2022年8月16日，在由AspenCore主辦的《2022國(guó)際“碳中和”電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇》上，中國(guó)科學(xué)院院士半導(dǎo)體物理和器件專家褚君浩表示，未來50年內(nèi)人類將面臨的十個(gè)難題中，能源和環(huán)境將是需要被重視主要難題，他針對(duì)“碳中和”目標(biāo)下低碳技術(shù)的發(fā)展機(jī)遇做了分享。oAAesmc

地球正面臨嚴(yán)峻的環(huán)境問題

20世紀(jì)以來，受全球人口增加和現(xiàn)代化工業(yè)的影響，大氣中的二氧化碳（CO₂）濃度顯著增加。CO₂是造成溫室效應(yīng)的主要?dú)怏w，全球氣溫的升高導(dǎo)致南北極圈冰蓋消融。隨著北冰洋的冰加速消融，北極熊在夏天狩獵困難，科研人員發(fā)現(xiàn)，大熊吃小熊的情況也有增多。oAAesmc

一直到1996年，人類才開始重視氣候變化問題，那時(shí)生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)：此前在南方棲息的一種斑蝶，到1996年被發(fā)現(xiàn)棲息地已經(jīng)北移；2021年8月，科研人員在北京發(fā)現(xiàn)了一種一直生在南方的尖冒草。oAAesmc

據(jù)媒體報(bào)道，格陵蘭島今夏最高溫度超過了15℃。如果北極圈內(nèi)格陵蘭島的冰蓋全部融化，全球海平面將上升7.2米，南京和上海等沿海城市會(huì)在海平線下，山東省也將被海水分隔成兩個(gè)島嶼。另外，南美洲安第斯山麓地區(qū)的冰川也在加速融化，這些訊息在警示人類——全球氣候變化和環(huán)境問題已經(jīng)迫在眉睫。oAAesmc

真鍋淑郎(Syukuro Manabe)、克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）、喬治·帕里西（Giorgio Parisi）三位科學(xué)家指出，全球變暖能給可靠預(yù)測(cè)。地球氣候是一個(gè)對(duì)人類至關(guān)重要的復(fù)雜系統(tǒng)，他們解釋清楚了“大氣中二氧化碳含量的增加，如何導(dǎo)致地球表面溫度升高？地球氣候要如何變化？人類有會(huì)如何影響它？”的問題。因此，他們?cè)?021年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。oAAesmc

發(fā)展低碳技術(shù)，實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，有助于解決能源環(huán)境問題。低碳技術(shù)主要包括三個(gè)方面——oAAesmc

• 第一，減碳技術(shù)：包括節(jié)能減排，LED照明，煤的清潔高效利用、油氣資源和煤層氣的勘探開發(fā)技術(shù)等。
• 第二，無(wú)碳技術(shù)：包括核能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等，可再生能源技術(shù)?？稍偕茉丛谑褂脮r(shí)無(wú)碳排放，但在制造過程中有碳排放，其回收期一般是一年半到兩年。
• 第三，去碳技術(shù)：如CO₂捕獲與埋存。

太陽(yáng)能利用技術(shù)商業(yè)化進(jìn)展迅速

在低碳技術(shù)中，太陽(yáng)能利用技術(shù)非常重要。人類所使用的能源大致有兩種形式，第一種是太陽(yáng)輻射的能量，簡(jiǎn)稱太陽(yáng)能。其中包括了太陽(yáng)能、生物能、煤、石油、天然氣、水能、風(fēng)能等。第二種是來自地球內(nèi)部的能源，包括地?zé)帷⒑四艿取?span style="display:none">oAAesmc

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研究者們預(yù)測(cè)，太陽(yáng)能資源接近無(wú)窮大，而全球石油資源總儲(chǔ)量還能供人類使用約45年，天然氣資源總儲(chǔ)量還能供人類使用61年左右，煤資源總儲(chǔ)量還能供人類使用216年左右，鈾資源總儲(chǔ)量還能供人類使用約71年。這組數(shù)據(jù)突出了人類發(fā)展太陽(yáng)能技術(shù)的必要性。oAAesmc

