得晶硅者得天下

《能源評論》：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(chǎn)業(yè)化的發(fā)展軌跡和經(jīng)驗教訓(xùn)？

何祚庥：回答這個問題，要先看光伏領(lǐng)域晶硅應(yīng)用的市場表現(xiàn)。

就價格而言，在原料方面，2007年以來，供不應(yīng)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(jīng)形成；在光伏組件方面，生產(chǎn)成本從3美元/瓦減少到0.37美元/瓦；在光伏發(fā)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(wǎng)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(chǎn)的特點主要是，初始投資比較大、設(shè)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(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，設(shè)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(shè)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(yè)不僅不會賠本，還有利潤可以賺。二是發(fā)達(dá)國家比較懂得利用市場經(jīng)濟規(guī)律，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，想方設(shè)法造成供不應(yīng)求的火熱態(tài)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(dāng)時，國內(nèi)有不少企業(yè)上了這個當(dāng)，和硅料企業(yè)簽訂了十年的長期供應(yīng)合同。這個事情給我們最大的教訓(xùn)是，我們還是不太懂什么叫做市場經(jīng)濟。

《能源評論》：從經(jīng)濟性上而言，晶硅技術(shù)會居于主流的地位。也有人認(rèn)為，薄膜技術(shù)大有潛力，您怎么看待二者的關(guān)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(shù)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過黃沙；而且這些材料不能再生，有些還有毒性，會污染環(huán)境。

目前，晶體硅的光電轉(zhuǎn)化效率從16.5%穩(wěn)定增長到20%或以上的工業(yè)水平。而薄膜技術(shù)，不僅其原料很昂貴、無法循環(huán)利用，而且在光電轉(zhuǎn)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(yuǎn)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。

《能源評論》：對于光熱利用技術(shù)，我國“十三五”規(guī)劃的目標(biāo)是500萬千瓦，您認(rèn)為光熱和光伏兩種路線比較，哪種更有可能成為主流技術(shù)路線？在市場層面，您認(rèn)為光熱技術(shù)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(xiàn)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(dāng)時晶硅成本很高，聚光有經(jīng)濟性優(yōu)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(rèn)可了。

這個目標(biāo)設(shè)定，跟薄膜的問題一樣，也是缺少成本意識，說白了還是技術(shù)思維，跟我們以前犯的錯誤一樣。如果用市場和產(chǎn)業(yè)思維判斷，只需要問一個問題，能否達(dá)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(chǎn)品有沒有競爭力，取決于技術(shù)成熟度和經(jīng)濟性。目前晶硅的成本下降趨勢十分驚人，對其他技術(shù)路線殺傷力太大，堪稱“核武器”。

《能源評論》：麻省理工學(xué)院評出的2017年十大全球突破性技術(shù)，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(shù)，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(fā)電，相當(dāng)一部分被反射回去，或者是給處理掉了。這種新型技術(shù)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(diào)節(jié)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(fā)電的效率。這個技術(shù)在原理上沒有問題，但對于這些提高太陽能發(fā)電效率的技術(shù)，我們除了要關(guān)注其究竟可以做到多高的轉(zhuǎn)化效率，還要看經(jīng)濟性。如果這項技術(shù)成本可以做到便宜，我很贊成，現(xiàn)實是，不僅成本很高，而且各種技術(shù)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(guān)注。

《能源評論》：在經(jīng)濟性方面，未來會有哪些技術(shù)能趕超晶硅技術(shù)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(jié)構(gòu)的太陽能電池。原因在于，一是這種太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率有希望做到與多晶硅相差不多，甚至更高。二是相關(guān)材料可能成本適中，并不會過于昂貴。

輕量化可期

《能源評論》：光伏產(chǎn)業(yè)只有降低成本才能走向真正的規(guī)模化，您認(rèn)為，在應(yīng)用層面，阻礙當(dāng)今太陽能應(yīng)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(shù)中，與核發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等技術(shù)相比，光伏發(fā)電的占地面積是最大的，目前地面用光伏系統(tǒng)占地約為每平方米35～45瓦。2016年全球光伏系統(tǒng)發(fā)電量達(dá)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(dá)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(dá)100克以上，再加上各種支架和緊固件，每瓦重量可達(dá)200克以上，放在屋頂上，為解決承重，就要增加投資。

《能源評論》：在光伏發(fā)電越來越接近理論極限的今天，您認(rèn)為，未來光伏應(yīng)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(fā)電的最初應(yīng)用是在航天工業(yè)上，由于星際空間中的真空環(huán)境，光伏組件可以采用最簡單的封裝以發(fā)揮其輕便和移動的優(yōu)勢。未來太陽能行業(yè)發(fā)展的核心元素是輕量化。輕質(zhì)光伏是光伏產(chǎn)業(yè)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(yè)發(fā)展到今天，應(yīng)當(dāng)回歸到上世紀(jì)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(yīng)用。一個量化的指標(biāo)是，在保證電學(xué)及機械性能不變的情況下，輕型的光伏組件需要達(dá)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(yīng)用將指日可待。

《能源評論》：要實現(xiàn)光伏組件輕型化，應(yīng)該從哪些方面入手解決，目前進(jìn)展并不樂觀的問題在哪里？

何祚庥：要達(dá)到上述目標(biāo)，光伏設(shè)計者或發(fā)明者的主要任務(wù)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(jīng)從4mm減為目前最普遍使用的3.2mm，最近國內(nèi)外開始用2mm的外層鋼化玻璃，并且逐漸進(jìn)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(shù)的飛躍發(fā)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(dá)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(jié)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(jīng)觀察到經(jīng)過幾十個熱循環(huán)后，該組件就會失效，這種熱誘導(dǎo)破壞是造成輕薄太陽能組件工作壽命縮短的主要原因。

《能源評論》：目前看來，有哪些可行的解決方案或方向？

何祚庥：應(yīng)對輕薄太陽能組件的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行設(shè)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(yù)制件，在這種預(yù)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(chǎn)生明顯的熱應(yīng)力。預(yù)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(yù)制件幾乎沒有影響，其結(jié)構(gòu)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。

（中國科學(xué)院理論物理研究所研究員陳應(yīng)天對本文亦有貢獻(xiàn)）