11月30日，保福大讲堂举行了关于新能源的讲座，科技部负责人周详为大家带来了新能源--太阳能的知识分享，从能源现状、太阳能的利用到太阳能的未来发展趋势等几个方面做了详细阐述，让大家对太阳能有了更深层次的了解。

根据世界能源权威机构的分析，按照目前已经探明的化石能源储量以及开采速度来计算，全球石油剩余可开采年限仅有45年，国内剩余可开采年限为15年；全球天然气剩余可采年限61年，国内剩余可开采年限为30年；全球煤炭剩余可采年限230年，国内剩余可开采年限为81年；全球铀剩余可开采年限71年，国内剩余可开采年限为50年。传统化石能源的有限储量迫使人类加速寻找可替代再生能源的步伐。

如果我们忽视太阳能或者其他替代能源的开发利用，按照现在全球的能源消耗速度，不到100年我们将面临能源匮乏的局面，那时我们的社会文明将停滞不前。太阳能，作为取之不尽用之不竭、清洁的可再生能源之一，对它的开发和应用可以让我们告别对不可再生的化石燃料的依赖。

太阳能的未来就是地球的未来

相信大家对于太阳能的利用并不陌生，我们每天淋浴用的热水可能就是太阳能热水器的功劳；我们在家里看的电视画面，很多都是在太空中“转、转、转”的卫星转接过来的信号，而卫星能量最大的来源就是安装在卫星上的硕大的太阳能电池板；很多朋友生活中所用的普通电子计算器，也是利用太阳能进行能量转换的……

太阳能作为清洁、可持续的可再生能源之一，潜力巨大，其资源量远远超过地球上包括石油、煤炭、天然气等在内的所有化石能源总量。太阳能的利用原理是通过收集太阳光，并将其转化为光伏(PV)，或者被转换为聚光太阳能发电。这种转换方式可以让太阳能为地球上所有机械文明提供能源。0.0125%的太阳辐射能量足以确保人类的能源需求，即使未来地球上的能源需求增长，0.5%的太阳辐射量也足够人类消费。太阳能已经成为了可再生能源领域技术创新和投资最重要的领域。

太阳能的应用

如今我们生活的时代已经可以通过科技手段来充分利用丰富的太阳能了。太阳能被广泛应用于航天、通讯、军事、交通、城市建设、民用设施等诸多领域。在交通领域，一些人口密集的城市出现了太阳能公交，如今这个领域的技术已经相当成熟了，甚至可以为飞机提供太阳能动力，作为世界上首架太阳能动力飞机--阳光动力号，已经完成了它的环球之旅。在一些地区，连道路都可以由太阳能供能。2014年，荷兰北部城市克罗曼尼建立了世界上首条太阳能电池板道路。它在水泥板里嵌入了晶体硅太阳能电池板，可将太阳能转化成电，并输送给电网，为街灯、交通信号灯或附近民宅供电。这条70米长的太阳能电池板道路发电3000千瓦时，足够一户家庭的全年用电。

在科技领域，从1965年4月6日第一颗通信卫星发射成功到如今，人们利用卫星进行通信、侦查、导航和气象观测等工作已经是常事了。随着航天科技的发展，低地的、与地球同步轨道的卫星越来越多，卫星飞行寿命要求愈来愈长。卫星在一定轨道内会按照一定的线路飞行，有些卫星只是在固定位置跟地球同步运行，靠地球引力运行。有些卫星需要移动，卫星能量最大的来源就是安装在卫星上的硕大的太阳能电池板。太阳能电池板所用的电池片是高效率的砷化镓太阳电池，重量轻、面积小、抗辐照能力强。目前砷化镓太阳能电池板的运用，高轨卫星能达到15年寿命，低轨卫星能达到8年寿命。

太阳能电池片的载体

选择硅片作为太阳能电池片的载体主要是利用半导体的光电效应。硅材料是一种半导体材料，它是不导电的，但如果在半导体中掺入不同的杂质，就可以做成P型与N型半导体，（P型半导体少了一个带负电荷的电子，可视为多了一个正电荷，N型半导体多了一个自由电子），当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，而产生电子和空穴的对流，这些电子和空穴均会受到内建电位的影响，分别被N型及P型半导体吸引，而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来，便可形成一个回路。

