人类社会的发展不能以牺牲和破坏环境为代价,如何充分利用和开发可再生能源的问题已列入议事日程。作为理论物理学家的何祚庥院士在接受笔者采访时说,如果对事物的“未来”发展,没有提出相应的“预见”或“建议”,那就是理论工作者未能尽到职责。并大胆地提出:“我国能否在10~15年内,将太阳能光伏发电的成本降低到能与火力发电相竞争的水平?”
中国是一个有13亿人口的大国,正和平崛起并向着工业化阶段迈进,目前,还未到能源危机的时候,还有煤,虽然石油贵点但还买得起啊!何祚庥如是说,一旦到石油快没有了,煤也差不多了,这样一个大国,谁来帮助。13亿人口的生存和发展,只能靠我们自己。“彻底解决中国能源问题,必须将太阳能光伏发电成本降低到与火力发电相竞争的水平。”他说,只有太阳才是真正取之不尽,用之不竭,蕴藏量又极大的,更是毫无污染的一种能源,原始时期,人类的先哲就是利用了太阳能啊!
能源问题是一个综合性的问题,它的解决,要依赖于对能源技术、自然资源、社会经济、甚至于政治考量,因此,也是一个需要给以综合性的研究。如果涉及到“未来”,还要从“理论”上作出前瞻性、先导性的决策和部署,要运用理论物理的知识和方法,何祚庥说:“研究时要用到计算,要在此基础上不但提出问题而且要找到解决问题的途径,此间,当然缺少不了对‘数量’问题的分析,因为‘质’和‘量’是相互统一的,若无量的分析,便不能准确地判断出研究对象的‘质’,就是说,在对各个侧面作大致数量级的估算后,方能找出所需的主要因素。”
理论物理学家要高度警惕“理论脱离实际”,何祚庥说,理论物理学家提出“建议”和“措施”,必须和实际工作者仔细磋商,之所以如此,为的是确保这些“建议”和“措施”的真正的“可行性”;所以理论上认为“可行”的事情,往往未必“可行”,但是反过来,理论上认为“不可行”的事情,那才是绝对“不可行”,真的“不可行”了。
何祚庥院士说:“美国前总统布什曾提出:到2015年,美国的光伏发电成本将可能下降到和火力发电相竞争的水平,他希望美国科技界、企业界为这一目标而努力。这一信息我已转告国家有关领导同志,他很重视啊!……”,布什总统这一“希望”,究竟是真的还是假的?对于这一分辨,何祚庥说可以讨论一下,既然提出来了,那么,我们将遵循何途径能大幅降低太阳能光伏发电成本呢?
光电能产出的提高暨成本的下降.聚光+跟踪:提高电能产出的有效办法之一。研制数倍集中的太阳硅电池发电装置,如4倍太阳光发电装置,它所使用的是光漏斗能够保持在一次反射条件下,于太阳电池表面分布有均匀的光强,研究证明其光电池的输出为3.3倍,若再加上跟踪装置,可提高30%,何祚庥介绍说,这就使一块光电池产生4.3倍的电力。150瓦功率的样机,使用寿命至少12年,且在实现产业化后,其发电成本约为目前平板式光伏电池的50~60%,所以,不排除还有更大降价的空间,并能与火力发电成本相竞争。
目前,国外平板式光伏电池发一度电的成本约0.25美元,折合人民币2元/度电。采用4倍聚光后又可下降到1元人民币/度电。但是,这种4倍聚光装置中,单晶硅或多晶硅材料的成本,几乎占了全部费用的50~60%。因此,若再进一步降低光伏发电成本,则必须大幅度降低单晶硅或多晶硅材料的成本。何祚庥说:“近来,已出现一种能持续跟踪太阳,将一万倍太阳光聚焦到某一方位的定日镜,做到在大小约为一个兵乓球范围的空间内将温度上升到3500℃,而且才约几十万元人民币。这就有可能利用廉价的高温能源取代热效率甚低的电能,用以制作精度达6个9的多晶硅,进一步有可能将光电池制作成本下降60~80%。”当今,已研制出一种新型太阳炉,能将15mm厚的钢板熔化,能将钨板予以溶化。
实验证明,这种极好的廉价的高温热源,它能在15分钟左右,将粗硅加工成达6个9精度的多晶硅。若这种利用能加热的新型精硅冶金方法得到最终成功的话,那么,有可能将上述4倍聚光发电装置的发电成本再下降一半,即一度电为0.5元人民币。
硅薄膜:降低光伏发电成本的举措之一。有品种不一的硅薄膜,如无定型薄膜、微晶多晶,纳米晶硅薄膜等,其转化效率在6%~12%范围内,何祚庥绕有兴趣地给我介绍了某些人用硅烷制作的玻璃硅薄膜光电池的研制成果。技术层面上讲已制作出面积达1.245m×0.635m、2m×1m、4m×2m的电池板,且大批量生产了,其光电转化率达9%,近期内有望提高到12.5%,由于硅薄膜电池的高稳定性,预期寿命将高出晶体硅光电池平均寿命约8~10年。研究者还按照内蒙古鄂尔多斯的资源条件对这一玻璃硅薄膜光电池发电成本作了估算。“当地年均日照为3026小时,平均每天日照时间8.3个小时,日照强度为0.7kw/m2,相当于最大太阳光度1kw/m2的70%,即系数为0.7,晶体硅材料的电池寿命为15年,而一代非晶硅薄膜光伏电池的寿命可达25年。由于太阳入射角度的逐渐变斜,一天中损失20%能量的接收,经计算提出15年中1kw晶体硅光伏电池的总发电量为2.54万度,而一代非晶硅薄膜光伏电池随温度增高损失的效率较小,其发电性能明显比晶体硅材料稳定,且在光度很弱(如早晚天不很亮甚至阴天)情况下仍能良好地运行,至于晶体硅在低光(弱光)条件下远不如强光下的发电性能好,所以,1kw非晶硅薄膜光伏电池(其寿命为25年)总发电量为5.2955万度。其发电成本(按寿命也是15年计)为0.705元/度,若配有特制的低成本4倍聚光镜,则又能降低50%成本,即0.35元/度电。”
