【碳中和】中国光伏发电技术发展趋势

“2030年碳达峰，2060年碳中和”是我国作出的重大战略决策，标志着我国能源结构战略转型进入关键阶段。2021年印发的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《2030年前碳达峰行动方案》指出要加快构建清洁低碳安全高效能源体系，大力发展水电、风电、太阳能、生物质能等非化石能源。太阳能具有清洁、安全、高效、可持续等显著优点，在我国新能源体系中扮演着非常重要的角色，光伏发电迎来空前的发展机遇。

1光伏发电是实现“双碳”目标的重要保障

国际能源署(IEA)发布的《全球能源回顾：2021年二氧化碳排放》报告指出，2020年我国二氧化碳排放量为98.94亿t，占全球二氧化碳总排放量的30.93%，全球排名第一。其中煤炭、石油、天然气等化石能源消耗导致的二氧化碳排放量占比达95%以上。同时，研究显示在“双碳”目标下煤炭、石油、天然气等化石能源低碳经济效率处在较低水平。因此，构建高效清洁、绿色低碳的新型能源供应体系已成为能源转型发展的大趋势，绿色环保、安全可持续的光伏发电将成为未来新能源发电的主要选择，是我国推动“双碳”目标实现的重要保障。

我国已形成完整的光伏产业链，具备规模化发展光伏发电系统的资源条件、技术优势和应用基础，产业链各环节消耗的能量已经稳步快速下降，光伏发电系统的能量回收周期大大缩短。光伏发电系统能量回收周期是指光伏发电系统在全生命周期内消耗的总能量与光伏发电系统每年的能量输出之比，也就是说光伏发电系统能量回收期取决于光伏发电系统的制造、安装及运输过程中的总能耗和光伏发电系统寿命期内的发电量。

根据《中国光伏产业清洁生产研究报告》，光伏发电系统的能量回收周期仅为1.3年，以使用寿命30年计算，光伏发电系统约29年都是零碳排放。经测算，光伏发电的二氧化碳排放量为33～50g/kWh，而燃煤发电为796.7g/kWh。光伏发电的二氧化碳排放量仅为化石能源的十分之一到二十分之一。因此，光伏发电在减少碳排放方面具有绝对优势。

2我国光伏发电关键技术发展概况

2.1光伏电池组件技术

2.1.1晶硅光伏电池

目前，我国光伏电池组件技术从材料到设备已构建起成熟完整的产业链，产业化量产技术达到全球领先水平。2022年6月，中华人民共和国国家发展和改革委员会(以下简称国家发改委)、中华人民共和国国家能源局(以下简称国家能源局)等9部门发布《“十四五”可再生能源发展规划》，指出世界光伏供应链中我国生产的多晶硅、硅片、电池片和组件已分别占到76%、96%、83%和76%。

目前，已开发出PERC晶体硅电池、TOPCon单晶硅电池、HJT单晶硅电池、IBC单晶硅电池等多种晶体硅光伏电池。其中，PERC晶体硅电池是当前技术最成熟、应用最广、市场占有份额最多的光伏电池。根据中国光伏行业数据显示，产业化的p型PERC晶体硅电池平均光电效率已达到22.8%。高效率、低能耗、低成本、双面PERC技术是未来PERC技术发展的主要方向。

TOPCon单晶硅电池、HJT单晶硅电池、IBC单晶硅电池等n型电池相对PERC晶体硅电池具有更高的光电转换效率和更低的衰减率，其中TOPCon电池、HJT电池的平均光电转换效率分别为23.5%、23.8%。相比PERC电池，目前n型电池的技术规模小、市场占比低、成本相对高，还处于量产验证阶段。预计随着量产化技术的突破、原材料和设备的国产化、光电转化效率的进一步提升、生产成本的大幅降低等，n型晶体硅电池将成为未来光伏电池技术的主要方向。

2.1.2薄膜光伏电池

薄膜光伏电池具有生产能耗低、轻量化可柔性等优点，在柔性设备和便携式可穿戴设备上具有广阔的应用前景。薄膜光伏电池主要有砷化镓(GaAs)光伏电池、碲化镉(CdTe)光伏电池、和铜铟镓硒(CIGS)光伏电池等。虽然GaAs光伏电池具有较高的光电转换效率，但是由于Ga的稀缺性和As的有毒性，使GaAs光伏电池成本高昂、工艺复杂，尚未实现规模化量产。CIGS光伏电池性能稳定、弱光性能好、不衰减，当前认证的最高光电转化效率为23.4%，量产的平均效率为16.5%左右。CdTe光伏电池是目前量产规模最大的薄膜光伏电池，量产组件的平均转换效率为15.1%，但由于Cd是有毒重金属元素，Te是稀有元素，未来在提升量产电池组件效率的同时，进一步开发绿色环保材料和光伏电池回收利用等技术，从而降低成本，减少环境污染，扩大商业化生产和应用规模。

