在2016年末，國際能源署（IEA）報告稱，光伏發電市場在2016年中增長了四分之一，而中國生產了40％的世界太陽能電池面板，是美國的兩倍。同時，在2015年中國成為全球最大太陽能裝機市場。

說到光伏產業，很多人都認為這是“高汙染、高能耗”的產業，說光伏發電成本太高得不償失，沒有政府扶持立馬玩完。

那麼，究竟光伏發電能脫離政府補貼實現商業化運轉呢？中國光伏產業是怎麼崛起的？又有哪些關鍵技術呢？

（一）光伏電價有望與煤電齊平？尚需時日

早在1839年，法國科學家貝克勒爾就發現光照能使半導體材料的不同部位之間產生電位差。這種現象後來被稱為“光生伏打效應”，簡稱“光伏效應”。然而，第一個實用單晶硅光伏電池直到1954年才在美國貝爾實驗室研製成功，從此誕生了太陽能轉換為電能的實用光伏發電技術。

上世紀60年代伊始，光伏發電和太陽能電池在美蘇太空競爭中發揮了重要作用，成為衛星等航天器的重要能源。90年代開始，中國開始大力發展光伏產業。

而且隨著技術的進步，能耗也在下降，就以能耗最大的提純高純硅料和鑄錠來舉例，以前生產一公斤硅料要用電200度，現在降到60度左右；五年前用的爐子來鑄錠，一次100公斤，每公斤用電20度，現在的爐子更大也更先進，一次800公斤，每公斤用電6度......

現在的新疆、甘肅的光伏電價成本已經低於天然氣電站了，在2-3年後，光伏電價有望跟煤電平齊。

光伏發電有望成為世界是最廉價的清潔電力來源，不過，降低成本、回收成本還需要一個過程，光伏發電的電價要與煤電持平，尚需時日。

（二）那麼，光伏究竟怎麼來發電？

硅基光伏發電，簡單說就是構建了一個N型半導體和P型半導體——PN結，中間形成了一個W區，而且P區的洞穴和N區的電子向對方擴散形成了自建電場Ei。空穴又叫電洞，在固體物理學中是指共價鍵上流失一個電子，最後在共價鍵上留下了空位，你可以理解為“帶正電”。

（光電效應示意圖）

這個W區可以調節電勢平衡、阻止剛剛說的擴散，同時又能吸引P區的電子和N區的洞穴，這時候帶有電荷的物質微粒比較少，很難形成電流輸出電能。但是當光照射到PN結時，光子與電子碰撞，就會加速上述的“吸引”過程，形成與內建電場Ei方向相反的光生電場Eph。

既然方向相反，那麼這個光生電場一部分用來抵消內建電場，同時呢，也會在N區和P區之間的薄層產生光生電動勢差，再通過連通外部電路，自然就產生了電流，輸出電能。將眾多這樣小的太陽能光伏電池單元組合在一起構成光伏陣列，就會在太陽能作用下輸出一定電壓和電流電能。

（三）發展光伏產業，首先要攻克太陽能電池的難關

太陽能光伏發電顯然是將太陽能轉化成電能了，它是利用太陽能電池的光生伏打效應，直接把太陽輻射能，包括直接輻射、散射輻射、反射輻射等，轉化為電能。

那麼，要發展光伏產業，就必須能製造太陽能電池，而太陽電池可以分為薄膜太陽能電池和晶體硅太陽能電池兩種，目前市場上的主流是晶體硅太陽能電池，90%的市場份額都是晶體硅太陽能電池佔據。所以，要發展光伏產業，首先要解決的是製造晶體硅太陽能電池。

125單晶硅 太陽能電池片

首先，要進行粗硅提煉。

由於粗硅的提純類似於鍊鋼，是用焦煤還原石英砂，其化學反應方程式為：SiO2 + C = Si + CO2。這個過程雖然會有一定汙染，但由於化學反應的產物是二氧化碳，對環境造成的汙染也不至於像媒體炒作的那麼嚇人。

其次，是製造晶體硅。

在獲得粗硅後要進行提純，一般採用改良西門子法，或者採用國內自主研發的GCL法。GCL法是改良西門子法的進一步改進，主幹工藝流程是基於改良西門子法的，但在一些關鍵環節進行了重新設計，相對於改良西門子法顯著降低了單位能耗，這樣一來，進一步削減了成本。

