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碳中和目标下,低碳技术的商业化进程如何?

“如果北极圈内格陵兰岛的冰盖全部融化,全球海平面将上升超过7米,南京和上海等沿海城市会在海平线下,山东省也将被海水分隔成两个岛屿。”在这样的危机下,大家开始聚焦低碳技术,力图通过对绿色、环保的追求,来缓和地球环境问题。而当前低碳技术的商业化进程到了什么地步?

2022年8月16日,在由AspenCore主办的《2022国际“碳中和”电子产业发展高峰论坛》上,中国科学院院士半导体物理和器件专家褚君浩表示,未来50年内人类将面临的十个难题中,能源和环境将是需要被重视主要难题,他针对“碳中和”目标下低碳技术的发展机遇做了分享。6C9esmc

地球正面临严峻的环境问题

20世纪以来,受全球人口增加和现代化工业的影响,大气中的二氧化碳(CO2)浓度显著增加。CO2是造成温室效应的主要气体,全球气温的升高导致南北极圈冰盖消融。随着北冰洋的冰加速消融,北极熊在夏天狩猎困难,科研人员发现,大熊吃小熊的情况也有增多。6C9esmc

一直到1996年,人类才开始重视气候变化问题,那时生物学家发现:此前在南方栖息的一种斑蝶,到1996年被发现栖息地已经北移;2021年8月,科研人员在北京发现了一种一直生在南方的尖冒草。6C9esmc

据媒体报道,格陵兰岛今夏最高温度超过了15℃。如果北极圈内格陵兰岛的冰盖全部融化,全球海平面将上升7.2米,南京和上海等沿海城市会在海平线下,山东省也将被海水分隔成两个岛屿。另外,南美洲安第斯山麓地区的冰川也在加速融化,这些讯息在警示人类——全球气候变化和环境问题已经迫在眉睫。6C9esmc

真锅淑郎(Syukuro Manabe)、克劳斯·哈塞尔曼(Klaus Hasselmann)、乔治·帕里西(Giorgio Parisi)三位科学家指出,全球变暖能给可靠预测。地球气候是一个对人类至关重要的复杂系统,他们解释清楚了“大气中二氧化碳含量的增加,如何导致地球表面温度升高?地球气候要如何变化?人类有会如何影响它?”的问题。因此,他们在2021年获得了诺贝尔物理学奖。6C9esmc

发展低碳技术,实现双碳目标,有助于解决能源环境问题。低碳技术主要包括三个方面——6C9esmc

  • 第一,减碳技术:包括节能减排,LED照明,煤的清洁高效利用、油气资源和煤层气的勘探开发技术等。
  • 第二,无碳技术:包括核能、太阳能、风能、生物质能等,可再生能源技术。可再生能源在使用时无碳排放,但在制造过程中有碳排放,其回收期一般是一年半到两年。
  • 第三,去碳技术:如CO2捕获与埋存。

太阳能利用技术商业化进展迅速

在低碳技术中,太阳能利用技术非常重要。人类所使用的能源大致有两种形式,第一种是太阳辐射的能量,简称太阳能。其中包括了太阳能、生物能、煤、石油、天然气、水能、风能等。第二种是来自地球内部的能源,包括地热、核能等。6C9esmc

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研究者们预测,太阳能资源接近无穷大,而全球石油资源总储量还能供人类使用约45年,天然气资源总储量还能供人类使用61年左右,煤资源总储量还能供人类使用216年左右,铀资源总储量还能供人类使用约71年。这组数据突出了人类发展太阳能技术的必要性。6C9esmc

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目前,全球六大洲均分布了太阳能资源,其中中国地区有3-5个太阳能资源。理论上,利用部分荒漠地区太阳能可解决全国能源需求。6C9esmc

此前,有业者统计,我国2007年消耗能源26.5亿吨标准煤,而我国西部于华北北部年辐射能约达0.2吨标准煤/平方米。如果装载10%转化率的太阳能电池,则只需将13万平方公里土地的太阳能转化,就能满足全国2007年全年的能源需求。6C9esmc

