百年光伏技術(shù)史

:任何技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展都要經(jīng)歷一個漫長而曲折的過程，近年來備受矚目的光伏技術(shù)也不例外，本文將為您介紹光伏技術(shù)百年來走過的風(fēng)風(fēng)雨雨。

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光伏發(fā)電用于將入射的太陽光直接轉(zhuǎn)換為電能，它的歷史始于1839年光生伏特效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。然而，光伏發(fā)電用于能源供應(yīng)經(jīng)歷了一百多年的時間。

“光伏”的誕生

1839年，時年僅19歲的法國科學(xué)家A.E.貝克雷爾在他父親的實驗室中，緩慢地將兩片鉑金屬電極插入到氯化銀酸性溶液中。他不知道的是，光伏世界的大門，正隨著這一場“錯誤”的實驗慢慢大開。在測量在這些電極之間流動的電流時，他發(fā)現(xiàn)，光線中的電流略大于黑暗中的電流；他將這種現(xiàn)象被命名為為光生伏特效應(yīng)。他不曾料到的是，他在這場實驗中觀測到的小小的光電流，會在百年之后為人類的能源利用帶來重大變革。為了紀(jì)念他的發(fā)現(xiàn)，光生伏特效應(yīng)也稱“貝克雷爾效應(yīng)”。

A.E.貝克雷爾，圖片來源：維基百科

在貝克雷爾的實驗沉寂了37年之后，英國科學(xué)家威廉·格里爾斯·亞當(dāng)斯和他的學(xué)生理查德·埃文斯·戴發(fā)現(xiàn)硒在光線下會產(chǎn)生電能。雖然硒無法為當(dāng)時使用的電子元件提供需要的電能，但這證明了固體金屬可以直接將光轉(zhuǎn)換為電能。

1883年，美國科學(xué)家查爾斯·弗里茨在鍺片上鍍上一層硒金屬電極,建立了第一塊光伏電池。雖然它的轉(zhuǎn)換效率只有1%，而且成本極高，但是弗里茨雄心勃勃的說：“它連續(xù)地、穩(wěn)定地輸出電能，不僅僅能在日光下，還能利用散射光，甚至是昏暗的燈光…我們也許很快就能看到光伏板與[燃煤發(fā)電廠]的競爭”?？上У氖牵念A(yù)言沒有成真。他曾把一塊光伏電池寄給當(dāng)時與愛迪生齊名的西門子，后者對他的發(fā)明予以盛贊。西門子認(rèn)為光電技術(shù)在科學(xué)上有深遠(yuǎn)的意義，當(dāng)時的物理學(xué)大牛麥克斯韋也表示贊同，他曾因提出著名的“麥克斯韋方程組”名震物理學(xué)。從這時起，許多科學(xué)家才開始對光電效應(yīng)進(jìn)行基礎(chǔ)研究。不過，不論是西門子還是麥克斯韋，都沒能破解光伏背后的秘密。

查爾斯·弗里茨，圖片來源：維基百科

這一謎題在懸而未解24年之后終于有了突破，完成這一突破的是另一位如雷貫耳的物理學(xué)巨擘阿爾伯特·愛因斯坦。1907年，愛因斯坦提供了基于他1905年的光子量子假設(shè)的光電效應(yīng)的理論解釋。為此，他于1921年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。1912年至1916年，美國實驗物理學(xué)家羅伯特·安德魯斯·米利肯通過實驗證實了愛因斯坦對光電效應(yīng)的猜想，并在1923年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。有了理論的堅實支撐，光伏的發(fā)展開始進(jìn)入快車道。

1916年，波蘭化學(xué)家揚(yáng)·柴可拉斯基發(fā)現(xiàn)了提純單晶硅的拉晶工藝，并以他的名字命名為柴可拉斯基法。這項技術(shù)直到20世紀(jì)50年代才開始實際應(yīng)用于半導(dǎo)體制造業(yè)中晶圓的制造，隨著對大規(guī)模半導(dǎo)體器件需求的增大，這種工藝也在不斷發(fā)展。

揚(yáng)·柴可拉斯基，圖片來源：維基百科

歷史的車輪又向前推進(jìn)了將近20年，1934年，科學(xué)家們開始了對薄膜太陽能電池的研究，并設(shè)想通過太陽能電池創(chuàng)造能源自給系統(tǒng)。實驗數(shù)據(jù)顯示，通過在材料中摻雜金屬雜質(zhì)可以提高發(fā)電效率。