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目前，全球六大洲均分布了太陽(yáng)能資源，其中中國(guó)地區(qū)有3-5個(gè)太陽(yáng)能資源。理論上，利用部分荒漠地區(qū)太陽(yáng)能可解決全國(guó)能源需求。oAAesmc

此前，有業(yè)者統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2007年消耗能源26.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，而我國(guó)西部于華北北部年輻射能約達(dá)0.2噸標(biāo)準(zhǔn)煤/平方米。如果裝載10%轉(zhuǎn)化率的太陽(yáng)能電池，則只需將13萬(wàn)平方公里土地的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化，就能滿足全國(guó)2007年全年的能源需求。oAAesmc

圍繞太陽(yáng)能方面的發(fā)展主要有三個(gè)方面：oAAesmc

• 1、發(fā)展太陽(yáng)能技術(shù)：光伏、光熱、光化學(xué)、光生物學(xué)，這實(shí)際上離不開電子設(shè)備；
• 2、發(fā)展智能化分布式能源系統(tǒng)和能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；
• 3、因地制宜推廣太陽(yáng)能技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

光打到半導(dǎo)體里激發(fā)出電子空穴對(duì)，如果電子材料做的非常好，缺陷很少、遷移率大、壽命長(zhǎng)，就有可能跑到Pn結(jié)里面去，然后把空穴推到電極，這是光電轉(zhuǎn)化的過程。這涉及到電池結(jié)構(gòu)、內(nèi)建電場(chǎng)、能帶排列、表面界面；材料特性、雜質(zhì)缺陷、光生載流子的激發(fā)、輸送、載流子遷移率、壽命、擴(kuò)散長(zhǎng)度；設(shè)備工藝、材料生長(zhǎng)和特性、器件結(jié)構(gòu)制備和功能等諸多科學(xué)問題。oAAesmc

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生產(chǎn)一顆高效率的太陽(yáng)能電池要有很多設(shè)計(jì)、精密的設(shè)計(jì)和考慮，涉及到物理學(xué)、材料學(xué)以及基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究，具有效率、成本、壽命、柔性等方面的挑戰(zhàn)。oAAesmc

太陽(yáng)能電池技術(shù)經(jīng)歷了三代：第一代光伏電池（硅基電池）主要有單晶硅、多晶硅電池；第二代光伏電池（薄膜電池，具備低成本的特點(diǎn)）主要有非晶硅、砷化鎵、碲化鎘、銅銦鎵硒等；第三代光伏電池（薄膜電池為主，具備高效率、低成本的特點(diǎn)），包括寬光譜疊層多結(jié)、染料敏化、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、量子點(diǎn)/納米、有機(jī)電池等多種新概念電池。oAAesmc

·鈣鈦礦電池有較好的發(fā)展前景

在褚君浩看來，這三代電池之間是互補(bǔ)的關(guān)系。最近硅基鈣鈦礦電池得到業(yè)內(nèi)的重視，這是非常有前景的一類太陽(yáng)能電池技術(shù)。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池中的鈣鈦礦材料吸收系數(shù)較高，同時(shí)光伏也較契合太陽(yáng)能的吸收。oAAesmc

2018年9月《科學(xué)》（Science）刊發(fā)了華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心韓宏偉教授團(tuán)隊(duì)合作論文“鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化的挑戰(zhàn)”。該團(tuán)隊(duì)所專注的可印刷鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，基于絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備，采用廉價(jià)的碳材料替代傳統(tǒng)的貴金屬作為電極材料，因此具有易于擴(kuò)大化生產(chǎn)及有望實(shí)現(xiàn)廉價(jià)太陽(yáng)能發(fā)電的技術(shù)特點(diǎn)。oAAesmc

