作者楊德仁肖像畫。張武昌繪
湖北孝感一個村莊的“風光儲充”一體化充電站。胡學軍攝
江西贛州一家企業的光伏玻璃自動化產線。朱海鵬攝
我國風電、光伏等資源豐富，發展新能源潛力巨大。經過持續攻關和積累，我國多項新能源技術和裝備制造水平已全球領先，建成了世界上最大的清潔電力供應體系，新能源汽車、鋰電池和光伏產品還在國際市場上形成了強大的競爭力，新能源發展已經具備了良好基礎，我國成為世界能源發展轉型和應對氣候變化的重要推動者。據中國光伏行業協會統計，2024年，我國光伏產業規模持續擴大，多晶硅、硅片、電池片、組件產量同比增長均超10%，電池片、組件出口量分別同比增加46.3%、12.8%；我國光伏新增裝機超乎預期，達到277.57GW（吉瓦），同比增長28.3%，光伏累計裝機突破880GW；2025年全球光伏裝機將繼續保持增長，新增裝機仍將維持高位。光伏產業在推動我國新能源高質量發展、助力共建清潔美麗的世界等方面作出重要貢獻。
“光生伏特”
太陽能儲量大、無污染
太陽能儲存量大，沒有環境污染，是重要的可再生清潔能源。當陽光從1.5億公里外照耀地球時，除了在大氣層中的反射、吸收和散射，大約50%的能量可以照射到地球表面，其地面輻射的平均強度是每平方米1366瓦。因此，從理論上講，只需將照射在地面的太陽光能量利用萬分之一，就可以滿足人類現在的能源需求。
我們平時所說的太陽能，一般指太陽能光熱和太陽能光伏，其分別利用了陽光的光熱效應和光伏（光電）效應。光熱效應是指將太陽的能量集聚起來，再轉換成熱能。如在我國城鄉廣泛應用的太陽能熱水器、太陽能灶等，也包括將太陽能轉換成熱能后，再利用熱能發電這一形式。而光伏效應則是將太陽能通過太陽電池，直接轉換成電能。這種光電轉換主要借助半導體器件的“光生伏特”效應進行，不僅可以用于空間站、衛星供電，還可以用于家庭、工廠屋頂電站以及大型太陽能光伏電站，實現大規模并網發電。
效率提升
應用從航天拓展至社會生活
太陽能光伏研究的歷史不到200年，實際應用70多年，大規模應用則集中于近20年。1839年，法國實驗室首先觀察到光伏現象，發現光照在鹽酸液體上可以產生電流。1876年，科學家在硒材料上觀察到光照使固體產生電流的現象。幾年后，科學家利用硒薄膜制備了第一個太陽能光伏電池，在陽光下產生電流。直到1905年，愛因斯坦揭示光電原理以后，人們才真正理解太陽能光電轉換的奧秘。1954年，借助硅半導體技術，貝爾實驗室發明了現代意義上的太陽能電池，光電轉換效率達到6％，從此開啟了現代太陽能光伏技術和產業發展的時代。
太陽能電池最早應用于衛星。1958年，人們在衛星上首次使用太陽電池。十幾年后，我國制造的第二顆人造衛星也使用了太陽電池。太陽電池的研究成功，為衛星、空間站等現代航天系統提供能源動力，促進人類航天事業發展。鑒于當時的技術和產業基礎，太陽電池成本非常高，很難大規模生產應用。因此，很多國家開始加大對太陽能光伏的研究力度，以提升電池的光電轉換效率，降低成本。
技術創新
光伏應用成本不斷降低
自1954年用硅材料制備的太陽電池問世以來，人們嘗試開發多種材料制備太陽電池，都可以實現太陽能的光電轉換。不過，以硅材料為基礎的太陽能光伏技術不斷發展，憑借其成本低、壽命長、可靠性高、技術成熟等優點，成為太陽能光伏技術的主流。所以，光伏產業如今仍以硅光伏為主，產業鏈涉及金屬（冶金）硅、高純多晶硅、硅片、硅電池、硅組件和太陽能電站等產業，還涉及光伏玻璃、聚乙烯醇薄膜、鋁合金支架、逆變器等眾多原輔料產業。相關產業始終以“提高效率、降低成本”為目標，通過技術革新實現單位電能成本的最低化。
