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沈辉:以硅片技术为基础,新型硅基太阳能电池有更大发展空间

   日期:2019-01-11     来源:科日光伏网    作者:沈辉    浏览:1269    评论:0    
1月9日下午,由亚洲光伏产业协会、保利协鑫能源控股有限公司联合主办的第四届光伏产业链创新合作高峰论坛在苏州举行。中山大学太阳能系统研究所所长沈辉教授应邀在会上作《光伏的过去、现在与未来》主旨报告。

沈辉教授主要观点认为:

*中国有上万年灿若繁星的太阳文化,使得中国对太阳能产业情有独钟。中国古代也是有科学的,但是并没有形成系统,只是注重了技术的传承。

*光伏产业的科学理论、技术装备源于西方,但是,中国的优秀企业家消化国外的先进技术,推动了中国光伏发展步伐领先全球。

*目前半导体材料技术、晶体硅生产工艺基本原理很难被颠覆,万变不离其宗。异质结等新型硅基太阳电池有更大的发展空间,也是中山大学太阳能系统研究所团队主要的研究方向。

*光伏和建筑融合应该更加美观、更有设计感,使每个建筑都有灵魂和生命,这是很大的一个市场。与高速公路及高铁结合的光伏交通长廊、太空发电应该引起更大的重视。

以下为现场速记内容:

光伏对我们来说不是一个产业,或者不仅仅是一个产业,光伏对我们来说就是一个伟大的事业。光伏产业它的周期有多长?只要我们人类还在,地球还在,太阳还在,太阳能光伏这个产业就会持续到那个时间,我们人类一生下来就会看到太阳。
主要是谈几个方面,过去谈什么,我谈文化;现在讲科学发现与技术进步,未来,我会谈一下我的感想。

过去,三天三夜谈不完,我写了一本《我心中的太阳》,这本书基于神话、科学、文化、佛学、艺术、哲学于一体歌颂太阳。两个“太阳”,一个是物质的太阳,另外一个更重要的是在我心里面的精神的太阳。为什么我们中国太阳能产业这么情有独钟?中国人有灿烂的太阳文化,有八千年、上万年的太阳文化,你们想跟我们在光伏上一争高低,没门。

从神话开始,盘古开天地,最后他浑身都变成了山河,左眼变成太阳,右眼变成月亮,这是最早的太阳和月亮的来源。伏羲和女娲,伏羲手举太阳,女娲手举月亮。然后“太极生两翼”,日经就是太阳的规律。中国有三大奇书,《皇帝内经》、《山海经》、《易经》,到现在也不知道谁写的,哪个年代写的,都是和太阳相关的。三皇五帝,有一个夫人生了十个太阳,还有一个夫人生了十二个月亮,大家看来《山海经》是杜撰的,但是今天来看是对的,所讲的在三星堆都找到原形,说明古代文化是相辅相成的。

另外一个是《诗经》里面早就发现日食的记录,很多学者说中国没有科学,我反对。中国古代是有科学的,但是我们没有形成系统,我们只是注重了技术的传承,没有把科学展示出来。《诗经》里面就有最早的日食记录,在尚书里面。

《山海经》里面的“下有汤谷,汤谷上有扶桑”,就是大树,上面有10个太阳。每天早上一个太阳轮流工作。10个太阳晚上洗澡沐浴,所以大家看到每天早上太阳都是干干净净的。所以九日居下枝,一日居上枝,上面就是10个鸟,10个太阳,有6棵,现在两棵恢复原处进行展出,这是和《山海经》对应起来,这是有缘由的。

成都是非常有文化的城市,挖出来的太阳神,中间就是太阳化作12道光芒,外面4只鸟。这是古代的背着太阳,然后象征着东西南北也象征着春夏秋冬。成都的天府广场就是太极,现在很多人讲长江文明说不定比黄河文明更古老。

这次的马王堆我等了两年,去年才开放。所有马王堆的遗物全部搬到湖南博物馆了,那里面展出它的T形帛画,照得不清楚由电脑展析,有天上的,有地界的,天上的就有太阳,太阳里面也有一只鸟,这在《山海经》、《淮南子》里面都是对应的。

在广东肇庆,有一个睡佛,每到3月份、9月份太阳栩栩下落像落到睡佛口中,这就是卧湖吞丹自然景观,这是非常奇妙的景观。

颐和园17孔桥,每到冬至前后,太阳会照到每一个桥孔,好像桥发出灯光一样的,然后介绍说是古人无意而为,可能是碰巧了。但是我想它低估了古人的智慧,也许人家专门设计的也有可能。英国的那个巨石阵,太阳冬至穿过一个桥洞,就是一个天文台。还有少数民族地区新疆,也有非常有名的八卦,八卦怎么来的?都是从伏羲的阴阳开始的,和天下都是有关系的。