韓宏偉創(chuàng)立的湖北萬(wàn)度光能有限責(zé)任公司承接了華中科技大學(xué)p-MPSC項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了3600 cm²模組、集成了110m²示范性實(shí)驗(yàn)電站，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定發(fā)電，完成了器件及材料中試，2200 cm²公證效率14.9%，正在開展200MW p-MPSC大試線建設(shè)。該可印刷鈣鈦礦太陽(yáng)能電池示范系統(tǒng)，充分展示出該項(xiàng)技術(shù)良好的應(yīng)用前景。oAAesmc

最近，南京大學(xué)譚海仁教授也在發(fā)力全鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化。譚海仁團(tuán)隊(duì)運(yùn)用涂布印刷、真空沉積等量產(chǎn)化技術(shù)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了全鈣鈦礦疊層光伏組件的制備，開辟了大面積鈣鈦礦疊層電池的量產(chǎn)化、商業(yè)化的全新路徑。經(jīng)國(guó)際權(quán)威第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)認(rèn)證，大面積組件穩(wěn)態(tài)輸出效率高達(dá)21.7%。oAAesmc

鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)能電池的前景也非常大。由于鈣鈦礦和硅具有不同的帶隙，為了充分利用太陽(yáng)光譜，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池可作為頂電池與硅電池形成疊層太陽(yáng)能電池，即鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)能電池。這種鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)能電池既拓寬了電池的光譜響應(yīng)范圍，提高了太陽(yáng)能電池效率，又降低了制備成本。oAAesmc

鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽(yáng)能電池的發(fā)展也比較快。銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽(yáng)能電池，因其具有光吸收系數(shù)高、禁帶寬度可調(diào)、弱光性好和轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池可以制備在柔性襯底上。鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽(yáng)能電池可以在提高銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池效率的同時(shí)，繼續(xù)保持其在柔性/曲面器件上應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。oAAesmc

多結(jié)電池和聚光光伏電池的發(fā)展也很快。多結(jié)電池的目標(biāo)是30%左右的效率，它實(shí)際上就是三個(gè)Pn結(jié)，每個(gè)Pn結(jié)響應(yīng)一個(gè)波段，把太陽(yáng)波譜全部變化為電，但該類電池的成本比較高，所以目前主要以表面聚光的方式來節(jié)省成本。以砷化鎵多結(jié)電池為代筆，其電池效率達(dá)到36%，未來效率有望達(dá)到40%，其柔性制造成本低，但整體電池成本高，目前無(wú)人區(qū)應(yīng)用較多。oAAesmc

現(xiàn)在，全世界正掀起探索高效率、低成本太陽(yáng)能技術(shù)熱潮，未來究竟哪一種太陽(yáng)能電池會(huì)成為主流？主要看成本效率和壽命。就目前來看硅基仍是主流。oAAesmc

·分布式能源系統(tǒng)和能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

智能化分布式能源系統(tǒng)，大規(guī)模間歇式電源并網(wǎng)技術(shù)、大規(guī)模多能互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)、大容量快速儲(chǔ)能技術(shù)/裝置，都是能源利用方式發(fā)展根本的變革。oAAesmc

美國(guó)科學(xué)家杰里米·里夫在他的《第三次工業(yè)革命》一書中把“能源互聯(lián)網(wǎng)”看成新經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的五大支柱之一。能源互聯(lián)網(wǎng)就是分布式、小型化、智能化、低成本化、安全、可靠、魯棒；開放平臺(tái)；用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)。oAAesmc

能夠讓億人在自己家中、辦公室和工廠生產(chǎn)綠色可再生能源。可以將這些能源進(jìn)行存儲(chǔ)，并用綠色電力為樓房、機(jī)器和汽車供電。多余的電力可以于他人分享，就像現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上分享信息一樣。將來能源互聯(lián)網(wǎng)和信息互聯(lián)網(wǎng)是對(duì)應(yīng)的，將來是非常大的產(chǎn)業(yè)。能源互聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)方向的核心產(chǎn)品為能源路由器，其相關(guān)的重大突破性技術(shù)，能源路由器關(guān)鍵技術(shù)。oAAesmc

光伏發(fā)電助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)

