让中国老百姓用得起绿色能源

—访扬州大学校长、十四届全国人大代表丁建宁

记者：中国是世界上最大的能源消费国，实现重要能源国内生产自给是有效保障国家能源安全的战略底线。发展光伏新能源是保障国家能源安全，落实“双碳”目标的重要举措。2023年我国光伏发电装机已占发电总装机量21%。您如何看待目前光伏技术的发展及应用？

丁建宁：我国于2020年9月提出“双碳”目标，大力发展新能源，是推动“双碳”战略的重要举措。近些年发展起来的人工智能、量子技术等新质生产力，都依赖巨量电力供应。传统能源无法满足，需要巨量新能源来支撑发展新质生产力。新能源发电技术有众多形式，而利用太阳能发电，是不受地域限制的、最直接便利的发电形式。太阳能资源丰富，地球1小时的太阳能接收量，就相当于全人类一年的用电量。如果将太阳能电池板铺满撒哈拉沙漠5.5%的面积，就能够满足全人类用电需求。我国只要将14.5%的塔克拉玛干沙漠面积铺上太阳能电池板，就可满足全国用电量需求。因此，发展光伏发电，可以极大平衡人类对于科技进步与生活环境的需求。

在政府的支持下，通过科研工作者和行业的共同努力，我国光伏技术取得了显著的技术进步，光伏行业得到了快速发展。随着技术的不断成熟和规模化生产，制造成本大幅下降，光伏发电成为越来越实惠的可再生能源解决方案。我国是全球最大的可再生能源市场和设备制造国，光伏产业发展迅速，多次刷新电池转换效率世界纪录，全球排名前十的光伏组件企业中有七家来自中国。尽管太阳能产业起源于美国，欧洲曾在此领域占据主导地位，而如今，全球每10块太阳能电池板中，就有8块由中国生产，其中5块还被纳入了中国电网。甚至在2023年一年内，中国新增的太阳能发电装机容量超过自上世纪70年代初美国人购买第一批太阳能板以来美国所安装的太阳能发电装机容量。

我国光伏产业已位居世界第一，但其发展历程并非一帆风顺，充满挑战与风险。中国光伏行业的发展历程可以划分为四个阶段：缓慢发展期（1970—2004年）、快速成长期（2004—2012年）、高速发展期（2013—2018年）和平价上网期（2019年至今）。2019年，我国光伏发电开始进入平价上网期，国家发改委印发《关于积极推进风电、光伏发电无补贴平价上网有关工作的通知》，拉开了光伏平价上网时代的大幕。2020年行业开始进入提质增效发展阶段。2022年，政策指导加快推动以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地建设。中国光伏新增装机量连续10年位居全球首位，展现了中国光伏行业的强大实力和发展潜力。除了大型集中式地面电站，分布式光伏外，智能光伏也是未来发展的重要方向，融合运用5G通信、大数据、互联网、人工智能等新一代信息技术，未来光伏技术的应用范围越来越广。

与此同时，光伏技术发展越来越快，从第一代铝背场电池到第二代PERC电池的迭代，花了10年的时间，然后从PERC电池到现在的TOPCon电池技术迭代只用了5年的时间。晶硅光伏技术的迭代，最终目标是降低太阳能电池度电成本。无论是哪种技术路线，未来能否成为主流，最终取决于市场和度电成本。

扬州大学以“学术校庆”聚焦服务“双碳”等国家战略

记者：您开展的高效晶硅电池组件制造所涉及的材料、工艺及装备研究，对于我国光伏技术发展发挥了重要作用。获得了国家科技进步奖和国家技术发明奖。您在清华大学的专业是传统的机械设计及理论，是什么契机让您进入光伏技术这一领域？

丁建宁：我早年从事摩擦学研究，主要研究表界面科学与技术。1998年到清华大学读博士，主要从事微纳制造技术的研究。毕业后，就一直在想如何结合国家需求来做科研。其时，正值我国光伏产业刚刚起步，第一代光伏技术—铝背场电池技术由国外引入，该技术工艺简单，但效率低，只有18%，而且制造成本高，发电成本是煤电的20倍，国内用不起，产品基本上销往国外，造成技术、装备、市场三头在外，还经常受到西方反倾销和反补贴调查。如何通过技术创新，提高电池光电转换效率、降低制造成本，让中国老百姓也用得起这样的绿色能源，成为了我的最大心愿。在分析电池材料、结构和制造工艺后发现，我之前学的表界面科学与技术和微纳制造技术正是解决电池制造难题的可行途径。于是，我就一头扎入光伏技术的研究。