在通過上述兩種方法制取高純硅料後——通常純度在99.9999%以上（6個9）。如果將高純硅料熔化後直接澆鑄成立方硅錠，就得到了多晶硅。如果將高純熔化後通過提拉法獲得單晶，就得到了單晶硅。

目前，由硅料澆鑄成多晶硅錠，每公斤約需要消耗6度電；由硅料提拉成單晶硅，每公斤維需要消耗30度電。

也就是說，多晶硅材料的成本低於單晶硅材料。不過從性能角度看，因為單晶硅的內部缺陷較少，單晶硅太陽能電池的光電轉化效率高於多晶硅太陽能電池，通常高兩個百分點左右。性能好的成本高，不過兩者都可以用於製造晶體硅太陽能電池。

（四）光伏發電是綠色能源，那汙染源自哪裡？

雖然光伏發電本身屬於綠色能源，但硅基太陽能電池生產的能耗需要相對於全壽命期發電量具有顯著效益，才能達到光伏發電的初衷，而中國在政府扶持下的長期光伏產業投入，通過規模效益降低成本和製造能耗，才讓相關的效益得以產生。

再次，是降低對環境的汙染。在多晶硅的生產過程中，往往要以氯化氫和冶金級工業硅為原料，製取三氯氫硅，再利用三氯氫硅進行氫還原，生產出多晶硅。因而會產生大量四氯化硅等有毒有害物質。

以前由於控制不好，容易有四氯化硅洩漏，由於四氯化硅毒性比較大，會導致較嚴重的後果。而要應對四氯化硅洩漏，辦法是實現閉環生產。同時，先以四氯化硅一部分加氫形成TCS繼續循環反應，剩下的有毒有害物質通過鹼液中和，或者利用四氯化硅生產其他化學品。

（五）產自西北戈壁荒漠的電要怎麼“送出去”？

光伏併網發電原理圖

最後，是光伏發電的儲能和輸送。在太陽能電池將太陽輻射的能量轉變為電能之後，要做的就是將電能存儲和輸送出去。畢竟中國最適合部署光伏發電的是西北的戈壁荒漠地區，而當地地廣人稀，對能源的消耗非常少，而長三角、珠三角等經濟發達地區對能源消耗大，但這些經濟發達地區寸土寸金，而且氣候和地理條件的限制也不適合大規模部署光伏電站。這時候就需要超高壓輸電技術。

（六）這要是陰天了，光伏發電還能進行嗎？

光伏發電實際應用中非常挑戰的問題就在於併網，光伏發電受天氣因素影響較大，對於電網的系統不穩定，尤其是規模較小的光伏發電，不能滿足當地全部電力需求。由於光伏發電儲能的技術障礙以及發電功率的波動，用戶必須接入傳統電網，因此用戶需要承擔的是光伏發電和傳統電網接入的雙重費用。

而工業用戶對用電穩定有極高的要求，因此傳統電網的容量依然必須覆蓋全部用電需求，以保障任何極端情況下的用電需求，這更造成了光伏發電並不能減輕傳統電網建設需求。所以，需要運用智能電網（Smart Grid）管理算法進行電力調度，才能顯著讓光伏發電產生效益和減輕傳統電網建設需求。

太陽能電池方陣

（七）中國青海龍羊峽壩光伏電站

今年年初，美國NASA曾披露過通過衛星觀測對比了中國青海龍羊峽壩光伏電站從2013年4月16日至2017年1月5日的建設對比。

2013年4月16日衛星圖

2017年1月5日衛星圖

龍羊峽壩光伏電站與相鄰的龍羊峽水電站正好組成了“水光互補”的發電系統，並且集中建設便於發電精準預測以及併網管理。中國的光伏發電預測技術採用了綜合算法，包含歷史統計分析、人工智能判斷、氣象站/衛星觀測數據鏈等內容。

太陽能清潔機器人

中國光伏產業，涉及到硅基光伏、有機半導體、智能電網、天氣預測、信號處理算法、超級計算機等各項技術，不過要想使光伏發電成為家家戶戶的標配“電器”，恐怕尚需時日。