太陽(yáng)能電池工作原理圖
能源工業(yè)是國(guó)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)?！鞍踩⒏咝?、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(lái)能源技術(shù)制高點(diǎn)的主要方向。
目前對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)主要集中在太陽(yáng)能、氫能、風(fēng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉?，其中太?yáng)能資源豐富、分布廣泛，是最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉础ｋS著全球能源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題日益突出，太陽(yáng)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(guó)普遍關(guān)注和重點(diǎn)發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。
太陽(yáng)能來(lái)自于太陽(yáng)內(nèi)部核聚變所蘊(yùn)藏的巨大能量。據(jù)粗略估計(jì)，太陽(yáng)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(yáng)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(wàn)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(yáng)能的成本會(huì)逐年下降。近年來(lái)，對(duì)于可再生能源的開(kāi)發(fā)利用日益受到人們的重視，太陽(yáng)能由于兼具清潔、安全、能量巨大、分布廣泛、長(zhǎng)久不衰等特點(diǎn)，逐漸成為未來(lái)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(shì)，在未來(lái)的能源結(jié)構(gòu)中，太陽(yáng)能無(wú)疑將占據(jù)重要地位。
資料來(lái)源：全球變化咨詢理事會(huì)(WBGU)
電力是增長(zhǎng)最快的終端能源形式，引領(lǐng)全球能源轉(zhuǎn)型。總體而言，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(guó)際能源組織（IEA）預(yù)測(cè)，未來(lái)對(duì)于可再生能源利用的強(qiáng)勁增長(zhǎng)，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(chǎng)規(guī)模達(dá)數(shù)千億美元。
光伏發(fā)電是指利用太陽(yáng)能電池直接將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)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(zhǎng)并成為常規(guī)化石能源及其他能源利用形式越來(lái)越重要的替代品。
2014年上半年，美國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)量占美國(guó)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(guó)自2013年開(kāi)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(guó)家。從全球光伏行業(yè)來(lái)看，2002年至2012年十年間，光伏行業(yè)市場(chǎng)需求年均復(fù)合增長(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎng)的變化趨勢(shì)及綠色科技傳媒研究中心（GTM Research）預(yù)測(cè)情況詳見(jiàn)圖1.2。
中國(guó)、日本和美國(guó)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(cè)，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(cè)，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。
資料來(lái)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(yáng)能電池的發(fā)展可以追溯到1839年，法國(guó)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(guó)的Fritts使用硒制備了第一個(gè)太陽(yáng)能電池；之后又經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，1930年，Schottky提出Cu2O勢(shì)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(yáng)能電池”，使太陽(yáng)能變成電能；隨后，美國(guó)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(yáng)能電池，開(kāi)啟了p-n結(jié)太陽(yáng)能電池的新時(shí)代，時(shí)至今日，p-n結(jié)太陽(yáng)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(yáng)光譜主要能量波段匹配，且其具有原料豐富、穩(wěn)定無(wú)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(yáng)能電池材料。按硅材料的晶體結(jié)構(gòu)，太陽(yáng)能電池又可分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池和非晶硅太陽(yáng)能電池。
單晶硅太陽(yáng)能電池和多晶硅太陽(yáng)能電池統(tǒng)稱為晶體硅太陽(yáng)能電池，占據(jù)全球太陽(yáng)能電池市場(chǎng)的絕大部分（市場(chǎng)份額約90%），目前單晶硅太陽(yáng)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(yáng)能電池不斷涌現(xiàn)。圖1.3為美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)對(duì)各類太陽(yáng)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?yáng)能電池技術(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(yáng)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(yáng)能電池最高最高效率追蹤圖
資料來(lái)源：美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室
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