太阳能电池发电原理是通过电池片吸收太阳光，产生载流子，经分离和传输，电子被收集到外电路产生电流。要提高效率、降低成本，关键需要创新电池制造技术，解决三大科技难题：光吸收弱、载流子传输差、载流子收集难。难题一是提高光吸收，需制造陷光结构。传统的微米结构陷光效果不理想，纳米结构陷光效果好，但会带来高表面缺陷，产生载流子表面复合。如何解决光吸收与表面复合的矛盾，就需要创新表面微纳结构设计与制造。难题二是提高载流子传输，需建立内建电场。传统的正面介质钝化和一步式磷扩散，会造成载流子被缺陷俘获。如何解决载流子传输与界面复合间的矛盾，就需要创新钝化和掺杂表界面制造技术与装备。难题三是提高载流子收集，需实现良好的电接触。传统的一步磷扩散，不能形成合适的欧姆接触。传统的电极，栅线面积大，光吸收差，界面复合严重。如何解决收集与表界面复合的矛盾，就需要创新电极制造技术与装备。传统的半导体工艺不适合晶硅电池低成本制造。我们从微纳结构设计、表界面制造技术和装备三方面原始创新，来解决三大难题，突破高效低成本电池制造技术瓶颈。

我带领团队围绕太阳电池研究经历了“三步走”的研究阶段：首先解决晶硅电池用材料制造难题。过去我国采用热氢化工艺生产多晶硅，能耗高、产能低、成本高，尤其是副产物四氯化硅污染严重。可循环利用四氯化硅的冷氢化工艺装备，我国空白，国外封锁。为此，我们发明冷氢化加热合成反应器技术，创制了加热合成反应器成套装备，首次实现多晶硅冷氢化生产，助力我国很快成为世界第一的生产基地，多晶硅冷氢化制造进入世界领先水平，为我国光伏产业发展奠定了基础，成果获国家科技进步二等奖。其次，在解决了电池材料制造难题后，进一步来解决电池片的制造难题。我们通过表面与界面工程和微纳制造技术，从微纳陷光结构、掺杂、钝化和金属化4个方面着力解决三大难题。为了提高光吸收，提出了微纳结构定向刻蚀制造技术，创制了微纳两级结构刻蚀制造装备，国际上首次实现催化刻蚀量产工艺和装备。为了解决载流子收集问题，首先提出分步式梯度扩散掺杂制造技术，创制了精准磷掺杂设备。进一步地提出了叠层钝化膜制造技术，采用PECVD和ALD技术，分别沉积a-Si0x：H（2nm）对硅表面进行化学钝化、Al0x（15nm）形成场钝化以及Si0x/SiNx提高背反射，形成纳米级超薄四叠层钝化膜结构，实现了纳米尺度表面缺陷层的保形钝化，创制了叠层钝化制造装备。同时提出了二次丝网印刷及微聚光焊带低温互连技术，提高了组件的输出功率，创制了二次丝网印刷及低温导电胶粘结设备。我们和企业合作，实现了组件制造工艺的突破，解决了应用问题，在国际上率先实现第二代以P型硅片开发的发射极钝化和背面接触电池（PERC）的产业化，技术装备全部国产化完全自主可控，产品光伏电转换效率高达24%，发电成本接近煤电，淘汰了第一代国外技术，助推我国光伏产业技术世界领先，助力光伏发电平价上网，光伏制造也成了中国制造的一张名片，成果获得了2020年国家技术发明二等奖。

降本增效是光伏技术进步的源动力。围绕提效降本，光伏技术不断迭代。从第一代铝背场电池到我们推动第二代PERC电池制造产业化，历经10年，技术装备完全国产，成本与煤电相当，实现光伏电力平价上网。但由于第二代PERC电池已接近其效率理论极限，提升空间小。我们又研发出更高效率、更低成本的第二代晶硅电池迭代技术TOPCon电池，产业化效率已逼近26.5%，实现了对PERC电池的成功迭代。