云南楚雄太阳历文化公园,彝族以火为图腾,有射日射月的神话人物支格阿龙,一直使用一年十个月的太阳历法。

说没有科学,这就是最大的科学。二十四节气就是太阳和地球之间每15度就是一个节气,这是太阳光中度的不同,强度、投影、角度不同造成了我们地球上多种的环境,多种的生态,这就是我们古代一个伟大的发明,这就是科学的知识。还有,我们最早的祭祀日轨,这是皇家才有可以宣布这个时间,大家到太和殿、乾清宫都有日轨,这是赤道式的日轨,这也是太阳记时的一个印记。

另外还有一个神奇的是阳燧,我们在秦朝的时候大量用青铜,对着太阳8厘米的直径,如果有太阳直照瞬间把火点起来,我现在就做这样一些东西,瞬间就可以把烟和树叶点燃,这就非常神奇的,我们不仅仅是有文化、有传说还有过硬的技术。
我们是搞太阳能的,应该说我们这个事业是有深厚的文化底蕴的。我收集了很多,光古书就相当于一百本,包括楚辞里面的大量跟这个相关的,我收集了非常多。

下面讲讲现在,这一点我想我们现代科学就是太阳的科技是从西方开始的,这是没有疑问的,首先是贝克勒尔19岁的时候做电化学实验,就发现了光电流现象,然后就是德国的赫兹做无线电发现了光电效应。我们搞太阳电池是跟爱因斯坦有巨大关系的,因为爱因斯坦给了光子的概念,爱因斯坦建立了光电效应方程。后来,贝尔实验室三位科学家建立太阳能电池理论,首先太阳电池先是解决地面的电话机用电,后来一看天上更管用,这就是美国光伏大会的大奖“威廉奖”的来源,是威廉先把太阳能电池用于卫星上面的。

这是有一系列科学的基础,非常遗憾三位没有拿到诺贝尔奖,我有三位采访的讲话,特别是左边的这位他还讲,他做太阳电池时没想到用到卫星,他那个时候1954、1955年根本没有卫星,所以太阳能电池最大的贡献就是“天上人间”,如果没有太阳能电池就没有今天的科技和太空技术,现在在地面上发挥了作用。

我总结中国光伏是三部曲:首先晶体硅组件,通过尚德、天合等一批企业做到世界第一,另外是赛维、晶龙硅片的做到第一。最难的就是多晶硅,2001年我跑四川的739,当时9台炉子,每年只有20吨。最后,保利协鑫啃下了这个硬骨头,再加上装备,我们产业链打通了,这四部曲,中国都是霸主。第五部曲就是有没有颠覆性的技术,如果颠覆性的技术出来了,我们会措手不及,但是我是学半导体的,我是普利斯顿材料专业的,我还是相信硅,取代硅片不容易的,除非半导体颠覆。

这个就是一个Peter F.Varadi,它建立第一个太阳能电池厂是给地面用的,这是第一家太阳能电池厂,《太阳升过地平线》这个书写了两个“中国奇迹”,这是他先写的。

下面我说一下关于基本思路,我认为新型硅基太阳电池是有大量的发展空间,包括异质结。

我们的团队就是研究新型技术,到今天,毫不疑问地讲我们中国的光伏是霸主,但是任何一个装备、任何一个现象都是西方人发现的,我们的科学家没有贡献太多的力量,主要是企业家消化国外的先进技术站起来的,这对搞科研的人是非常大的压力。

下一步该怎样做,这么多年我们坚持硅片是基础,在硅片上面我们要找别的材料来做成异质结的材料,没有扩散过程,PVD的方法,就是环保的方法做,我们主要是硫化物、氧化物系列和金属、氧化物、金属多层膜系列。

如果公布的话,我们有6项都是世界纪录,但是还未得到大家的认可,都是在实验阶段。

比如说硫化铟这个系列我们是做得最高的,硅片上面镀两个膜,一下就出来了。我们内部都在抓紧,另外还有多层膜的技术,这个概念是我们现在文章也提出来的,我们也做到了20%多的效率。

