中国可再生能源学会：2024年中国光伏技术发展报告简版

中国简版中国简版2024年5月报告执笔人(以姓氏笔画排序):马万里王文静王连洲王诗语方国家叶轩立代尚方刘美茵严大洲苏建徽李建民李美成李海玲邹绍琨张彦虎陈永华陈志磊陈朋朋茆美琴赵德威秦筱迪夏彦辉董颖华程基宽赵婉莹2024年5月2023年我国光伏新增装机216.88GW,同比增长148.1%,创历史新高，占全球光伏新增容量六成以上；总装机609.5GW,同比增长55.2%,占全球总装机四成左右。光伏继上年超越风电后再次超越水电，成为我国仅次于火电的第二大电源。2023年我国太阳电池产量达545GW,产量连续16年位居全球首位，硅片、电池、组件出口再创新高，光伏产品成为我国出口“新三样”之一。2024年新年致辞中习近平主席特别在市场、产业快速发展驱动下，我国光伏技术不断创新突破，与国际先进水平保持同步竞争态势。科技部、国家能源局、工信部等部门持续开展科技支持，为光伏技术的研发和应用提供了强大支撑。2023年我国光伏技术发展迅速。三氯氢硅法(改良西门子法)和硅烷法技术和能耗指标达到国际先进水平，多次装料拉晶技术(RCz)仍是主要的生产方式，结合颗粒硅料的连续直拉单晶技术(CCz)持续取得进展。n型电池产能持续增加，背接触(BC)电池批量生产。晶体硅太阳电池、钙钛矿太阳电池、晶体硅钙钛矿叠层太阳电池、铜锌锡硫基薄膜太阳电池、有机太阳电池等转换效率屡创世界纪录。多层次立体光伏应用体系不断丰富，大型地面电站、分布式光伏、海上漂浮式光伏、天基/空间太阳能系统、山地光伏电站等多元化应用模式蓬勃发展。本报告对2023年我国光伏技术进展和发展趋势进行了系统总结，包含多晶硅料及硅片、晶体硅电池与组件、薄膜电池与组件、新型电池与组件、系统集成及应用、功率变换器及平衡部件、数智化技术、标准及实证测试技术等章节，旨在客观描绘我国报告由中国可再生能源学会光伏专业委员会组织，四十余位专家学者参与编写。12024年中国光伏技术发展报告简版一1.晶体硅材料和硅片晶体硅材料发展概况突出显示了光伏行业的快速发展，尤其是在单晶硅技术上的显著进步。全球能源结构的转变促使了太阳能光伏发电在未来能源系统中占据越来越重要的地位。单晶硅材料因其高效率和降低生产成本的潜力，已成为市场主流。中国作为光伏产业的重要参与者，通过扩大生产和采用先进技术，稳固了其在全球市场的领先地位。在硅材料的研发与生产方面，中国表现突出，新增的产能显著提高了全球供应量。三氯氢硅法(改良西门子法)和硅烷法继续作为主要的多晶硅生产方法，各自具有成本效益和环境友好的优点。主流工艺三氯氢硅法单炉年产量可达600-1000吨，单线产能为5万吨1年和10万吨1年，综合电耗50kWh/kg-Si至56kWh/kg-Si,综合能耗≤8.1kgce/kg-Si;硅烷法颗粒硅采用产能为5000吨/年的FBR反应器，每个单元配置4台FBR反应器，组合形成2万吨/年颗粒硅模块。两种方法技术和能耗指标达到国际先进水平。单晶硅提拉技术方面，多次装料拉晶技术(RCz)仍是主要的生产方式。此外，结合颗粒硅料的连续直拉单晶技术(CCz)持续取得进展，其具有比常规单晶硅棒产能高，电阻率分布均匀，生产成本低，更适用n型硅片的特点。目前已批量应用于制造重掺母合金。硅片切割技术方面，晶体硅片呈现大片化、薄片化、n型化和半片化的特点。182mm以上尺寸硅片占据主流，并还在进一步提升市场份额。硅片厚度逐渐降低，p型厚度130-140μm,n型隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)厚度110-120μm,HJT厚度达到辅料方面，随着硅片尺寸增大，直拉法用石英坩埚尺寸增长迅速，导致高纯石英砂消耗量日趋增长。