何祚庥说,硅薄膜光电池不但可制作成大面积平板式光电池,还可用反射镜制成槽式聚光体系,即利用柱形平板式反射镜将太阳光投射到某一平板电池上。为避免制作规模极为庞大的东西向跟踪体系,可利用“特长”的聚焦槽,仅在南北方向对太阳的“走向”做简单的微调。它属于一种方便而成本较低的数倍聚焦的系统。
太阳电池经过近几十年的研究,在理论、实践和应用研究上都获得极好的成绩。从大规模应用太阳能电池来讲,研制高效率、低成本太阳能电池,仍是重要目标。
近来,何院士还关注到多结级联太阳能电池的研究。
太阳能光伏发电,截止目前,有下列几种:太阳能硅电池发电、硅薄膜光电池发电、非晶硅光伏电池、晶体硅光伏电池、薄膜非晶硅/晶体硅异质结电池(HIT电池)、薄膜硅/单晶硅异质结电池,薄膜晶体硅组合光电池、单晶硅、非晶硅混合太阳电池、聚光太阳能电池、多结太阳能电池等等。
1980年日本还研发了薄膜非晶硅/晶体硅异质结电池,它综合了薄膜的低温(<250℃)单晶电池高效稳定的特性,七年后,这一HIT电池便实现了产业化,其光电转化率一直保持着21.6%的世界纪录。
目前,国际上还在大力发展第三代砷化镓太阳能电池,主要途径是多结叠层电池(如四结、五结电池),量子阱(点)电池等等。但仍以多结叠层电池为主流,发展趋势是研究制造五结太阳电池,以获得更高的光电转换效率。德国在这方面的研究认为,它可拓宽可利用太阳光的波长范围,更有效地利用太阳光,其高电压的特性可以减少组件的串并联数,提高面积比功率。同时,对于聚光电池,高电压、低电流特性更容易获得高效率。与三结电池相比,有更强的耐辐照性能,弥补了目前三结电池辐照衰减较大的缺点,因而五结叠层太阳能电池是未来空间电源的选择之一。
我国在“制作低倍聚光电池”的研究方面,采用刻槽埋栅方法已有成效,研制的平面结聚光硅太阳能电池,类似于常规电池,应用的光强为十个太阳
正受当今光伏产业越来越重视的非晶硅/单体硅(a-Si/c-Si)异质结太阳能电池由于结合、集成了前者低温、低成本的工艺制备过程和后者稳定、高效的优异特性,中国科学院研究生院采用德国开发的硅异质结太阳能电池模拟程序,模拟计算了有无本征缓冲层和不同的薄膜硅/晶体硅界面缺陷态密度情况下异质结电池的光伏特性。南开大学对受到广泛关注的功能材料――二氧化锡(SnO2)进行了研究,它集多种优良性能于一体,可以通过掺杂成为具有一定导电能力的透明导电薄膜。因此,二氧化锡薄膜可以作为薄膜太阳电池的前电极,而广泛应用在薄膜太阳能电池领域。具有40多年发展史的喷雾热解法,已成为玻璃基极镀膜的有效方法,南开大学光电子研究所对基于超声喷雾热分解工艺的制备薄膜的技术进行了研究,它具有低成本、高质量的优点,该工艺对环境要求很低,无需真空,沉积温度在480℃以下,研究结果证明其工艺控制简单,所以其设备成本远远低于其它镀膜方法。
何祚庥说,上海空间电源研究所对有较好抗辐照性能、高电压、低电流等特性的五结叠层太阳能电池,从机理和结构上进行了研究。也就是说,该研究所在其成熟的三结叠层电池的基础上,就目前国外已经开始积极研究较多的五结叠层太阳能电池进行设计。单结电池的最高效率达到27.5%,这个纪录已保持十几年,说明已接近理论极限效率,若要进一步再提高效率,必须采用新的方法。限制单结太阳能电池转换效率的主要因素是被吸收的能量大于半导体带隙的光子通过电子、光子数射的电子发射的热损失,以及载流子在能带边缘的损失带。减少这种损失的一个有效途径是将多个带隙与太阳光谱匹配的pn结叠合起来,在理想情况下,无限个pn结叠层电池极限效率可达到86.8%。这正是获得上述多结叠层太阳能电池高效率的关键问题。
采访结束前,何祚庥院士对我说:“低倍聚光发电体系我已介绍了,上述叠层太阳能电池是高倍(300~500倍)聚光光电池,转化率高达30%~58%。可喜的是,我国已经跟踪了世界这方面前沿的研究工作了。”要在短期内,或是不太长时期内,赶上国际光伏事业的发展水平,使之形成光伏产业,必须集合国内所有优势力量,像巡航导弹的研发一样,实现集成创新。有学者科学地认为:人类将来除了利用地面上的太阳光外,还要利用高空、甚至太空的阳光能量。