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源:《能源評論》

得晶硅者得天下

記者:今年的政府工作報告提到 ,過去五年中國清潔能源消費比例增加了6.3個百分點 。太陽能被認爲是未來最有前途的綠色能源 。您如何看待太陽能產業化的發展軌跡和教訓 ?

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何偉:要回答這個問題 ,我們首先要看一下光伏領域晶體硅應用的市場表現 。

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在價格方面 ,就原材料而言 ,自2007年以來 ,多晶硅供應短缺時飆升至400~500美元/千克 。最低價格已降至約5美元/公斤 ,大部分時間都低於20美元/公斤 ,雖然會出現一些波動 ,但基本形成了低位趨勢;在光伏組件中 ,生產成本已從3美元/瓦降至0.37美元/瓦;光伏發電成本方面 ,從0.5美元/千瓦時到0.1美元/千瓦時 ,距離廉價互聯網只有一步之遙 。

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爲什麼過去十年多晶硅價格下跌如此之快 ?原因是多晶硅生產的特點主要是初期投資比較大 ,設備成本相對較高 ,但原材料價格極低 。從基本原理來看 ,它是硅 ,其原料是黃沙 。

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過去 ,每公斤賣500美元的背景是 ,在工業發展的早期階段 ,設備折舊費用相對較高 。按10%的折舊率計算 ,這意味着第一批設備的基本攤銷基本完成 。它是零成本 ,因此價格迅速下降 。但按照目前的價格 ,公司不僅會虧錢 ,還會盈利 。其次 ,發達國家知道如何運用市場經濟規律 。在產業發展的早期階段 ,他們試圖創造供不應求的熱點 ,營造高價格的市場氛圍 ,讓每個人都相信硅是王道 。當時 ,中國的許多公司已率先與硅材料企業簽訂了爲期十年的長期供貨合同 。這件事的最大教訓是 ,我們仍然不太瞭解所謂的市場經濟 。

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記者:從經濟角度來看 ,晶體硅技術將成爲主流 。其他人則認爲薄膜技術潛力巨大 。你怎麼看待兩者之間的關係 ?

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何偉:這部電影也與單晶硅多晶硅競爭 。首先 ,材料是一個巨大的問題 。例如 ,薄膜技術使用一些特殊材料或稀有材料 ,其中銅銦鎵硒等原材料的成本遠遠超過黃沙;這些材料不能再生 ,有些也有毒 ,污染環境 。

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目前 ,晶體硅的光電轉換效率已從16.5%穩步提高到20%或更高的工業水平 。薄膜技術 ,不僅其原料昂貴 ,不能回收 ,而且光電轉換效率跟不上晶體硅 ,相同的輸出功率 ,薄膜所需的面積遠遠超過晶體硅 。因此 ,除非薄膜能夠顯着降低成本 ,否則幾乎不可能取代晶體硅 。

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記者:對於光熱利用技術 ,中國“十三五”規劃的目標是500萬千瓦 。您認爲光和熱的兩條路線更有可能成爲主流技術路線嗎 ?在市場層面 ,您認爲光熱技術將來會具有競爭力嗎 ?

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何偉:無論是光和熱的低成本 ,還是光伏的低成本 ,這都是值得研究的問題 。然而 ,在光和熱方面仍然有很大的優勢 ,即它可以產生熱量 。問題是如何不傳熱 。

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降低成本的一種方法是專注於高光 。 2010年 ,我也提倡高度集中 。由於當時晶體硅的成本非常高 ,因此集中具有經濟優勢 ,但如果晶體硅的成本非常低 ,則提高集中效率所付出的代價可能無法被市場認可 。

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與電影問題一樣 ,這個目標設定也缺乏成本意識 。這是簡單的或技術性的思考 ,就像我們之前犯的錯誤一樣 。如果你使用市場和行業思維 ,你只需要問一個問題 ,你能達到目前的多晶硅價格 ,然後談談其他可能性 。因此 ,這些問題的答案很明確:產品是否具有競爭力取決於技術的成熟度和經濟性 。目前 ,晶體硅的成本正在下降 ,而且對於其他技術路線來說太過“殺戮” 。

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記者:麻省理工學院2017年全球十大突破性技術 ,包括太陽能光伏電池 ,宣稱太陽能電池效率翻番 。您如何評估其前景 ?

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何偉:從基本原理來看 ,一般的光伏技術 ,包括多晶硅 ,單晶硅和薄膜 ,實際上只有一部分太陽光譜可以發電 ,而相當一部分則被反射回來或處理掉 。這項新技術的核心突破是充分利用各種波長的光譜 。使用折射或其他原理來調整入射光源的光譜基本上可以利用大部分光 ,這極大地提高了光伏發電的效率 。這項技術原則上沒有問題 ,但是對於這些技術來提高太陽能發電的效率 ,我們必須注意可以實現多高的轉換效率 ,還要注意經濟性 。如果這項技術的成本可以便宜 ,我同意 。現實情況是 ,不僅成本高 ,而且各種技術限制 ,難以與多晶硅競爭 ,三年 ,五年或十年後 ,也許值得關注 。

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記者:在經濟方面 ,未來哪些技術將迎合超級硅技術 ?