当然，硅并不是地球上唯一的半导体元素，甚至算不上是最好的。但很重要的一点是硅元素是地壳中储量最丰富的元素之一，而且经过了几十年技术的发展，硅的处理工艺已经发展成熟，人类已经可以在工厂中生产近乎完美的硅晶体。

太阳能板要倾斜放置

这是个关系到发电效率的问题，当太阳光直射太阳板，才能让发电效率最高，因每个地区的纬度不同，各地固定式光伏板都有一个最佳倾角。当然最好的办法是让板子时刻都是与太阳光垂直，在光照条件好的地区，安装跟踪支架系统能为光伏项目增加20%的电力产出，系统成本每瓦仅仅增加5美分，综合测算下来，跟踪太阳能的度电成本可降低12%。

美国是全球太阳能跟踪系统应用最多的地区，中国太阳能跟踪系统处于一直处于增长趋势，但是由于光照资源丰富的西部地区限电问题长期得不到解决，所以跟踪太阳能系统发展受到限制导致跟踪系统所占比例依然很小。从2017至2020年间，中国太阳能跟踪系统在全球的占比仅占11%。此外，中国太阳能跟踪系统质量无法保证也是制肘因素之一，如若提升系统安装质量，中国的太阳能跟踪系统有望更加乐观。

全球太阳能追踪市场分布图

太阳能发电成本

根据彭博新能源财经的分析，中国、印度、巴西以及其他55个新兴市场经济国家的太阳能发电成本已经掉到了2010年时的三分之一。这意味着太阳能已经超过了风能，成为目前成本最低廉的可再生能源。在我国，太阳能用电电价稍低，国家补贴0.42元/度+省级补贴+市县补贴(各地略有不同)，太阳能发电成本已与居民用电电价（约0.5元/千瓦时）基本持平，在工商业领域具有相当强的竞争力（工商业电价0.8-1.4元/千瓦时），目前，越来越多的企业主认识到太阳能的成本优势。

太阳能的普及

太阳能被视为可再生能源行业最有前景的发展方向，但到目前为止，太阳能发电在全球能源领域尚未得到应有的蓬勃发展，主要原因在于其成本过高。建设每座设备都需要大量昂贵的材料，包括硅、铝等。太阳光照射强度也是一个问题。在最有利的天气条件下太阳光的辐射通量密度能达到250W/m2，为了获得足够的电能，依然需要足够大的土地面积来布设太阳能收集器。此外，政府应当把太阳能输电网整合到国家电网中，未来几年专注研发更加高效的储电方法。

太阳能光伏发电

太阳能以其可再生性和对环境的友好得到了广泛的关注与应用，我国政府积极采取各种措施来鼓励和发展太阳能产业，加大研发的投入。经过多年的努力，中国已经成为世界上最大的太阳能热水器生产国和使用国，太阳能热水器已应用于家庭、公寓、旅馆、商场、农林养殖等领域。中国还广泛应用太阳房、太阳灶、太阳能温室大棚等太阳能热利用技术。随着国内太阳能硅材料生产能力和技术水平的提高，中国将形成较完备的光伏制造产业。

太阳能光伏发电是目前比较成熟的技术，具有安全可靠、无噪音、无污染、能量随处可得、不受地域限制、无需消耗燃料、建站周期短、无需架设输电线路、可以方便地与建筑物相结合等优点，是常规发电和其它发电方式所不及的。虽然有诸多优点，但是对于是否要装光伏，需理性对待，还应考虑以下因素：

地区：天气、树荫、空气质量对光伏影响很大，要充分考虑所在地区的日照情况及房屋位置，看是否满足安装光伏的条件。另外，光伏组件安装方向是有要求的，并不是所有朝南的屋面都能铺上光伏组件，还要考虑周边树木、其他建筑物产生的遮挡问题。