坩埚中外层使用的低端高纯石英砂已基本实现国产化，但内层高纯石英砂仍需进口。目前国内企业正在致力于寻找更优质的矿藏和发展提纯新技术。目前国内有多家公司致力于内层高纯石英砂的研发。总体来说，2023年晶体硅料及硅片技术的进展体现在生产效率的提高、成本的降低、环境影响的最小化以及市场竞争力的增强等。预计这些技术的持续发展将推动太阳能光伏产业在全球能源转型中扮演更加重要的角色。2.晶体硅太阳电池及组件技术2023年是n型电池大发展的一年。以TOPCon电池为主的n型电池所占市场份额22024年中国光伏技术发展报告简版达到30%,与p型背钝化(PERC)电池相比已具备明显性价比优势；异质结(HJT)电池具备性能优势，在持续降本中。TOPCon电池2023年建成的产能为400GW左右，产线平均效率据报道达到25.6%左右。其主要的技术改进包括背表面抛光工艺、正表面选择性电池(SE)技术、背表面钝化膜的减薄工艺、正表面激光辅助烧结技术(LECO)等，其中前三项已经应用到大规模量产中，第四项还处在中试阶段。这些技术使得TOPCon电池的效率提高了0.3~0.4%左右。182×182电池制备成72片半片组件的功率数在480W左右。HJT电池2023年建成产能40GW左右，实现量产出货5GW左右，产业化平均效率达到25.5%,有些经过改进的效率最高的HJT电池产线平均效率达到25.8%~26%。210半片132版型的组件功率达到710W,最高组件功率达到755W。双面微晶HJT电池技术全面导入到大规模量产中，HJT电池的配套技术不断创新。硅片方面开始探索CCZ拉棒技术的产业化导入，这使得n型硅片的电阻率更加均匀，并且通过100%使用颗粒硅达到降本的目的；切片技术方面在大规模量产中使用半片切割技术、边皮切割技术、TOPCon头尾料等，这些措施大大降低了HJT电池的硅片成本。2023年HJT电池规模量产的硅片厚度已经降到120μm,比2022年降低了10μm,进一步降低了成本；电池技术方面，除了双面微晶导入到量产中之外，还将银包铜电极、OBB电池技术导入到量产中，并已经开始无铟靶材的中试实验。另外钢板印刷技术已经中试成功，将在2024年开始进入量产阶段，该技术将使得电池效率提升0.2%;在组件技术方面，将光转膜和丁基胶封边技术导入到大规模量产中，提高了HJT组件的可靠性，而且还提高了组件的功率。通过这一系列新技术的导入量产，使得HJT组件具有了进一步的竞争优势，预计2024年HJT电池将成为一种重要的晶体硅技术并占有更大比例的市场背接触(BC)电池建成产能30GW左右，BC电池转换效率较高，但是工艺步骤较长，使得电池成本较高。目前国内有两家企业已经实现了规模量产，但是产品的良率和成本仍旧存在较大挑战。3.薄膜太阳电池及组件技术铜铟镓硒(CIGS)太阳电池方面，实验室常规单结电池效率达到23.6%,由瑞典Evola/Uppsala大学获得。柔性电池和双面电池是CIGS发展新方向，柔性电池效率达到22.2%,由瑞士联邦材料科学与技术实验室(EMPA)获得，中国科学院深圳先进技术32024年中国光伏技术发展报告简版一研究院杨春雷课题组在柔性金属基底上也实现了22.3%的认证效率。刚性基底双面电池顶部入射和底部入射效率分别达到19.77%和10.89%,柔性基底也取得了15.36%和6.61%的顶部和底部效率。在组件方面，常规商业组件效率达到20.3%由德国Avancis机构获得，柔性CIGS组件效率达到了17.73%,由美国AscentSolar公司获得，国内尚越光电科技股份公司也实现了17.75%的组件效率。