2.1.3钙钛矿光伏电池

钙钛矿是一种复合金属化合物，具有高载流子迁移率、较长的载流子扩散距离和吸收系数大等优异的光电特性，且原料丰富、合成简单、成本低廉，是目前最具潜力的光伏材料之一。目前，单结钙钛矿光伏电池的实验室最高光电转换效率已达到25.6%，与商业化晶硅光伏电池相当。虽然钙钛矿光伏电池已展现出十分优异的光电转换效率，但是还面临大面积电池组件的光电转换效率较低，稳定性较差和电池寿命短等挑战。

2.2光伏发电系统技术

2.2.1离网光伏发电系统

离网光伏发电系统是不与公用电网连接的发电系统，通常应用于缺电的边远地区以及太阳能路灯、通信信号基站等基础设施的用电需求。离网光伏发电系统根据用电负载的特点，分为无蓄电池的直流光伏发电系统、有蓄电池的直流光伏发电系统、交流光伏发电系统。无蓄电池的直流光伏发电系统主要由光伏电池组件和用电负载组成，没有蓄电池储能设备和控制器等部件。有蓄电池的直流光伏发电系统由光伏电池组件、充放电控制器、储能蓄电池及直流负载等组成，该系统能应用于太阳能路灯、移动通信基站、渔船、边远地区供电等，应用范围较广。交流光伏发电系统相比直流光伏发电系统，多了一个交流逆变器，可以把直流电转换成交流电为交流负载提供电能，可以作为市电互补型发电系统，能有效节约能源，减少碳排放。

2.2.2并网光伏发电系统

并网光伏发电系统是指光伏电池组件产生的直流电通过逆变器转换为交流电并接入公共电网的发电系统。并网光伏发电系统分为集中式并网光伏发电系统和分布式并网光伏发电系统。

集中式并网光伏发电的特点是所生产的电能直接输送到电网，再由电网把电力统一分配到各个用电单位，适于大型光伏发电站。目前，我国大型集中式光伏电站主要分布在西北和华北的沙地、草原、盐碱地和工矿废弃地等区域。据国家能源局统计，截至2021年底，我国集中式光伏发电为2.0亿kW，占光伏发电总装机容量的65%。2020年，世界上最大的沙漠集中式光伏发电基地在内蒙古库布齐沙漠建成，该项目装机容量达到69.03MW，年发电量可达20亿kW·h，并网发电后在节能减排方面相当于每年节约标煤66万t，减少二氧化碳排放165万t，能有效改善生态环境质量。

分布式并网光伏发电系统是指利用建筑物顶部布置小型光伏发电系统，产生的电能输送到公共电网，统一为用户供电。分布式并网发电系统具有就地消纳、灵活性强、建设成本低、占地面积小、环境效益好等显著特点。2017年以来，随着光伏组件成本的下降和国家补贴政策的出台，分布式光伏发电站迅速发展。国家能源局发布的数据显示，2021年新增装机容量为29.3GW，同比增长88.65%，累计总装机容量达到107.5GW，约占光伏发电并网装机容量三分之一。山东、浙江等9个省份的分布式光伏装机容量超过3GW，合计占全国分布式光伏装机总量的81%。

2.2.3混合光伏发电系统

“双碳”目标背景下，多种能源融合发展，协同互补已成为能源转型大趋势，如天然气与新能源融合、煤电与新能源联动等。混合光伏发电系统是利用太阳能与其他能源进行混合发电的系统，典型的有风光互补发电系统和水光互补发电系统。夏季光照强风速低，冬季光照弱风速强，风光互补发电系统是将光伏电池组件、风力发电机、储能电池、逆变器等部件组成的复合型发电系统，弥补太阳能和风能独立发电不确定性和不稳定性的问题，具有昼夜互补、季节互补等特点。2022年7月，我国北方最大风光储一体化项目在吉林省洮南市实现并网发电，年均发电量约36亿kW·h，节约标煤118万t，减少二氧化碳排放292万t，助力构建“绿色低碳、安全高效”的现代能源体系。

水光互补发电利用水能、光能的互补性，依托水力发电强大的调节能力，平抑光伏发电的随机性和波动性，实现平滑、稳定的发电曲线。当光照充足时，以光伏发电为主，当夜晚或天气变化时通过调节系统进行水力发电。2022年7月，全球最大水光互补发电站—四川柯拉光伏电站正式开工建设，该项目装机容量达100万kW，年均发电20亿kW·h，每年发出的电量可节约标准煤60万t，减少二氧化碳排放160万t，对实现国家“双碳”目标具有示范引领作用。

2.3光伏组件回收处理技术

光伏产业迅速发展和光伏产品大量使用的同时，我们也面临大量废弃光伏组件回收处理的问题。光伏组件中包含的玻璃、硅、铜、铝、银、铟、镓等是可循环再利用的材料。“双碳”背景下，废弃光伏组件必须得到妥善处理和回收再利用。