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何偉:目前看來可能與多晶硅競爭的一個方向是具有鈣鈦礦結構的太陽能電池 。原因在於 ,首先 ,這種太陽能電池的轉換效率有望與多晶硅相似或甚至更高 。其次 ,相關材料可能成本高且不太昂貴 。

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輕量化可期

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記者:光伏產業只能通過降低成本來實現真正的規模 。您認爲在應用層面阻礙當今太陽能應用成本降低的障礙是什麼 ?

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何偉:主要有兩個問題:第一 ,它涉及面積很大 。在所有新能源技術中 ,與核電 ,水力發電和風力發電相比 ,光伏發電的佔地面積最大 。目前 ,地面光伏系統的面積約爲每平方米35至45瓦 。 2016年 ,全球光伏系統產生了2750億千瓦時的電力 ,佔全球電力消耗的1.3% 。截至2015年底 ,全球光伏累計裝機容量達到230吉瓦 ,面積約10,000平方公里 。其次 ,重量很大 。儘管光電芯片非常薄且重量輕 ,但其輸出功率僅爲每瓦約2.5克 ,但封裝的光伏組件每瓦重量可超過100克 ,加上各種支架和緊固件 ,每瓦最高可達200​​瓦 。高於克 ,把它放在屋頂上 。爲了解決負荷 ,有必要增加投資 。

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記者:今天的光伏發電越來越接近理論極限 ,您認爲未來光伏應用的潛力如何 ?

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何偉:光伏發電的活力在於輕盈和流動 。光伏發電的最初應用是在航空航天工業中 。由於星際空間的真空環境 ,PV模塊可以在最簡單的包裝中使用 ,以利用其輕盈和移動性 。太陽能產業未來發展的核心要素是輕量級 。輕質光伏是光伏產業擺脫目前困境 ,重新進入道路的重要途徑 。從這個意義上說 ,光伏產業的發展到今天應該回歸到20世紀50年代和60年代的輕盈和流動的概念 ,以擴大光伏的廣泛應用 。定量指標是輕型光伏組件需要達到約8克/瓦的重量 ,同時保持相同的電氣和機械性能 ,並且它們在飛艇 ,飛機和無人機中的應用即將到來 。

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記者:爲了實現光伏組件的輕量化 ,從哪個方面應該解決什麼問題 ?目前不容樂觀的問題是什麼 ?

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何偉:爲實現上述目標 ,光伏設計師或發明人的主要任務是更換光伏組件上的大玻璃 ,或用更輕的玻璃替換它或用聚合物薄膜代替 。

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十多年來 ,模塊的外層玻璃從4毫米減少到最常用的3.2毫米 。最近 ,2mm外層鋼化玻璃已在國內外使用 ,並逐漸進入市場 。然而 ,通過減小玻璃厚度來減輕光伏模塊的方法存在限制 ,並且隨着厚度減小 ,薄玻璃的製造成本反向增加 。

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聚合物的使用是輕質部件製造的方向之一 。隨着高分子材料技術的快速發展 ,ETFE ,KEVLAR等許多新材料可以滿足光伏組件的表面性能 ,具有耐候性 ,透明性和機械性能 。電影要求的要求 。

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從實際的角度來看 ,光伏組件用上述材料代替玻璃的原因不能大量使用 ,其原因歸結爲一個句子 ,即晶體光伏電池與載體的熱失配 ,如鋁鋁箔是它的7倍 ,PVC是它的2​​5倍 ,PET是它的20倍大小等等 。在實驗中已經觀察到 ,在幾十次熱循環之後 ,該組件將失效 。這種熱致損壞是薄和太陽能模塊縮短工作壽命的主要原因 。

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記者:目前 ,有哪些可能的解決方案或方向 ?

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何偉:重新設計薄型和輕型太陽能組件的結構 。一種可能的想法是首先通過冷封裝方法將光伏模塊製成部件預製件 ,其中晶體硅晶片由兩層具有一定厚度的聚合物膜包裹 ,其厚度由熱衝擊確定 。薄膜的收縮和膨脹不會在晶體硅上產生顯着的熱應力 。預製件與背板的連接是通過熱障 ,使得熱衝擊的背板的收縮或膨脹對預製件幾乎沒有影響 ,並且其結構類似於多地震建築物中的振動隔離裝置的結構 。

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同時 ,聚合物表面經氟和納米材料處理 ,具有很強的耐候性 ,耐磨性和耐刮擦性 ,與玻璃相似 。因此 ,表面層可以製成非常薄並且真正起到軟玻璃的作用 。角色 。

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2018年05月23日

中國可再生能源學會原副理事長 ,高級工程師:孟憲淦
“展二十載崢嶸碩果 ,迎新形勢披荊逐日”——“2018光伏領袖峯會·黃山光伏大會二十年紀念論壇”隆重舉行

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