铜锌锡硫基(CZTS(Se))薄膜太阳电池研究取得重要进展。2023年5月，中国科学院物理研究所孟庆波团队创造14.9%的CZTSSe电池效率，刷新了世界纪录，该团队在1cm²电池方面也创造了12.1%的世界纪录效率。此外，得益于对溶液化学及其CZTSSe晶体合成路径的理解，国内多个研究团队将CZTSSe效率提升至14%以上。南京邮电大学辛颢团队在透明FTO基底上制备CZTSSe电池，认证效率达到11.43%;该团队还首次报道了CZTSSe组件(面积10.5cm²),效率达到4.25%。碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池2023年效率记录提升至22.4%。美国FirstSolar公司两次小幅度打破碲化镉薄膜太阳电池转换效率纪录(22.3%和22.4%),其S7单片组件功率达到550W,基于CuRe技术的年均效率衰减率降至0.2%,进一步提升了组件功率和长期稳定性。国内小面积电池实验室效率达到21%,大面积组件效率超过17%。全球碲化镉薄膜太阳电池组件年度出货量超过16GW,全球累计安装容量超过60GW。锑基硫系化合物薄膜太阳电池(Sb₂Se₃,Sb₂(S,Se)₃,和Sb₂S₃太阳能电池)方面，主要集中于吸收层薄膜性质改善、异质结界面与背界面调控以及新型结构设计方面的研究。太阳能电池转换效率仍然维持2022年达到的最高值10.57%和8%。2023年，武汉大学肖旭东团队通过溶剂辅助水热法制备高质量Sb₂(S,Se)₃吸收层，将电池器件效率从10.7%提升至10.75%。4.新型太阳电池技术4.1钙钛矿太阳电池技术钙钛矿太阳电池效率提升快、预期制造成本低，成为最具潜力的新型光伏技术。2023年，研究者们通过改进钙钛矿材料的化学组成和晶体结构等工作，实现了效率的显著提升。技术创新重点包括使用混合阳离子和阴离子策略来优化带隙及稳定性、通过界面工程减少非辐射复合损失，以及空气环境中高效电池的制备技术突破等方面。目前单结钙钛矿太阳电池的最高效率记录是美国国家可再生能源实验室(NREL)认42024年中国光伏技术发展报告简版证的26.1%,由西北大学和多伦多大学(NU/UT)获得；柔性钙钛矿太阳电池最高效率24.08%,由宁波材料所获得；千平方厘米级钙钛矿光伏模组认证效率达到了18.6%(809.9cm²),由无锡极电光能科技有限公司获得，经日本电气安全环境研究所(JET)认证。国内多家企业积极开展钙钛矿太阳电池产业化技术开发，如杭州纤纳光电公司、无锡极电光能、苏州协鑫光电、仁烁光能等；同时，以中国三峡集团、华能集团等为代表的能源电力集团均有布局钙钛矿光伏产业。4.2有机太阳电池技术2023年研究主要集中在开发新型高性能的给体和受体材料，以及优化器件结构以提高光电转换效率。技术创新包括采用A-DA'D-A型小分子受体和聚合物给体。中国科学院大学三元有机太阳电池获得19.22%的效率(认证效率18.8%);南开大学首次实现了光电转换效率超过18%的同时T80超过5000h的稳定性；华南理工大学制备半透明器件获得10.01%的转换效率和30.53%的平均透过率；浙江大学1cm²的柔性有机太阳电池效率达到了15.56%,弯曲半径为4mm的情况下弯曲100000次后无效率衰减；苏州大学在36cm²的大面积有机太阳能电池模块中实现了13.47%效率。未来，有机太阳电池的研究将继续探索新型材料和器件设计，推动其在可穿戴和柔性电子领域的应用。4.3量子点太阳电池技术量子点太阳电池方面，我国在多种类型的量子点太阳电池的科学研究都达到了国际水平。2023年的研究重点在于优化量子点的合成方法和表面修饰，以提高光伏性能和稳定性。