围绕太阳能方面的发展主要有三个方面:6C9esmc

  • 1、发展太阳能技术:光伏、光热、光化学、光生物学,这实际上离不开电子设备;
  • 2、发展智能化分布式能源系统和能源互联网技术;
  • 3、因地制宜推广太阳能技术的广泛应用。

光打到半导体里激发出电子空穴对,如果电子材料做的非常好,缺陷很少、迁移率大、寿命长,就有可能跑到Pn结里面去,然后把空穴推到电极,这是光电转化的过程。这涉及到电池结构、内建电场、能带排列、表面界面;材料特性、杂质缺陷、光生载流子的激发、输送、载流子迁移率、寿命、扩散长度;设备工艺、材料生长和特性、器件结构制备和功能等诸多科学问题。6C9esmc

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生产一颗高效率的太阳能电池要有很多设计、精密的设计和考虑,涉及到物理学、材料学以及基础研究、应用研究,具有效率、成本、寿命、柔性等方面的挑战。6C9esmc

太阳能电池技术经历了三代:第一代光伏电池(硅基电池)主要有单晶硅、多晶硅电池;第二代光伏电池(薄膜电池,具备低成本的特点)主要有非晶硅、砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒等;第三代光伏电池(薄膜电池为主,具备高效率、低成本的特点),包括宽光谱叠层多结、染料敏化、钙钛矿结构、量子点/纳米、有机电池等多种新概念电池。6C9esmc

·钙钛矿电池有较好的发展前景

在褚君浩看来,这三代电池之间是互补的关系。最近硅基钙钛矿电池得到业内的重视,这是非常有前景的一类太阳能电池技术。钙钛矿结构太阳电池中的钙钛矿材料吸收系数较高,同时光伏也较契合太阳能的吸收。6C9esmc

2018年9月《科学》(Science)刊发了华中科技大学武汉光电国家研究中心韩宏伟教授团队合作论文“钙钛矿太阳能电池产业化的挑战”。该团队所专注的可印刷钙钛矿太阳能电池,基于丝网印刷技术制备,采用廉价的碳材料替代传统的贵金属作为电极材料,因此具有易于扩大化生产及有望实现廉价太阳能发电的技术特点。6C9esmc

韩宏伟创立的湖北万度光能有限责任公司承接了华中科技大学p-MPSC项目,实现了3600 cm2模组、集成了110m2示范性实验电站,实现了稳定发电,完成了器件及材料中试,2200 cm2公证效率14.9%,正在开展200MW p-MPSC大试线建设。该可印刷钙钛矿太阳能电池示范系统,充分展示出该项技术良好的应用前景。6C9esmc

最近,南京大学谭海仁教授也在发力全钙钛矿太阳能电池的产业化。谭海仁团队运用涂布印刷、真空沉积等量产化技术,在国际上首次实现了全钙钛矿叠层光伏组件的制备,开辟了大面积钙钛矿叠层电池的量产化、商业化的全新路径。经国际权威第三方测试机构认证,大面积组件稳态输出效率高达21.7%。6C9esmc

钙钛矿/硅叠层太阳能电池的前景也非常大。由于钙钛矿和硅具有不同的带隙,为了充分利用太阳光谱,钙钛矿太阳能电池可作为顶电池与硅电池形成叠层太阳能电池,即钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池。这种钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池既拓宽了电池的光谱响应范围,提高了太阳能电池效率,又降低了制备成本。6C9esmc

钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳能电池的发展也比较快。铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池,因其具有光吸收系数高、禁带宽度可调、弱光性好和转换效率高等优点。铜铟镓硒太阳能电池可以制备在柔性衬底上。钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳能电池可以在提高铜铟镓硒太阳能电池太阳能电池效率的同时,继续保持其在柔性/曲面器件上应用的优势。6C9esmc

多结电池和聚光光伏电池的发展也很快。多结电池的目标是30%左右的效率,它实际上就是三个Pn结,每个Pn结响应一个波段,把太阳波谱全部变化为电,但该类电池的成本比较高,所以目前主要以表面聚光的方式来节省成本。以砷化镓多结电池为代笔,其电池效率达到36%,未来效率有望达到40%,其柔性制造成本低,但整体电池成本高,目前无人区应用较多。6C9esmc