1940年，美國半導(dǎo)體專家拉塞爾·奧爾制造出了固態(tài)二極管的基本結(jié)構(gòu)p-n結(jié)，這為太陽能電池的發(fā)明和制造奠定了堅實的基礎(chǔ)，極大地推進(jìn)了光伏發(fā)電向工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)發(fā)。

1953年，美國物理學(xué)家達(dá)里爾·查賓，杰拉爾德·皮爾森和化學(xué)家卡爾文·紹瑟·福勒制造出晶體硅太陽能電池，每個大約2厘米大小，生產(chǎn)效率約為4％。從此，太陽能電池逐漸走向工業(yè)領(lǐng)域。

進(jìn)軍工業(yè)

1958年3月17日，美國的第二顆人造衛(wèi)星使用化學(xué)電池和光伏電池，通過發(fā)射器進(jìn)入太空。這顆小衛(wèi)星奠定了太陽能電池使用的基礎(chǔ)，自此以來，太陽能電池逐漸被開發(fā)用于宇宙空間探索。通過電池實現(xiàn)的航天器壽命延長所帶來的價值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了太陽能電池制造的高成本。此外，與放射性同位素發(fā)生器相比，太陽能電池已經(jīng)更便宜且風(fēng)險更小。如今，大多數(shù)航天器都會配備太陽能電池，世界上大約有1000顆衛(wèi)星正在使用光伏發(fā)電。在太空中，太陽能電池實現(xiàn)了每平方米220瓦的輸出功率。

1976年，澳大利亞政府決定通過光伏電池站運(yùn)營內(nèi)陸地區(qū)的整個電信網(wǎng)絡(luò)。光伏電站的建立和運(yùn)營非常成功，提高了世界范圍內(nèi)對太陽能技術(shù)的信心。

1980年起，墨西哥灣的小型無人駕駛石油鉆井平臺開始配備太陽能電池組件，并以經(jīng)濟(jì)性和實用性的優(yōu)勢逐漸取代了以前使用的大型電池。

1983年起，美國海岸警衛(wèi)隊開始使用光伏為其信號燈和導(dǎo)航燈供電。此時，美國占全球光伏市場的份額約為21%，光伏市場主要為獨(dú)立系統(tǒng)提供解決方案。

1990年起，瑞士工程師Markus Real提出，為每棟房屋配備自己的光伏系統(tǒng)更有經(jīng)濟(jì)意義，即支持分散式能源轉(zhuǎn)換。他在蘇黎世的個別建筑物中安裝了333 3 kW的屋頂光伏系統(tǒng)。

1991年，德國啟動1000個屋頂計劃，同時“電力上網(wǎng)法”規(guī)定公用事業(yè)公司必須從小型可再生能源發(fā)電廠獲取電力。柏林的Solon AG和弗萊堡的太陽能工廠應(yīng)運(yùn)而生。

1994、1997年，日本、美國相繼啟動百萬屋頂計劃。

2010年，德國光伏系統(tǒng)的總的額定功率超過10千兆瓦。2015年，全球范圍內(nèi)光伏系統(tǒng)的額定功率達(dá)到了200吉瓦。

光伏在中國

中國的太陽能產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了三個不同的階段。在初期階段，中國一直專注于大規(guī)模生產(chǎn)太陽能技術(shù)。隨后，中國開始在國內(nèi)應(yīng)用太陽能技術(shù)。與此同時，中國正在將其研究擴(kuò)展到開發(fā)以降低其成本。

中國光伏技術(shù)的發(fā)展始于1958年，在20世紀(jì)80年代首次實現(xiàn)工業(yè)化。在2000年代進(jìn)入世界太陽能市場時，中國最初幾乎只生產(chǎn)用于出口的太陽能組件。自2004年以來歐洲國家對光伏系統(tǒng)的需求強(qiáng)勁增長，中國的光伏生產(chǎn)經(jīng)歷了非常強(qiáng)勁的增長。中國的大規(guī)模生產(chǎn)以及隨后光伏市場的價格下降導(dǎo)致西方生產(chǎn)商無法與價格競爭相抗衡。在德國，許多制造商不得不申請破產(chǎn)，包括Solar Millennium和Q-Cells。西門子于2012年解散其太陽能光熱和光伏部門，此前不久，博世退出光伏市場，損失總計24億歐元。2013年起，中國成為世界最大的光伏市場。

