來源:《能源評論》

得晶硅者得天下

  記者:今年的政府工作報告提到,五年來我國清潔能源消費比重提高6.3個百分點。太陽能被視為未來最有前景的綠色能源,您怎么看待太陽能產業化的發展軌跡和經驗教訓?


  何祚庥:回答這個問題,要先看光伏領域晶硅應用的市場表現。


  就價格而言,在原料方面,2007年以來,供不應求時多晶硅價格一度飆升到400~500美元/公斤,最低時曾降到5美元/公斤左右,近期大多在20美元/公斤以下,雖然還會有些波動,但基本處于低位的走勢已經形成;在光伏組件方面,生產成本從3美元/瓦減少到0.37美元/瓦;在光伏發電成本方面,從0.5美元/千瓦時降低到0.1美元/千瓦時,離平價上網只有一步之遙。


  為什么十年間,多晶硅價格下降如此之快,幅度如此之大?原因就在于,多晶硅生產的特點主要是,初始投資比較大、設備費用比較高,但原材料的價格極其低,從基本原理來看,就是硅元素,其原材料就是黃沙。


  過去曾賣到500美元一公斤的背景就在于,一是產業發展初期,設備折舊費用較高,按照10%的折舊率計算,意味著目前基本上第一批設備的折舊基本攤銷完成,后邊就是零成本了,所以價格快速下降。但在目前的價格下,企業不僅不會賠本,還有利潤可以賺。二是發達國家比較懂得利用市場經濟規律,在產業發展初期,想方設法造成供不應求的火熱態勢,并制造價格高企的市場氛圍,讓大家相信擁有硅者為王。當時,國內有不少企業上了這個當,和硅料企業簽訂了十年的長期供應合同。這個事情給我們最大的教訓是,我們還是不太懂什么叫做市場經濟。


  記者:從經濟性上而言,晶硅技術會居于主流的地位。也有人認為,薄膜技術大有潛力,您怎么看待二者的關系?


  何祚庥:薄膜也競爭不過單晶硅多晶硅。首先,材料是一個巨大的問題。比如,薄膜技術要用到一些特種材料或稀有材料,其中銅銦鎵硒等原材料的成本遠遠超過黃沙;而且這些材料不能再生,有些還有毒性,會污染環境。


  目前,晶體硅的光電轉化效率從16.5%穩定增長到20%或以上的工業水平。而薄膜技術,不僅其原料很昂貴、無法循環利用,而且在光電轉化效率上也趕不上晶體硅,同等輸出功率,薄膜需要的面積遠超出晶硅。所以,除非薄膜能夠大幅度降低成本,否則,幾乎沒有可能取代晶體硅。


  記者:對于光熱利用技術,我國“十三五”規劃的目標是500萬千瓦,您認為光熱和光伏兩種路線比較,哪種更有可能成為主流技術路線?在市場層面,您認為光熱技術未來會有競爭力嗎?


  何祚庥:究竟是光熱的成本低,還是光電的成本低,這是一個值得研究的問題。不過,光熱目前還有一大好處,就是可以貢獻熱能,問題在于熱能如何傳輸尚未解決。


  降低成本的一個辦法就是高倍聚光,2010年我也提倡過高倍聚光。因為當時晶硅成本很高,聚光有經濟性優勢,但是如果晶硅的成本很低,為提高聚光效率付出的代價,就不一定能得到市場認可了。


  這個目標設定,跟薄膜的問題一樣,也是缺少成本意識,說白了還是技術思維,跟我們以前犯的錯誤一樣。如果用市場和產業思維判斷,只需要問一個問題,能否達到多晶硅目前的價格,然后再來談其他的可能。所以這些問題的答案很清楚:產品有沒有競爭力,取決于技術成熟度和經濟性。目前晶硅的成本下降趨勢十分驚人,對其他技術路線殺傷力太大,堪稱“核武器”。


  記者:麻省理工學院評出的2017年十大全球突破性技術,包括太陽能熱光伏電池,宣稱可以讓太陽能電池效率翻倍。您對其前景如何評價?


  何祚庥:從基本原理來看,一般的光伏技術,包括多晶硅、單晶硅、薄膜,實際上只有一部分的太陽能光譜可以發電,相當一部分被反射回去,或者是給處理掉了。這種新型技術的核心突破是,充分利用各種波長的光譜。利用折射或其它原理調節入射光源的光譜,基本可以利用絕大部分光線,從而極大提升了光伏發電的效率。這個技術在原理上沒有問題,但對于這些提高太陽能發電效率的技術,我們除了要關注其究竟可以做到多高的轉化效率,還要看經濟性。如果這項技術成本可以做到便宜,我很贊成,現實是,不僅成本很高,而且各種技術限制性條件很多,目前肯定很難跟多晶硅競爭,三年、五年或者十年后,或許值得關注。


  記者:在經濟性方面,未來會有哪些技術能趕超晶硅技術呢?


