自1954年美國科學(xué)家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次制成晶硅太陽能電池至今，光伏技術(shù)發(fā)展已有幾十年的歷史。在最近的2004-2016年，多晶硅技術(shù)由于其成本優(yōu)勢，快速擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，成為光伏技術(shù)的主流。但目前晶硅技術(shù)發(fā)展已相對成熟，未來轉(zhuǎn)換效率提升的空間將越來越小。因此如何將光伏組件的轉(zhuǎn)換效率及系統(tǒng)效率大幅提升值得我們深入研究。

一、當(dāng)前光伏技術(shù)的發(fā)展路徑 


從太陽能電池的技術(shù)原理出發(fā)，此前的技術(shù)創(chuàng)新主要在兩個方向上優(yōu)化。第一是如何最大限度增加光吸收，提高光的使用效率，可稱之為“開源”，目前采用的主要方式有增加抗反射層、減少柵線遮擋、采用黑硅及絨面減少光反射、全背面接觸電池（IBC）等；第二是如何減小電學(xué)損耗、減少復(fù)合，使更多的光生載流子可以傳輸?shù)酵饨与娐分行纬呻娏?，可稱之為“節(jié)流”，為此科學(xué)家們采用了多種多樣的鈍化技術(shù)，如局域重?fù)诫s、背鈍化、HIT雙面鈍化等結(jié)構(gòu)及N型材料等，這是當(dāng)前提高電池片轉(zhuǎn)換效率最有效的方式。


二、“開源”將是光伏技術(shù)更重要的發(fā)展方向

“節(jié)流”可以使太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率有一定提升，但目前該方向的優(yōu)化已經(jīng)接近極限，現(xiàn)有的各種電池結(jié)構(gòu)大多都已在十幾年前就被提出了，但由于工藝復(fù)雜，成本較高，所以發(fā)展相對緩慢；而“開源”則是更為重要的發(fā)展方向，它將大大提高電池的轉(zhuǎn)換效率，在這方面還有很大的發(fā)展空間。

1、在電池層面，采用疊層電池結(jié)構(gòu)及納米線或量子點材料作為吸收層有望大幅提升光吸收效率，預(yù)計可將電池轉(zhuǎn)換效率提升至25-35%。以鈣鈦礦電池（帶隙可調(diào)）為代表的薄膜太陽能電池的發(fā)展為疊層電池結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)，該電池的穩(wěn)定性在近半年迅速提升使其向商業(yè)化更進(jìn)一步。洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院開發(fā)的真空閃蒸處理技術(shù)使鈣鈦礦電池性能更加穩(wěn)定，韓國科學(xué)家采用疏水導(dǎo)電聚合物制備的鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性也大大提高了，在濕度75%的環(huán)境下工作1400多小時，而將鈣鈦礦材料中加入無機(jī)材料可大大提升現(xiàn)有材料的穩(wěn)定性。最近，香港理工大學(xué)研發(fā)的鈣鈦礦/單晶硅疊層太陽能電池，其轉(zhuǎn)換效率已高達(dá)25.5%。德國ZSW、卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）及IMEC的科學(xué)家團(tuán)隊聯(lián)合制成了鈣鈦礦和CIGS薄膜太陽能光伏組件堆，預(yù)計未來轉(zhuǎn)換效率也可超過25％。

此外，由丹麥瑞士團(tuán)隊提出的納米線太陽能電池通過利用納米線的獨特性能，聚光能力是普通光照強(qiáng)度的15倍，這有望突破現(xiàn)有太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的理論極限。瑞典公司Sol Voltaics的納米線太陽能電池技術(shù)已能夠成功對太陽能電池薄膜納米線進(jìn)行校準(zhǔn)定位，當(dāng)將其作為一個PN結(jié)串聯(lián)集成在晶硅組件上時，納米材料使得光伏組件實現(xiàn)了27%的轉(zhuǎn)換效率。荷蘭埃因霍溫技術(shù)大學(xué)科學(xué)家通過納米線太陽能電池可以使轉(zhuǎn)換效率達(dá)到17.8%，但其理論效率高達(dá)46%，提升空間仍然非常大。