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全球光伏裝機(jī)容量在2019年是627GW，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到1722GW。其中，2019年中國(guó)光伏裝機(jī)容量達(dá)210GW以上，發(fā)電量為2243億度/年，到2020年中國(guó)光伏裝機(jī)量容量為253GW以上，發(fā)電量達(dá)3000億度/年以上，相當(dāng)于近三個(gè)三峽水電站的年發(fā)電量。oAAesmc

歐盟提出到2050年，100%使用可再生能源，美國(guó)則和中國(guó)則是80%。一次能源中，可再生能源占比約80%，到2050年可再生能源在總發(fā)電中的占比達(dá)86%，其中風(fēng)電約占總發(fā)電的三分之一，光伏發(fā)電占總發(fā)電的25%。oAAesmc

通過將碳達(dá)峰、碳中和納入到生態(tài)文明建設(shè)整體布局，希望通過碳中和、碳達(dá)峰技術(shù)讓建筑交通工業(yè)領(lǐng)域的碳排放分別減少25%、54%、16%，總碳減排量超過60%。同時(shí)，政府各部門的相關(guān)政策、綱要的發(fā)布也在積極推動(dòng)以上目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)： “十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要指出，大力提升風(fēng)電、光伏發(fā)電規(guī)模。五部委聯(lián)合發(fā)文表示，要加大金融支持力度，促進(jìn)光伏海淀等行業(yè)健康有序發(fā)展；國(guó)家發(fā)改委指出，要進(jìn)一步擴(kuò)大可再生能源裝機(jī)規(guī)模……oAAesmc

總之，在“3060”雙碳目標(biāo)下，電源結(jié)構(gòu)加快向情節(jié)低碳轉(zhuǎn)型。2021年，風(fēng)電、光伏發(fā)電量占全社會(huì)用電比重達(dá)11%左右，到2030年我國(guó)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)量將達(dá)12億千瓦以上。oAAesmc

在以上目標(biāo)的推動(dòng)下，“光伏+”產(chǎn)業(yè)將有較好的發(fā)展前景。oAAesmc

• 光伏+制氫行業(yè)，因太陽(yáng)能制氫實(shí)現(xiàn)了清潔能源生產(chǎn)清潔能源，能有效解決光伏發(fā)電消納問題；
• 光伏+5G通信行業(yè)，5G基站大部分需要新報(bào)裝電，設(shè)備功耗大，耗電量大，光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠有效降低企業(yè)電力成本，在5G領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿薮螅?/li>
• 光伏+新能源汽車行業(yè)，隨著新能源汽車進(jìn)一步普及，帶動(dòng)光伏充電樁建設(shè)業(yè)務(wù)逐漸擴(kuò)大；
• 光伏+建筑行業(yè)，按方式可分為BAPV (光伏與建筑簡(jiǎn)單組合連接，分布式的主體)和BIPV(光伏建筑一體化，或光電建筑)，在安全性、觀賞性、便捷性和經(jīng)濟(jì)性方面都具備一定優(yōu)勢(shì)。

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再觀察全球光伏企業(yè)排名，據(jù)365光伏發(fā)布的“2020年全球光伏企業(yè)20強(qiáng)排名”顯示：隆基、協(xié)鑫、晶科、天合光能、阿斯特，F(xiàn)IRST SLOAR,INC.、Hanwha Q CELLS、晶澳、通威、天津中環(huán)半導(dǎo)體進(jìn)入前十。中國(guó)企業(yè)占據(jù)榜單前五強(qiáng)。在TOP10中，中國(guó)企業(yè)占了8個(gè)席位。oAAesmc

從區(qū)域來看，我國(guó)光伏企業(yè)主要分布在華東地區(qū)，其中，江蘇省和浙江省是我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)完備程度最高、產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大、企業(yè)集聚度最高的省份。近年來，受生產(chǎn)成本和資源優(yōu)勢(shì)的影響，光伏企業(yè)生產(chǎn)基地向西部地區(qū)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)明顯。oAAesmc