  何祚庥:目前看來,可能具備與多晶硅相競爭的一個方向就是鈣鈦礦結構的太陽能電池。原因在于,一是這種太陽能電池的轉化效率有希望做到與多晶硅相差不多,甚至更高。二是相關材料可能成本適中,并不會過于昂貴。


  輕量化可期


  記者:光伏產業只有降低成本才能走向真正的規模化,您認為,在應用層面,阻礙當今太陽能應用成本降低的障礙有哪些?


  何祚庥:主要的問題有兩個:一是占地面積廣。在所有的新能源技術中,與核發電、水力發電、風力發電等技術相比,光伏發電的占地面積是最大的,目前地面用光伏系統占地約為每平方米35~45瓦。2016年全球光伏系統發電量達2750億千瓦時,占全球用電量的1.3%;至2015年年底,全球光伏累計裝機容量達230吉瓦,占地約1萬平方公里。二是重量大。雖然光電晶片非常輕薄,其輸出功率每瓦重量只有2.5克左右,但封裝后的光伏組件,每瓦重量可達100克以上,再加上各種支架和緊固件,每瓦重量可達200克以上,放在屋頂上,為解決承重,就要增加投資。


  記者:在光伏發電越來越接近理論極限的今天,您認為,未來光伏應用的潛力在哪里?


  何祚庥:光伏的活力在于輕便和移動。光伏發電的最初應用是在航天工業上,由于星際空間中的真空環境,光伏組件可以采用最簡單的封裝以發揮其輕便和移動的優勢。未來太陽能行業發展的核心元素是輕量化。輕質光伏是光伏產業脫離目前困境,重新邁入康莊大道的重要途徑。從這個意義上講,光伏工業發展到今天,應當回歸到上世紀50年代、60年代輕便和移動的概念,以此來擴展光伏更大范圍的應用。一個量化的指標是,在保證電學及機械性能不變的情況下,輕型的光伏組件需要達到8克/瓦左右的重量,則其在飛艇、飛機及無人機等方面的應用將指日可待。


  記者:要實現光伏組件輕型化,應該從哪些方面入手解決,目前進展并不樂觀的問題在哪里?


  何祚庥:要達到上述目標,光伏設計者或發明者的主要任務是替代光伏組件上的笨重玻璃,或以較輕薄的玻璃代替,或以聚合物薄膜代替。


  十幾年來,組件的外層玻璃已經從4mm減為目前最普遍使用的3.2mm,最近國內外開始用2mm的外層鋼化玻璃,并且逐漸進入市場。然而,使用減輕玻璃厚度而減輕光伏組件的方法是有局限性的,輕薄玻璃的制造成本會隨著厚度的減少而成反比地增加。


  使用聚合物是制造輕型組件的一個方向,隨著高分子聚合物材料技術的飛躍發展,許多新的材料,諸如ETFE、KEVLAR等等,其耐候性、透明性及機械性能都可以達到光伏組件表面膜所需要的要求。


  從實踐來看,以上述材料代替玻璃的光伏組件之所以不能大量運用,原因總結起來就是一句話,晶體光伏電池片同裝載體的熱失配,譬如鋁箔是它的7倍,PVC是它的25倍,PET是它的20倍等等。實驗中已經觀察到經過幾十個熱循環后,該組件就會失效,這種熱誘導破壞是造成輕薄太陽能組件工作壽命縮短的主要原因。


  記者:目前看來,有哪些可行的解決方案或方向?


  何祚庥:應對輕薄太陽能組件的結構重新進行設計。一個可能的思路是,光伏組件首先由冷封裝的方法制成組件預制件,在這種預制件中晶體硅的晶片由兩層一定厚度的聚合物薄膜包裹,其厚度的確定使得在熱沖擊中薄膜的收縮和膨脹不會對晶體硅產生明顯的熱應力。預制件同背板的連接通過一種熱隔離層,使得受到熱沖擊的背板的收縮或膨脹對預制件幾乎沒有影響,其結構類似于在多地震帶的房屋建筑中的震動隔離裝置。


  同時,對聚合物表面的處理采用氟元素和納米材料,既有強大的耐候作用,又有類似玻璃一樣的耐磨、耐刮性能,如此,其表層可以做得非常薄,真正起到了軟玻璃的作用。


2018年05月23日

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