用金属膜的,我们做到22%的效率,但是这个是没拿到产权,我们现在知识专利,文章已经出来,但是我们自主开发、自主知识产权、包括专利、国际专利我们都申报过了。

最后讲讲光伏发展的最高境界。原理我认为很难突破,光伏效应。什么叫光伏效应?没有严格的物理学定义,实际上光伏效应是在液体里面,电化学发现的,但是和我们现在是半导体里面产生光分载离子,光合作用也可以做的,但是效率极低。我想半导体材料大概很难颠覆,生产工艺,将来热扩散、离子注入,会不会由CVD、PVD物理沉积来代替。一般的物理镀膜,大规模的生产包括幕墙玻璃这样的,这是非常低廉价的。另外是异质结、光谱转换效率方面,从转换效率单结30%,多结50%聚光,现在最高46%。

太阳电池发电分很多的步骤,电子空芯怎样走,什么扩散程度等都是有关联的,还有光谱,根据你的进站宽度哪个地方最适合,最后哪块面积最大,从理论上哪个地方是光谱利用率最高的,跟它的波长、频率和分布匹配。万变不离其宗。

当然光伏建筑现在太便宜了,一砖一瓦做成建筑材料就是巨大的市场。做薄膜有它的优点和特点,但是晶硅同样可以做成光伏瓦、光伏幕墙一样地漂亮,像低碳建筑。另外在汽车上、邮船上,最高的境界就是太空发电,那么我想建筑方面我不去多说。

光伏跟建筑融体,每个建筑都有了灵魂和生命,每天早上太阳升起和落下都和太阳一起对话,太阳从此有了灵性。但是这个一定要有机地打造,让建筑学家首肯,不要盖上去以后很难看,像补上一个补丁。一个建筑没有太阳能就是丑陋的建筑,一定是要集成到这样的水平,所以建筑是非常根本的方向,老城区改造等,这都是成片的,完全可以用晶硅做成建筑材料,开创我们的建筑系列,这是非常大的产业开发,中国的别墅十个有一个用就不得了,这是多大的市场。

另外非常遗憾,我们是光伏大国,我们遍地都是太阳电池,能拿出好看的基本上没有,苏州是非常有文化的,在苏州的太湖边上,苏州的景区能否光伏搞几个像样和标志性的项目,震撼性的项目,像日本就有,你看小小的电池做得多漂亮。我们要有宣传的力量,光伏是很神奇的,政府要在景区高科技地做出来,这在现在没有这样的东西,非常可惜。所以希望协鑫能够带头能够把这个东西弄出来。

另外在船上面,可以把太阳能电池集成,包括飞机上的,动力2号在南京作宣传时,我也是配合给它做报告的。说不定过几年太阳飞机就可以商用化了,所以在这方面我们要有所准备和积极靠拢。

我认为我们有两个重要的市场没有引起重视,通过协鑫等领军企业,能否向政府提出来,就是光伏交通长廊,在所有的高铁、高速公路边上建起来,这完全是有100个GW和上千个GW的容量,不占地方,而且隔音、隔栏,这也是交通配套的,这个将来是了不起的,我们在江苏省能否将它做成重大的工程将它做起来。还有是太空发电,因为我们左右不了,国家已经在重庆做前期研究了,那我们晶硅该怎样配合,所以全部用砷化镓是不可信的,太空电站肯定是晶硅首当其冲。为什么我们是做P型硅的,P型硅就是天上用的,包括半导体都做了详细的实验,这里面我们能否在南海建立空间电站,现在大家在争议南海那么大广的地方,我们做微波接收站,全部利用起来,然后向珠三角、长三角供电。

因为日本2030、2040年就要实现了,2003年我见到一个日本的专家,他将近70岁了,他说他在造空间电站,我说什么时间实现?他说2030年。

在高速公路上可以做得非常漂亮,我们可以把这个变成重大的专项。你看铁路的隧道上全是太阳能电池,这是第一辆太阳电池直接驱动高速列车的,比利时的,当时作为一个亮点,我们高铁做起来就不怕大雪,这是多大的工程,光伏交通长城就可以100个GW、200个GW。还有一个是美国人提出来的,日本人和美国人已经做了前期的工作了,太空的原理不说了,就是微波方面。如果是太空间站24小时满负荷发电,就不存在说不稳定了,就是连续发电的。那我想这个能不能实现我们在3.6万公里的高度,当然还有人提出来在月球上,但是太远了。

这个日本已经在做了,大概在2030年在东京直接供电,大家也知道中国已经开始了,在重庆已经设点,开始做前期微波,先做一个小范围的比如说几百米高度的微波发射,微波接受发电。当然如果能够终端解决太阳,能够一劳永逸地解决能源问题,将来到外星球生活,也是靠太阳。有时候我想我们生太早了,再过一百年说不定我们在火星上了,可能一百年以后、两百年以后更加精彩,我们真的可以做梦想一想了。

我们要坚定不移地做这一伟大事业,谢谢!
 

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