技术创新包括开发新型铅硫族量子点和钙钛矿量子点材料，以及通过界面工程改善电荷传输。华南农业大学创造了铅硫族量子点敏化太阳能电池15.2%的认证纪录；北京航空航天大学基于钙钛矿量子点的太阳能电池器件实现了16.53%的转化效率。台湾科技大学制备了效率为8.96%的量子点敏化太阳能电池，连续工作150小时后仍能保持原始效率的90%;铅硫族量子点太阳能电池实现10.5%的光电转换效率，并在未封装条件下空气中放置4000小时保持89%的起始效率。未来，量子点太阳电池的研究将继续探索更多的材料组合和器件设计，以提高电池的光电转换效率和稳定性。4.4叠层太阳电池技术叠层太阳电池技术通过结合不同带隙的半导体材料，有效拓宽了太阳电池对太阳光谱的吸收范围，减少了热弛豫损失。2023年的研究进展包括钙钛矿/晶硅叠层太阳52024年中国光伏技术发展报告简版一电池和全钙钛矿叠层太阳电池的效率提升，其中隆基钙钛矿/晶硅叠层太阳电池认证效率突破了33.9%。全钙钛矿叠层太阳电池已经实现了29.1%认证效率。目前已报道钙钛矿/有机(OPV)叠层太阳电池的最高效率仅为24.47%,最高认证效率仅为23.1%。2023年德国亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心(HZB)保持了钙钛矿/铜铟镓硒(CIGS)两端叠层太阳电池24.2%的纪录效率。钙钛矿与砷化镓(GaAs)电池构建叠层太阳电池2T和4T叠层太阳电池分别获得了24.27%和25.19%的效率。全有机叠层太阳电池的效率推进至20.2%(中国计量科学研究院认证20.0%)。4.5其它新型太阳电池技术新型太阳电池的种类较多，新型硅基太阳电池仍然以硅作为主要的光吸收层，将化合物与硅形成异质结接触，实现载流子的分离，如PEDOT:PSS/Si杂化太阳电池、过渡金属氧化物(TMO)/Si异质结太阳电池。2023年的研究进展重点在：PEDOT:PSS/Si杂化太阳电池的稳定性、能级调控、界面钝化；TMO/Si异质结界面的能级匹配；硅纳米线的制备、光学调制和基于硅纳米线的径向异质结太阳电池；新型铁电材料化合物薄膜太阳电池。未来，随着新型硅基太阳电池和新型铁电太阳电池转换效率和和稳定性的提升，相信新型太阳电池技术会脱颖而出。5.光伏系统集成与应用技术2023年，受光伏组件价格持续下降、中美等国家地面大型光伏系统复苏反弹、欧盟和中国分布式光伏强劲增长、“光伏+”场景拓展丰富及光伏新模式新业态不断涌现等因素叠加影响，全球光伏总装机达1552.3GW,同比增长31.8%;中国新增装机216.88GW,再创历史新高，占全球光伏新增容量的60%以上。2023年，光伏系统应用呈“立地、顶天、上山、下海/水”发展态势，多层次立体光伏应用体系不断丰富。地面大型光伏电站在部分地区逐步向基地化转变，系统送出架构及控制方式成为研究焦点；分布式光伏系统渗透率持续增加，光伏集群呈现接入电压低、单点容量大、建设规模散特征，分布式光伏系统集群划分、参与电网调压调频调峰研究取得新进展；天基/空间太阳能概念火热依旧，多场景天基/空间太阳能应用不断提出，无线微波能量传输技术实现实验室验证，空间激光能量传输技术也取得新突破；基于新型n型组件的山地光伏电站正在建设，适应于山地光伏应用的光伏产品开始研发；漂浮式光伏系统潜力不断挖掘，系统应用从内陆水上逐渐向近岸甚至深62024年中国光伏技术发展报告简版远海延伸。我国在近海桩基式及漂浮式海上光伏实证方面取得突破，同时全球首个深远海漂浮风电与海洋牧场养殖一体化项目也在我国落地，我国成为全球海上漂浮光伏系统技术发展及应用的先行者。