最初，光伏系統(tǒng)的高成本阻礙了中國國內(nèi)市場的增長。光伏系統(tǒng)的內(nèi)部市場主要集中在孤立的農(nóng)村地區(qū)的電氣化，僅限于少數(shù)太陽能裝置。中國第一個太陽能公園在甘肅的沙漠地區(qū)，于2008年并網(wǎng)發(fā)電。

在全球金融危機(jī)之后，許多政府大幅削減對太陽能的補(bǔ)貼，中國的太陽能產(chǎn)業(yè)面臨著產(chǎn)能過剩的問題。出于這個原因，政府開始通過激勵措施來加強(qiáng)內(nèi)部市場的發(fā)展，以緩解中國太陽能產(chǎn)業(yè)的危機(jī)。此外，自2011年以來，中國生產(chǎn)商的優(yōu)勢因美國和歐盟的反傾銷措施而進(jìn)一步削弱，因此政府補(bǔ)貼進(jìn)一步加強(qiáng)，以減少對外國市場的依賴。截至2010年底，中國國內(nèi)太陽能裝機(jī)容量為800兆瓦，而在2016年底已達(dá)到76500兆瓦。由此可以看出，中國在過去的10 年內(nèi)建立了比德國更多的太陽能系統(tǒng)。

2017年，中國能源部門投資865億美元用于太陽能，這比前一年增加了58％，遠(yuǎn)高于其余類型的可再生能源的投資量。2017年中國安裝了總?cè)萘繛?3千兆瓦的太陽能系統(tǒng)，占世界裝機(jī)容量的一半以上。其中最大的太陽能項目是江西省扶貧工廠，計劃產(chǎn)量為540兆瓦，投資額約為6.53億美元。

由于中國政府的補(bǔ)貼和安裝配額減少以及美國太陽能產(chǎn)品的進(jìn)口關(guān)稅提高，中國太陽能系統(tǒng)制造商的利潤率和太陽能組件的價格會受到影響。僅在2018年，太陽能組件的價格下降了約35％。然而，價格下降將導(dǎo)致光伏系統(tǒng)的更大擴(kuò)散，并可能在2019年和2020年刺激市場，促進(jìn)光伏系統(tǒng)在屋頂或工業(yè)園區(qū)等不同地點(diǎn)的安裝，這些小型項目并不受中國政府對主要太陽能項目配額的影響。因此，越來越多沒有國家補(bǔ)貼的能源消費(fèi)者開始使用太陽能來滿足他們的能源需求。

目前在中國，太陽能光伏發(fā)電主要分成兩類，一種是集中式，常見于西北開闊地區(qū)的大型地面光伏發(fā)電系統(tǒng)；另一種是分布式（以6WM為界），例如民居屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)、太陽能路燈、工商企業(yè)樓頂光伏發(fā)電系統(tǒng)等。

集中式太陽能光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)，來源：百度百科

分布式太陽能光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)，來源：百度百科

中國太陽能技術(shù)的發(fā)展和光伏市場的迅速擴(kuò)大與國家政策密不可分。中華人民共和國的“十三五”規(guī)劃（2016-2020）要求中國到2020年通過非化石能源滿足約15％的能源需求?？傮w而言，可再生能源的容量將增加至約680千兆瓦。此外，與“十二五”規(guī)劃相比，目前的五年計劃更少關(guān)注大型太陽能發(fā)電廠的建設(shè)，而不是小型和私人太陽能裝置。此外，“十三五”規(guī)劃還包括太陽能技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)重組的措施。中國在太陽能技術(shù)方面發(fā)展迅速，但這些措施仍在激勵中國對于在過去15年中尚未取得重大突破的技術(shù)，爭取獲得更大進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

【1】[會議論文]光伏發(fā)電大有可為馬明昆 等-2015-10-01-上海市老科學(xué)技術(shù)工作者協(xié)會第十三屆學(xué)術(shù) 年會

【2】中華人民共和國的“十三五”規(guī)劃（2016-2020）

【3】維基百科

【4】百度百科

【5】TheInvention Of The Solar Cell, /article/science/invention-solar-cell#page-2

原標(biāo)題:百年光伏技術(shù)史