶性竞争。据中国官方数据，国家在晶体硅太阳能方面的补贴和不良借贷损失，达两万亿人民币。

可喜的是，太阳能技术的更新，早已翻过去了两页；先是类似铜铟镓硒或碲化镉一类的薄膜光伏技术，其转换率已超过目前晶体硅市场产品的的水平，美国的FirstSolar和日本的SolarFrontier已成功使用薄膜技术，低成本批量生产此类光伏电池。一般薄膜技术，使用廉价的纳钙玻璃作为基板，来代替硅片，其光伏吸收薄膜层厚度要比晶体硅薄40倍，薄膜技术的生产成本潜力，远低于晶体硅，是真正能抗衡煤油发电的再生能源。到目前为止，中国虽然也参与各类薄膜技术的研究，但尚未形成大批量生产规模。为弥补中国在薄膜太阳能技术上的短板，中国的汉能和中国建材，相应收购了数家国外的铜铟镓硒厂家，包括汉能去年收购美国亚利桑那州的GlobalSolar、美国加州的Miasole，以及德国Q-Cell旗下的Solibro；中国建材也收购了德国Saxony的Avancis。但短期内，这些收购的公司，要转移到中国来生产，尚不现实。

日本的桐荫横浜大学，Miyasaka团队，于2009年开始将有机/无机甲胺碘铅材料（简称钙钛矿），应用到薄膜光伏行业，这是太阳能技术最新的一页。仅仅四年功夫，钙钛矿光伏电池的转换率，从2009年的3.8%一跃而成今天20%以上。钙钛矿除了其先天的技术优势，比如特宽的吸收光谱、极高的带隙及开路电压、极高的载体浓度及迁移率和极少的结构缺陷外，其生产工艺可使用极低生产成本的旋涂法来制造，无需经真空镀膜。