2023年，光伏系统应用继续从单一场景向复合场景演化，互补、复合、和谐、共生的“光伏+”农/渔/林/交通业等复合系统获得越来越多关注。特别地，发展光伏制氢逐步成为国家减排降碳路线中的共识之一，另外，光伏与生态治理/修复系统的结合，为包括我国在内的有关国家提供了光伏治沙、光伏矿山生态修复等生态治理新思路。2023年，基于新型光伏电池的系统应用不断落地，全球首个兆瓦级钙钛矿光伏电站已在中国投入商业应用，德国百兆瓦级n型TOPCon型组件光伏电站建设完成，全球最大百兆瓦级异质结光伏电站正在保加利亚建设，中国首款具有完全自主知识产权、适应海洋特殊环境的双面双玻高效单晶异质结组件将配置于中广核烟台招远400MW海上光伏项目。6.光伏功率变换器及平衡部件技术在光伏并网逆变技术方面，目前主要还是采用基于电网电压锁相的电流型控制技术，为适应新型电力系统的发展，光伏并网技术研究在弱网适应性、宽频谐振抑制和惯性支撑能力等方面取得进展。阳光电源与合肥工业大学合作研发电压控制型逆变器，其在快速功率控制、高效MPPT、强电网下稳定运行控制、故障穿越和有功备用电网支撑技术方面取得成果，不仅满足光伏并网国家标准，并明显提高弱电网的适应能力。此外，阳光电源还将电流型和电压型控制(跟网型和构网型)两类技术结合起来，开发出了虚拟双源叠控技术，使变流器和储能系统能够动态发挥两类技术的优势，更好地支撑新型电力系统运行。华润电力联合华为数字能源共同开展了基于构网型电压源主动支撑新型电力系统技术路线的光储系统测试验证科研项目，通过光伏和储能系统协调控制，具备等效的惯量和无功补偿能力，主动支撑弱电网故障暂态稳定运行。中国电科院和青海电科院基于高比例新能源环境中的电网安全稳定，高标准地完成了构网系统并联稳定性、高/低电压单次/连续故障穿越、一次调频及惯量响应特性等一系列测试，也是全球首次构网型光储系统并网性能的现场测试。在光伏中压直流变换器方面，中国科学院电工研究所原创性提出全直流并网技术，可以有效解决谐波谐振、无功传输等交流汇集和送出存在的问题，实现高效并网。在逆变器和平衡部件产品开发方面，阳光电源集中式光伏逆变器采用模块化集成72024年中国光伏技术发展报告简版一方案，实现了集中式光伏逆变器单机最大输出功率10120kW。阳光电源最新研发的直流2000V高压逆变器在陕西榆林成功投运，这是2000V系统在世界范围内第一次并网实证，标志着光伏系统成功从1500V进阶至2000V。在MLPE变换器方面，大恒能源推出了组件级一体化光伏并网发电单元SolarUnit,通过组件与逆变器一体化集成设计，采用第三代半导体GaN,系统转换效率高达97.55%。在光伏支架方面，晶澳科技为适应双面组件安装，采用的新型固定支架方案，可大大增加整体结构的稳定性。国内光伏跟踪支架技术在2023年蓬勃发展，国强兴晟、上海摩昆，天合、中信博、华为等公司在多点支撑设计、驱动装置优化、多点平行驱动、智能跟踪AI算法等方面取得成果，不断提高支架跟踪精度、结构稳定性、运行长期耐久性和气候环境适应性等。柔性支架向大跨度、高净空发展，通威联合中南大学，首创了3索结构，在大风压环境中，能做到接近60米的更大跨度，抗风能力(13级风)满足国土资源复合利用的需求。7.光伏电站全生命周期数智化技术光伏电站的DEPCO数智化技术指的是光伏电站从规划到运营的全流程数智化技术，包括开发(D)、设计(E)、供应链(P)、建造(C)、运维运营(O&M)五个环节，通过数智化系统技术创新，赋能光伏电站全生命周期降本增效，最终实现光伏电站从规划到运营的全流程无人化的愿景。大型光伏电站智能评估关键技术包括GIS平台底座、图斑识别、地物识别等，智能设计关键技术包括建结构数字化建模、电气数字化建模、多目标复杂系统非线性规划和优化等。