现在,全世界正掀起探索高效率、低成本太阳能技术热潮,未来究竟哪一种太阳能电池会成为主流?主要看成本效率和寿命。就目前来看硅基仍是主流。6C9esmc

·分布式能源系统和能源互联网技术

智能化分布式能源系统,大规模间歇式电源并网技术、大规模多能互补发电技术、大容量快速储能技术/装置,都是能源利用方式发展根本的变革。6C9esmc

美国科学家杰里米·里夫在他的《第三次工业革命》一书中把“能源互联网”看成新经济系统的五大支柱之一。能源互联网就是分布式、小型化、智能化、低成本化、安全、可靠、鲁棒;开放平台;用户为中心的网络。6C9esmc

能够让亿人在自己家中、办公室和工厂生产绿色可再生能源。可以将这些能源进行存储,并用绿色电力为楼房、机器和汽车供电。多余的电力可以于他人分享,就像现在网络上分享信息一样。将来能源互联网和信息互联网是对应的,将来是非常大的产业。能源互联网重点产业方向的核心产品为能源路由器,其相关的重大突破性技术,能源路由器关键技术。6C9esmc

光伏发电助力我国实现双碳目标

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全球光伏装机容量在2019年是627GW,预计到2025年将达到1722GW。其中,2019年中国光伏装机容量达210GW以上,发电量为2243亿度/年,到2020年中国光伏装机量容量为253GW以上,发电量达3000亿度/年以上,相当于近三个三峡水电站的年发电量。6C9esmc

欧盟提出到2050年,100%使用可再生能源,美国则和中国则是80%。一次能源中,可再生能源占比约80%,到2050年可再生能源在总发电中的占比达86%,其中风电约占总发电的三分之一,光伏发电占总发电的25%。6C9esmc

通过将碳达峰、碳中和纳入到生态文明建设整体布局,希望通过碳中和、碳达峰技术让建筑交通工业领域的碳排放分别减少25%、54%、16%,总碳减排量超过60%。同时,政府各部门的相关政策、纲要的发布也在积极推动以上目标的实现: “十四五”规划和2035年远景目标纲要指出,大力提升风电、光伏发电规模。五部委联合发文表示,要加大金融支持力度,促进光伏海淀等行业健康有序发展;国家发改委指出,要进一步扩大可再生能源装机规模……6C9esmc

总之,在“3060”双碳目标下,电源结构加快向情节低碳转型。2021年,风电、光伏发电量占全社会用电比重达11%左右,到2030年我国风电、太阳能发电总装机量将达12亿千瓦以上。6C9esmc

在以上目标的推动下,“光伏+”产业将有较好的发展前景。6C9esmc

  • 光伏+制氢行业,因太阳能制氢实现了清洁能源生产清洁能源,能有效解决光伏发电消纳问题;
  • 光伏+5G通信行业,5G基站大部分需要新报装电,设备功耗大,耗电量大,光伏发电系统能够有效降低企业电力成本,在5G领域的应用发展潜力巨大;
  • 光伏+新能源汽车行业,随着新能源汽车进一步普及,带动光伏充电桩建设业务逐渐扩大;
  • 光伏+建筑行业,按方式可分为BAPV (光伏与建筑简单组合连接,分布式的主体)和BIPV(光伏建筑一体化,或光电建筑),在安全性、观赏性、便捷性和经济性方面都具备一定优势。

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再观察全球光伏企业排名,据365光伏发布的“2020年全球光伏企业20强排名”显示:隆基、协鑫、晶科、天合光能、阿斯特,FIRST SLOAR,INC.、Hanwha Q CELLS、晶澳、通威、天津中环半导体进入前十。中国企业占据榜单前五强。在TOP10中,中国企业占了8个席位。6C9esmc

从区域来看,我国光伏企业主要分布在华东地区,其中,江苏省和浙江省是我国光伏产业完备程度最高、产业规模最大、企业集聚度最高的省份。近年来,受生产成本和资源优势的影响,光伏企业生产基地向西部地区转移的趋势明显。6C9esmc

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李晋
国际电子商情助理产业分析师,专注汽车电子、人工智能、消费电子等领域的市场及供应链趋势。
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