政策：为了促进光伏产业健康发展，我国政府在一些地区设立光伏补贴政策，有计划地解决能源危机以及达到环保减排的目标。

以北京为例，安装100W的光伏，每年产200度电：

装机发电补贴：0.42元/kWh -0.37元/kWh - 0.32元/kWh 每年政府支付60元补贴

节省电费：工业用电1.0元/kWh，每年200度电共节省200元；

家庭用电0.5元/kWh，每年共节省100元；

成本约100W*6元/W=600元，工业使用约2年半可回收成本，家庭使用5年可以回收成本。

如何选择光伏产品：目前市场上，太阳能光伏组件主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜组件（以铜铟镓硒薄膜太阳能电池、砷化镓薄膜太阳能电池、碲化镉薄膜太阳能电池为代表）。

单晶硅太阳能能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是所有种类的太阳能板中光电转换效率最高的，但制作成本高。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。

多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能板差不多，从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能板要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低。但是其光电转换效率降低不少，约12%左右，使用寿命也要比单晶硅太阳能板短。

铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池大多具备柔性的特点，这个特性大大拓展了其在建筑、背包、移动产品等方面的创新应用，薄膜电池的低光性能相对更好，理论效率更高。CIGS薄膜电池是单位质量输出功率最高的光伏电池，目前已经有多家企业掌握CIGS薄膜电池量产技术，随着量产效率的提升、生产成本的下降及工艺的成熟，CIGS薄膜电池也有望在未来取代晶硅电池，成为光伏电站的主要材料。

太阳能未来发展方向

太阳能技术作为前沿技术，从应用方面来看，将会在以下几个领域得到大力发展： 

①有机柔性半导材料：

传统的无机光电器件必须加工成坚硬的板块状物件，限制了其许多日常用途。相比之下，柔性器件重量轻，并且可以折叠、卷曲、粘贴在曲面上。针对力学柔性问题，熊宇杰课题组对商用硅片进行薄化和纳米线刻蚀处理，进而结合银纳米片的等离激元热电子注入效应，制造出了具有力学柔性的近红外太阳能电池。

②聚光技术的研究：

“聚光太阳能”发电系统，一般会利用像镜子一般的「槽式抛物面」，将太阳光聚集到“选择性的太阳能吸收器和反射器”上，从而采集和存储能量。这种“槽式抛物面”可在一整天内追踪太阳，集中太阳能达50倍左右。

③高纯度制造技术：

单晶硅可算得上是世界上最纯净的物质了，资源丰富，又是无毒的单质半导体材料，因此成为了半导体的主体材料。一般的半导体器件要求硅的纯度六个9以上，大规模集成电路要求硅的纯度必须达到九个9。虽然硅是地壳中赋存最高的固态元素，但在自然界不存在单体硅。高纯度的硅材料提纯技术，到目前为止，美国处于领先水平，国内还没有彻底解决从天然岩石中提取高纯石英粉的工艺技术问题，无法实现工业化。所以一方面是高新技术对高纯石英粉的需求越来越大，另一方面是硅质原料提纯技术的短板，导致对于高纯硅微粉制备工艺的研究迫在眉睫。

④与发电相匹配的储能技术：

由于具有随机性和间歇性，风能、太阳能等可再生能源发电会对电网产生严重冲击，此时就需要在直流母线或交流系统中加入具有储能功能的装置。因此，研发与风电/光伏发电机组容量相匹配的高效储能装置及配套设备，成为了充分利用可再生能源的关键技术，美国、欧盟、日本、韩国等国家专门设立经费支持研究与开发储能技术。目前各国都还处于将储能技术用于产业应用的初级阶段，我国与国际先进储能技术水平的差别不是很大，大力加强储能技术的研发强度可以使我国在未来的能源技术竞争中占据强有利的地位。

结语

科技进步总是给人们带来惊喜，太阳能大规模替代化石能源、平价使用清洁能源的时代正在开启。大力发展太阳能光伏产业对于我国实现未来能源可持续发展的战略选择，具有十分重要的意义。太阳能作为清洁、可持续的可再生能源技术之一，将在未来四十年内，通过技术创新、规模化发展、电力系统以及其他支撑技术的进步，从补充能源过渡为替代能源，并逐步成为我国“自主、自立、低碳、可持续”能源体系的主力能源之一。

在这条前行道路上必然鲜花与荆棘遍布，机遇与挑战并存，但愿我国科研人员在曲折道路上仍然勇敢，披荆斩棘中不舍坚持，用不懈的努力与付出打下我国太阳能产业在国际市场的一片天地！