太陽能電池工作原理圖

能源工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),，也是技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè),。“安全,、高效,、低碳”集中體現(xiàn)了現(xiàn)代能源技術(shù)的特點(diǎn)，也是搶占未來能源技術(shù)制高點(diǎn)的主要方向,。

目前對(duì)新能源的開發(fā)主要集中在太陽能,、氫能、風(fēng)能,、地?zé)崮艿瓤稍偕茉?，其中太陽能資源豐富,、分布廣泛，是最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉?。隨著全球能源短缺和環(huán)境污染等問題日益突出,，太陽能光伏發(fā)電因其清潔、安全,、便利,、高效等特點(diǎn)，已成為世界各國普遍關(guān)注和重點(diǎn)發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè),。

太陽能來自于太陽內(nèi)部核聚變所蘊(yùn)藏的巨大能量,。據(jù)粗略估計(jì)，太陽輻射的總能量流為4×10²⁶J/s,，其中向地球輸送的光和熱約達(dá)1.8×10¹⁷J/s,，相當(dāng)于燃燒4×10⁸t煙煤所產(chǎn)生的能量。

一年中太陽輻射到地球表面的能量相當(dāng)于人類現(xiàn)有各種能源在同期內(nèi)所提供能量的上萬倍,。與石油,、煤、天然氣等能源的價(jià)格隨著供應(yīng)量和儲(chǔ)量的變化而波動(dòng)不同,，伴隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,，人類利用太陽能的成本會(huì)逐年下降。近年來,，對(duì)于可再生能源的開發(fā)利用日益受到人們的重視,，太陽能由于兼具清潔、安全,、能量巨大,、分布廣泛、長久不衰等特點(diǎn),，逐漸成為未來能源的主要供應(yīng)形式之一,。圖1.1為各類一次能源使用量的變化趨勢，在未來的能源結(jié)構(gòu)中,，太陽能無疑將占據(jù)重要地位,。

圖1.1 一次能源使用量變化趨勢

資料來源：全球變化咨詢理事會(huì)(WBGU)

電力是增長最快的終端能源形式，引領(lǐng)全球能源轉(zhuǎn)型,?？傮w而言，到2040年,，為應(yīng)對(duì)電力需求的增加,，以及替代現(xiàn)有退役裝機(jī)容量（約占現(xiàn)役裝機(jī)容量的40%），需要新增7200GW的裝機(jī)量,。國際能源組織（IEA）預(yù)測,，未來對(duì)于可再生能源利用的強(qiáng)勁增長,，將會(huì)使可再生能源發(fā)電量占全球發(fā)電量的比例提高到1/3，到2040年,，可再生能源發(fā)電量將占全球新增發(fā)電量的近1/2,，市場規(guī)模達(dá)數(shù)千億美元。

光伏發(fā)電是指利用太陽能電池直接將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能的過程,，是可再生能源發(fā)電中的重要組成部分,。目前，它正在快速成長并成為常規(guī)化石能源及其他能源利用形式越來越重要的替代品,。

2014年上半年，美國光伏發(fā)電裝機(jī)量占美國新增電力裝機(jī)總量的53%,；而在日本夏季用電高峰期,，光伏發(fā)電量占總發(fā)電量的比例則達(dá)到了37%。我國自2013年開始啟動(dòng)了大規(guī)模的光伏電站建設(shè)計(jì)劃,，當(dāng)前已經(jīng)成為年新增光伏裝機(jī)量最大的國家,。從全球光伏行業(yè)來看，2002年至2012年十年間,，光伏行業(yè)市場需求年均復(fù)合增長率達(dá)58.5%,，從2002年的數(shù)百兆瓦增至2012年的30GW；2013年,，全球光伏總裝機(jī)容量為135GW,，其中新增裝機(jī)容量40GW，同比增長33%,；2014年全球光伏新增裝機(jī)容量為41GW,，2015年和2016年全球光伏新增裝機(jī)容量將分別達(dá)到55GW和65GW。歷年光伏市場的變化趨勢及綠色科技傳媒研究中心（GTM Research）預(yù)測情況詳見圖1.2,。

中國,、日本和美國是光伏需求的主要推動(dòng)者，同時(shí)也聚集了大量的光伏制造企業(yè)及光伏應(yīng)用產(chǎn)品生產(chǎn)商,。根據(jù)IEA 2014年的預(yù)測,，截至2050年，光伏發(fā)電產(chǎn)能將達(dá)4600GW,，將提供全部人類電力需求16%的份額,，約折合63000億千瓦時(shí)的電能。按照這一預(yù)測,，2015年到2025年間,，平均年裝機(jī)量將達(dá)到120GW以上，2025年之后有望增加到200GW/年的水平,。

圖1.2 全球光伏裝機(jī)量發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

資料來源：綠色科技傳媒研究中心

光伏發(fā)電規(guī)模的擴(kuò)大和持續(xù)發(fā)展有賴于光伏材料的不斷革新和技術(shù)的不斷進(jìn)步,。太陽能電池的發(fā)展可以追溯到1839年,，法國的Becquerel最早發(fā)現(xiàn)了液體電解液中的光電效應(yīng)；然而直到1883年才由美國的Fritts使用硒制備了第一個(gè)太陽能電池,；之后又經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,，1930年，Schottky提出Cu₂O勢壘的“光伏效應(yīng)”理論,；同年,，Longer首次提出可以利用“光伏效應(yīng)”制造“太陽能電池”，使太陽能變成電能,；隨后,，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的Pearson于1954年發(fā)明電池效率為6%的單晶硅太陽能電池，開啟了p-n結(jié)太陽能電池的新時(shí)代,，時(shí)至今日,，p-n結(jié)太陽能電池仍然占據(jù)著光伏領(lǐng)域的絕對(duì)地位。

光伏材料方面,，硅基材料的吸收波段與太陽光譜主要能量波段匹配,，且其具有原料豐富、穩(wěn)定無毒,、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn),，已經(jīng)發(fā)展成為目前使用最廣泛的一類太陽能電池材料。按硅材料的晶體結(jié)構(gòu),，太陽能電池又可分為單晶硅太陽能電池,、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池。

單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池統(tǒng)稱為晶體硅太陽能電池,，占據(jù)全球太陽能電池市場的絕大部分（市場份額約90%）,，目前單晶硅太陽能電池的實(shí)驗(yàn)室效率已經(jīng)達(dá)到25.6%。

與此同時(shí),，基于不同光伏材料和不同結(jié)構(gòu)的諸多類型太陽能電池不斷涌現(xiàn),。圖1.3為美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)對(duì)各類太陽能電池的效率追蹤圖，每一條曲線都代表一種成熟的或具有較大發(fā)展?jié)摿Φ奶柲茈姵丶夹g(shù)的發(fā)展歷程,，每一個(gè)點(diǎn)都蘊(yùn)含著光伏研究人員的巨大心血,。其中，以GaAs單晶電池為代表的單結(jié)化合物太陽能電池在117倍聚光下的效率已經(jīng)達(dá)到29.1%,，有機(jī)聚合物電池實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到11.5%,，染料敏化電池的效率為11.9%，量子點(diǎn)電池的效率近期也得到較為明顯的提升,，達(dá)到了9.9%,。值得一提的是鈣鈦礦電池，其認(rèn)證的效率已經(jīng)達(dá)到20.1%，發(fā)展十分迅速,。

圖1.3 不同類型太陽能電池最高最高效率追蹤圖

資料來源：美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室