以硅片制造產業為例，要提高硅電池的效率，需要提高硅片原子晶格排列的完整性，減少硅晶體的缺陷和雜質。因此，硅片制備技術從早期低成本的非晶硅、鑄造多晶硅，逐步轉變為高質量、高純度的直拉單晶硅，標志硅材料質量的少數載流子壽命不斷提高，達到700微秒以上，為太陽能電池效率的提升提供材料基礎。
2000年以來，硅晶體生長制造工藝通過多種技術創新不斷降低成本。以前，直拉單晶硅直徑3—4英寸，現在增加到10英寸以及12英寸。過去在晶體爐中制備直拉單晶硅時，每一只石英坩堝只能生長一根單晶硅，原料多晶硅裝填重量只有100多公斤；現在，借助連續添加原材料技術，一只坩堝可以連續不間斷地生長8—10根單晶硅，原料多晶硅裝填重量超過1000公斤。以前，4英寸直拉單晶硅長度一般小于2米，現在一根直徑10英寸的單晶硅長度可以超過6米。上述生長技術的發明和發展，使硅片制造成本大幅降低。
與此同時，單晶硅加工技術的發展也讓人眼前一亮。以前是利用金剛砂輪內圓切割技術，之后發展出砂漿線切割技術，現在是利用金剛線切割技術，硅片切割效率顯著提升。同時，用于太陽電池的硅片厚度從300微米降低到130—150微米，硅片切片損失從200多微米厚度降到35—40微米。這些單晶硅加工技術的創新發展，同樣顯著降低了生產成本。
另外，太陽電池技術也在不斷創新。在電池工藝方面，從初始的簡單結構電池工藝，到背面增加背場、正面增加絨面的基本電池工藝，再到如今的隧穿氧化層鈍化接觸、異質結電池工藝，新技術使太陽電池的光電轉換效率持續提升，為太陽能光伏產業的快速發展提供了直接驅動力。未來，新材料（如鈣鈦礦）和硅光伏技術的結合，將為太陽電池效率進一步提升拓展新的空間。
挺進前沿
中國光伏發展惠及世界
從全球范圍來看，我國光伏產業前景廣闊。自上世紀50年代研制出太陽電池后，中國持續深耕光伏產業。上世紀90年代，為解決西部偏遠地區的電力供應問題，獨立光伏用戶和小型光伏電站逐漸開始建設，特別是2002年前后我國實施的“光明工程”“送電到鄉”等工程，為解決偏遠地區人們用電難起到重要作用。2005年，我國制定了可再生能源法，大力推進太陽能、風能等可再生能源開發利用，為我國太陽能光伏產業飛速發展和相關技術世界領先奠定堅實基礎。
近年來，用于光伏的單晶硅生長和加工技術創新主要源于中國，太陽電池效率的多項世界紀錄也由中國企業創造。可以說，在整個硅太陽能光伏產業鏈上，中國走在世界前端。在太陽能光伏的應用（電站）方面，從2007年的0.02吉瓦到2023年的216.3吉瓦，安裝量增加了1萬倍以上。中國太陽能光伏年安裝量已經連續11年占據世界首位，成為名副其實的太陽能光伏應用大國。太陽能光伏技術和產業成為中國推動科技進步、發展新質生產力的縮影。
從零起步，從跟跑到領跑，我國光伏行業近年來實現跨越式發展，重點環節國產化程度大幅提升，以高科技、高附加值、引領綠色轉型成為出口新增長點。能源是國民經濟的命脈，是人類生存和發展的物質基礎，在構建新發展格局中發揮著舉足輕重的作用。太陽能光伏的應用和快速發展，為我國實現“雙碳”目標，建設更加環保、更加清潔的家園提供了重要途徑，同時也為實現我國能源自主可控提供了重要的解決方案。
（作者楊德仁為中國科學院院士、杭州國際科創中心首席科學家，獲得國家自然科學獎二等獎、國家技術發明獎二等獎、何梁何利科學與技術進步獎等獎項）
（原標題：向“陽”要動能以“綠”促發展（科技名家筆談））
本文鏈接：楊德仁院士談新能源：應用從航天拓展至社會生活http://m.sq15.cn/show-11-21152-0.html
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