政策和法律方面，我国尚未出台光伏组件回收处理的管理政策和法规。技术标准方面，我国光伏组件回收处理标准体系尚不完善，仅有两个国家标准，一个行业标准，分别是《建筑用薄膜太阳能电池组件回收再利用通用技术要求：GB/T38785-2020》《光伏组件回收再利用通用技术要求：GB/T39753—2021》《晶体硅光伏组件回收再利用通用技术要求：T/CPIA0002—2017》。

回收处理技术方面，光伏组件拆解是光伏组件回收处理的关键，目前有机械法拆解、热解法拆解和化学法拆解三种技术。机械法拆解是通过机械法分离玻璃和光伏电池，这种方法虽然操作简单，工艺环保，但是回收率低，组分后期处理分离较难。热解法拆解就是通过加热分离玻璃和光伏电池，这种方法反应时间较短，回收率较高，但存在能耗高，废气难处理等缺点。化学拆解法就是通过化学溶剂的溶解实现玻璃和光伏电池的分离，这种方法能耗低，回收率高，能保持电池片的完整，但存在废液难处理，污染环境等问题。拆解出来的电池再通过选择性浸提、沉淀、萃取等方法回收光伏电池中的贵金属。此外，拆解出来的完整电池片，可通过修复达到可使用的转换效率，实现光伏电池的再利用。

3光伏发电技术的发展趋势

3.1高效率低成本光伏电池

由于生态红线和耕地红线的限制，国家能源局要求光伏项目的开发不允许占用耕地。因此，发展更高效率、更低成本的光伏电池，进一步提升单位面积发电能力是未来光伏大规模发展的关键。一是持续推进PERC晶硅电池技术的发展，如开发双面PERC电池等，提升转换效率，降低生产成本。二是加快TOPCon、HJT、IBC等新型晶硅电池低成本高质量产业化制造技术研究，重点突破关键材料、工艺水平、制造装备等技术瓶颈，提高效率，降低成本，推动新型晶硅电池的产业化生产和规模化应用。三是推动CIGS、CdTe、AsGa等薄膜光伏电池的降本增效、工艺优化、量产产能等，大力推进薄膜太阳能电池在光伏建筑一体化建设中的应用。四是开展高效钙钛矿太阳能电池制备与产业化生产技术研究，开发大面积、高效率、高稳定性、环境友好型的钙钛矿电池，开展晶体硅/钙钛矿、钙钛矿/钙钛矿等高效叠层电池制备及产业化生产技术研究。

3.2光伏发电并网关键技术

基于模糊逻辑算法、自适应变步长电导增量法和人工神经网络改进光伏发电系统最大功率点跟踪技术(MPPT)，保证光伏发电系统以最高功率稳定输出。开发高效率、高可靠性、高电能质量、电网适应性强、易于安装维护的大型光伏电站用逆变器。开展工作稳定性好、能量转换效率和功率密度高、工作寿命长、生产成本低的微型逆变器研究。探索智能孤岛效应检测新方法，提升光伏发电系统并网稳定性。

3.3光伏建筑一体化应用

制定光伏建筑一体化建设规范和标准，推动光伏建筑一体化规模化应用，实现绿色建筑“零排放”，助推“双碳”目标有效落地。重点开展光伏建筑一体化电池技术研发，实现转化效率与建筑美观的有效融合。研制所样化光伏组件材料，满足不同场景和个性化需求的建筑结构，并利用集成技术开发装配式光伏建筑。融合数字信息技术，开发自动化、信息化、智能化光伏建筑。

3.4光伏组件生产制造设备

构建智能光伏生产制造体系，注重智能信息技术的应用，不断提高生产效率和产能，保障产能供应。一是提高光伏电池组件生产制造的智能化水平，实时监控硅片制绒、扩散、刻蚀、钝化等生产过程，有效缩短单位生产时间，保证电池产能和质量。二是开展硅片薄片化、大片化生产工艺和设备研制。三是重点研制N型光伏电池生产制造工艺和设备，加快N型光伏电池的规模化生产。

3.5光伏组件回收处理与再利用

研究光伏组件回收处理政策和法规，制定完善的光伏组件回收处理标准体系，明确光伏组件回收处理细则，加强对光伏组件回收处理的指导和要求。改进废弃光伏组件回收处理技术，提高回收率，同时最大程度降低回收处理过程中的环境污染和能源消耗，实现无害化处理。

4结语

2022年5月，国家发改委、国家能源局发布《关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案》，2030年风电、光伏的装机总容量要达到12亿kW。根据国家能源局统计数据，截至2021年底，光伏、风电的装机容量分别为3.1亿kW、3.3亿kW，2030年目标几乎是当前的一倍。光伏发电将迎来历史性的发展机遇，但也面临很多挑战。在国家“双碳”目标的指引下，“十四五”期间我国光伏产业发展将围绕产业链关键技术“补短板、锻长板”，全面助力“双碳”目标的实现。

文/肖佳 梅琦 黄晓琪 蒋龙 张建平，中国石油西南油气田公司天然气经济研究所，天然气技术与经济

来源：能源情报