2、在組件層面，低成本的新型聚光、分光等光學(xué)裝置的應(yīng)用有望大幅提升組件的轉(zhuǎn)換效率，預(yù)計可將組件轉(zhuǎn)換效率提升至35%以上。瑞士企業(yè)Insolight開發(fā)了可蓋在光伏組件頂部的薄塑料層附加裝置，該裝置是帶有許多透明半圓小透鏡的注塑成型陣列板，就像是一個小型的放大鏡網(wǎng)絡(luò)，用其對準(zhǔn)高性能太陽能電池區(qū)域，該裝置有望大幅提升組件的光電轉(zhuǎn)換效率。德國弗勞恩霍夫研究所已經(jīng)對一塊該電池的性能進(jìn)行了獨立驗證，Insolight聲稱其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了36.4%，可在屋頂應(yīng)用的潛力非常大。


新南威爾士大學(xué)(UNSW)的最新研究成果稱已獲得34.5%的組件轉(zhuǎn)換效率。新裝置由嵌入棱鏡的四聯(lián)迷你模塊結(jié)合而成(大小為28cm2)，可以從陽光中提取最大能量。當(dāng)陽光照射棱鏡的時候，四聯(lián)模塊接收器會將陽光分成四束，從而增加收獲的能量?？梢韵胂笪磥矶喾N多樣低成本的光學(xué)裝置在光伏組件中的應(yīng)用將有望用最簡單的方式獲得成倍的光吸收效果，從而使大幅提升組件轉(zhuǎn)換效率成為可能，為我們組件設(shè)計提供了一種新的思路。

3、在系統(tǒng)層面，智能跟蹤器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及智能控制云平臺的綜合應(yīng)用，有望大幅提高光伏系統(tǒng)效率，降低度電成本。根據(jù)GTM發(fā)布的《2016年全球光伏跟蹤器前景：價格、預(yù)測、市場份額和供應(yīng)商簡介》報告，到2021年，光伏跟蹤器安裝量將增長到37.7GW，占所有地面光伏系統(tǒng)的近一半。目前在國內(nèi)跟蹤器的普及率還比較低，可以想象未來跟蹤器市場空間巨大。新型太陽能跟蹤器能以更有效的方式追蹤太陽光，不再采用現(xiàn)有的主動和被動跟蹤器。物聯(lián)網(wǎng)及智能控制云平臺的逐漸滲透可大幅提升系統(tǒng)的效率。在今年10月中國光伏大會上，天合光能就發(fā)布了其Trinatracker高可靠智慧型跟蹤系統(tǒng)解決方案，未來跟蹤器和逆變箱的一體化，搭載智慧云平臺的整合系統(tǒng)端解決方案將最大限度降低系統(tǒng)度電成本。SunPower近期發(fā)布了第三代綠洲智能平臺(Oasis®)，該平臺利用無人機(jī)收集數(shù)據(jù)，運(yùn)用配套專業(yè)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，擬定上千種發(fā)電站設(shè)計備選方案，并根據(jù)客戶的預(yù)算和發(fā)電目標(biāo)進(jìn)行自動篩選，最終生成理想的設(shè)計方案，設(shè)計人員可通過云計算平臺查看海量備選方案進(jìn)行篩選，以確保設(shè)計方案能夠?qū)崿F(xiàn)成本和產(chǎn)能的最優(yōu)化。在電站25年的可靠運(yùn)行壽命期間通過優(yōu)化電站中的各模塊，預(yù)計可將發(fā)電量提高35%以上！

三、光伏技術(shù)未來發(fā)展展望

以上對目前光伏技術(shù)最新的亮點做了簡要的分析和總結(jié)，我們可以看到這些新的技術(shù)大多都可與現(xiàn)有的主流晶硅技術(shù)進(jìn)行疊加或是兼容，它們是在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步創(chuàng)新，這些創(chuàng)新技術(shù)雖然大多還停留在實驗室階段，真正邁向產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走，但它們卻為光伏技術(shù)創(chuàng)新提供了新的方向和思路。希望我們的科學(xué)家及技術(shù)工作者可以進(jìn)一步開拓思路，跳脫出現(xiàn)有技術(shù)的束縛，也許下一個光伏技術(shù)的顛覆性創(chuàng)新很快就將出現(xiàn)在中國！