国外知名的评估设计软件有PVsyst、PVcase、Helioscope等，已得到广泛研发了多款智能化评估设计软件，如SolarStation、iSolarTool、Candela3D等，主要功能包括阴影分析、组件排布、方阵划分等。分布式光伏电站智能评估设计关键技术除了大型电站智能评估设计已经提到的GIS国外以TraceSoftware为代表、国内以阳光新能源、坎德拉等为代表，研发了多款智能化评估设计软件，如Archelios、iSolarBP、CandelaRoof等，通过无人机建模技术获取现场数据，自动实现组件排布，基于专业财务模型，评估项目投资收益，并能实现电站的智能化详细设计。光伏电站数字化供应链主要采用WMS、TMS等通用的信息化系统，发展相对成熟，82024年中国光伏技术发展报告简版结合光伏电站供应链特点进行优化适配，可满足光伏电站供应链的需求。光伏电站的智能建造技术开始发展。地面电站的智能建造技术，在国外已经达到了自动化的水平，国内还处在半自动化到自动化的阶段，以及智能化的初步探索期；分布式屋顶光伏的建造技术目前还处在人工及半自动化的阶段。光伏电站的智能运维运营技术，2023年以来，基于深度学习的方法在光伏电站发电功率预测中取得了较为显著进展，预测结果具有较高的准确性。增强现实技术(AR)在光伏电站的智能运维运营中也初步得到应用。基于深度学习的方法在光伏组件故障诊断中取得了广泛应用，利用AI图像识别，对光伏组件故障进行自动化诊断，故障识别准确率达到97%以上。新的灰尘清洗技术如激光清洗、声波除尘、电除尘等正在逐步涌现。8.光伏发电标准及实证测试技术2023年度，ISO发布光伏相关标准3项，IECTC82发布光伏相关标准共12项。标准提出的技术要求主要针对：标准光伏器件的分类、选择、包光伏组件的结构安全要求及测试安全要求；光伏阵列的设计要求；光伏组件绝缘材料的柔性聚合物正面和背面结构；地面光伏组件设计鉴定重测导则；光伏系统的直流电我国发布光伏相关标准共11项，发布的标准提出的技术要求主要针对：光伏光热用玻璃相关要求；沙漠光伏电站基本资料、设备设施、施工、验收和运行维护等；光伏组件氨腐蚀试验、动态机械载荷试验；光伏电站气象观测及资料审核、订正；光伏发电站跟踪系统及支架检测；光伏组件电致发光(EL)检测、红外热成像(TIS)检测等。在光伏发电实证测试技术方面，为提升光伏部件及系统运行性能评价的准确性，国内外均开展了光伏户外实证技术研究及户外实证场的建设。依托国家重点研发计划项目、国家科技支撑计划项目，中科院电工研究所、中国电力科学研究院有限公司等科研单位在我国七种典型气候环境、多种光伏应用场景下建设了光伏系统实证测试平台，实现光伏部件及系统的户外运行性能监测与评价；同时，各发电集团也开展光伏户外实证平台建设，其中国家电力投资集团有限公司在黑龙江大庆建设了光储一体化实证实验平台，并每半年发布监测数据。随着海上光伏项目的开展，部分企业已逐步开展海上光伏实证，国家电投山东能源发布我国首个近海桩基固定式海上光伏实证成92024年中国光伏技术发展报告简版一9.太阳电池中国效率表2023年8月和12月，中国可再生能源学会光伏专业委员会(CPVS)启动两次太阳电池中国最高效率征集活动，共收到光伏企业、科研单位提交的12份太阳电池效率检测报告，包括单晶硅异质结背接触(HBC)电池、p-TOPCon电池、钙钛矿单结电池、钙钛矿单结电池组件、钙钛矿/硅叠层电池、有机单结电池、有机单结电池组件和砷化镓三结电池共8种太阳电池(组件)结构类型。经CPVS专家委员会审定，产生2023年CPVS太阳电池中国最高效率表