丁建宁校长在学校创始人张謇先生像前重温“学必期于用、用必适于地”之理念

记者：您在获得诸多科研成果的同时，还有发明专利100余项。这些专利都应用在哪些领域？

丁建宁：针对我国光伏产业发展之初缺乏自主知识产权，主要依靠国外技术和装备的状况，我们从材料、电池片到组件，完成了对全产业链专利布局，打通了从基础研究到成果孵化、产业化的全创新链，获得了中国专利银奖、中国专利优秀奖，并且也布局了一些国际专利。这些专利主要应用在光伏发电、多能互补等领域。多能互补在石油化工行业也具有重要的应用前景。此外，利用光伏合成甲醇、太阳能光催化分解水制氢等也是消纳光伏电力的重要途径。我们在江苏省重大科技计划支持下，建设了江苏省首个风—光—氢—储综合能源系统示范工程。

记者：您主持过江苏省多个光伏工程项目，还是国务院学位办批设的面向国家光伏产业特殊需求博士人才培养项目负责人。您觉得中国的能源行业守住这条“底线”的底气在哪里？挑战又在哪里？

丁建宁：光伏产业在中国发展之初，仅有少数从国外回来的博士在产业界从事研发，产业的发展离不开高层次人才，而高端人才严重缺乏。为此，我们较早在材料科学与技术学科设立了新能源材料与器件本科专业，并进行相关的硕士研究生培养。其后，在国内率先成立了江苏省光伏科学与工程协同创新中心，集聚了中科院广州能源所、上海技术物理研究所、宁波材料研究所和10余所国内高校的科研力量和国内光伏行业主要龙头企业，通过任务牵引、协同攻关。在此过程中，切身感悟到能够服务产业的博士人才缺乏，需要针对产业需求培养实践能力强的博士研究生。正赶上国家为解决产业急需高层次人才而开展的面向国家特殊需求博士人才培养项目的申报，于是我们迅速针对光伏产业发展提出服务国家光伏产业特殊需求—光伏产业化制造技术博士人才培养项目的申报，由国家能源局推荐，最终获得了国务院学位办的批复，由我担任项目负责人。该项目的成功实施，已为光伏行业培养了大批博士人才，服务在全国各大龙头企业，很多都成为业务骨干。中国的能源行业守住这条“底线”的底气在于我们新能源产业的蓬勃发展和拥有一大批钟情新能源事业的高层次人才。

记者：以新质生产力发展推进中国式现代化发展已成为全社会关注的热点，而掌握关键核心技术，赋能发展新兴产业是发展新质生产力的重要一环，您对光伏技术在培育和发展新质生产力中发挥的重要作用有何期许？

丁建宁：新质生产力是指在数字化、智能化、绿色化等新技术革命推动下，通过创新驱动、结构优化、效率提升等手段，实现生产力质的飞跃和经济模式转型的一种新形态。其内涵主要体现在其“新质”的特点上，这种“新质”主要来源于信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术等领域的突破性进展。新质生产力着重体现在数字化转型、战略性新兴产业、绿色可持续发展以及全球价值链重构等方面。以光伏为代表的新能源技术本身就是新质生产力。同时，它又能为发展新质生产力赋能。以人工智能、云计算、大数据、量子技术、智能制造和工业互联网等为代表的新质生产力，都依赖巨量电力供应。据IEA计算，2022年全球数据中心消耗约460太瓦时的电量（相当于全球总需求的2%），到2026年可能膨胀至620至1050太瓦时。以聊天机器人ChatGPT为例，进行一次搜寻所需电量，是在谷歌引擎上进行一次搜索所需电量的10倍。ChatGPT目前每天回应约2亿个请求，消耗超过50万千瓦时的电力，是每个家庭用电量1.7万倍。预计到2030年，美国数据中心的电力需求将从2023年的约15太瓦时增至50太瓦时。AI模型训练和推理的计算需求是电力需求增长的主要原因。训练一个GPT—4大型语言模型，需要耗费数百万千瓦时的电力。50太瓦时相当于大约5000万个美国家庭一年的用电量。相当于全球每年充电超过10亿次的智能手机；相当于约45座百万瓦级核电站一年的发电量。随着人工智能的发展，电力日益短缺将是全球迫在眉睫的问题。传统能源无法满足，解决的途径在于新能源，需要巨量新能源的支撑，光伏是可支撑的新能源之一。（文/本刊记者 唐大麟）