2024年11月8日，英国亨利·罗伊斯研究所发布光伏系统材料路线图报告[1]，回顾了自2020年以来全球在光伏领域的关键进展，并强调了光伏技术发展的关键事项。

一、主要结论

1、重要性。报告认为，光伏技术已成为全球向零碳排放过渡的中心支柱。为加速全球光伏安装容量的增长，需要增加对太阳能光伏研究和制造的投资，特别是将新技术从实验室规模转化为模块级别的能力。为实现全球碳中和目标，太瓦级太阳能电力至关重要。预计未来30年，全球需要安装超过7太瓦峰值的光伏容量，这是目前安装量的8倍以上。

2、新兴技术。报告认为还应该关注新兴的光伏技术，如无机、有机和混合薄膜光伏，以及染料敏化光伏等，这能使物联网、基础设施和农业变得更加可持续和资源高效。光伏科研界还应该积极推动新兴光伏技术标准的制定和采纳，以支持其持续发展、快速商业化和部署。此外，还需要推动立法，以回收光伏模块，提取有价值的元素并重新使用，减少环境影响和成本。

3、研发生态。报告建议加强学术界和工业界之间的合作，以及不同技术团队之间的数据共享，解决光伏技术开发中日益复杂的挑战。投资培训和技能发展，应对光伏技术开发领域的挑战，并加速部署。同时，在考虑光伏部署时，不仅要关注单个模块，还要考虑整个生态系统，包括逆变器、封装材料、关键材料的供应链以及这些供应的安全性，并针对新的应用制定政策和法规，支持光伏技术的推广和应用。

二、主要领域路线图

报告总结了光伏材料、表征技术与标准、材料计算与建模以及光伏系统可持续性等领域的现状、挑战和关键技术。

1、光伏材料

（1）晶体硅（c-Si）光伏。c-Si光伏因具有转换效率高、成本较低、材料丰富、稳定性强以及产能增长快等优势，持续作为增长最快、最广泛的光伏技术。目前，c-Si光伏的电力成本已降至48美元/兆瓦时，能源回报时间已低于一年。c-Si光伏占据了当前光伏市场约95%的份额，并且2022年产能达到了255吉瓦。当前挑战及应对方法包括：①需要继续提高c-Si光伏的效率，保持每年0.2%~0.5%的增长。研究方向包括增加过剩载流子寿命、开发高钝化接触、改进纹理以实现更薄的硅片以及减少金属手指的阴影和线电阻。②扩展c-Si光伏的基本效率极限（28%），通过与串联技术结合，将效率提高至32%~35%。③提高c-Si光伏组件的稳定性，深入探究退化机制。④寻找银、铟和铋等稀缺材料的替代品，并减少材料消耗。⑤实现太瓦级别c-Si光伏，关键技术包括太阳能电池无银化、避免在透明导电电极中铟的使用、开发低温连接技术以及减少电缆中铜的使用。

（2）碲化镉（CdTe）。CdTe光伏占据了2021年光伏市场5%的份额，大约10吉瓦的产量。实验室规模的光电转换效率已超过21%，模块效率可达19%，相比10年前的9%有显著提升。CdTe光伏模块因其高光学吸收系数和低成本制造过程，具有所有光伏技术中最低的电力成本。当前挑战及应对方法包括：提高开路电压，深入探究晶体和薄膜之间的电压差异，理解晶界、化学计量比、掺杂和界面能级对能级排列的影响；加速创新技术产业化，研究社区应将实验室规模的创新转移到大规模生产中，进一步降低生产成本。

（3）铅卤化物钙钛矿（LHP）单结和多结光伏。LHP是一类新兴的半导体材料，具有高吸收系数、长的电荷载流子扩散长度和相对良性的缺陷化学性质，已成为光伏吸收层的理想选择。到2023年，其效率已达到26.7%。钙钛矿材料的组成可调性允许制造具有广泛带隙范围的LHP，这使其能够用于开发多结太阳能电池。目前钙钛矿/硅串联太阳能电池的效率已经达到33.9%，远超硅和单结钙钛矿光伏的效率。当前挑战及应对方法包括：提高其可扩展性和稳定性，需要更深入地理解材料的结晶动力学对纳米尺度上的组成异质性、晶界和界面缺陷形成的影响，以及探究减少缺陷密度和钝化剩余缺陷的方法；加快LHP商业化，需要继续开发高效沉积技术、优化光管理、改进制造工艺和提高界面及接触层质量；解决钙钛矿材料的毒性问题，需要开发更绿色环保的溶剂替代品，并在实验室和商业规模上证明其有效性。

（4）有机光伏（OPV）。因其材料的柔软和分子特性，OPV具有轻质、柔性、易于安装、透明和颜色选择性等特点。其光电转换效率超过19%，实验室设备的理论寿命超过20年。工业规模的模块效率高达8%，且户外光伏寿命预计超过15年。当前挑战包括提高模块寿命、降低成本、实现规模化生产，并且需要适应特定应用的要求，如建筑集成光伏和室内光伏。为应对这些挑战，需要深入理解活性层和界面的退化机制，开发无毒溶剂及能在空气中快速处理的工艺等。对于真空热蒸发OPV，需要发现高效的可蒸发非富勒烯受体，以提高单结设备的光电转换效率。

2、光伏材料表征技术与标准。表征方法和测试标准是光伏技术开发的基石，贯穿从新材料发现到光伏系统实地部署的整个流程。最佳实践文件、协调的协议或在适用的情况下的标准，确保了高质量测量的采纳，尤其是在发布结果时记录所有相关信息。国际电工委员会发布的IEC 60904系列和IEC 61215系列等标准在光伏行业质量控制中发挥了重要作用。随着光伏安装规模超过1太瓦峰值，需要制定策略以持续提高光伏系统的运行寿命，降低电力成本，减轻行业对全球资源的压力。新技术（如钙钛矿或有机光伏设备）也需要特定的失败机制研究。对于双面光伏设备等新兴光伏技术，相关测量协议或指南尚未完善。因此，在发展非破坏性表征技术的同时，需要制定和修订相关协议和标准，以验证和评估新技术和方法。此外，更好地传播和获取最佳实践或标准文件也至关重要。

3、光伏材料计算与建模。从纳米尺度的高通量材料发现到微米尺度的离子扩散建模，再到生产线上使用深度机器学习进行电池缺陷诊断，计算建模广泛应用于光伏研究和开发的各个尺度。计算材料数据库促进了将已知无机化合物作为新型光伏吸收材料的广泛筛选，包括金属卤化物钙钛矿、双钙钛矿和铜铟镓硒等材料类别。目前所面临的关键问题包括：最容易获得的设计指标（如带隙和光吸收）并不足以保证高性能的器件表现。光伏器件在非平衡状态下产生电力，需要精确平衡的器件物理属性。此外，对材料的缺陷进行筛选需要大量算力，而高昂的计算成本阻碍了其快速发展。为应对这些问题，需要推动理论方法的发展，应用机器学习方法预测能量和原子力，并且使用生成式模型对晶体结构进行预测，从而降低计算成本。尽管这些方法仍处于起步阶段，尚未应用于新型光伏的预测，但在其他领域的成功应用显示了其潜力。

4、光伏系统的可持续性。光伏系统的环境影响评估涵盖了多个影响因素，这些影响因制造地和安装地的气候而异。其中，水资源的使用在光伏生产和运营中受到关注，尤其是生产阶段的水资源消耗较高。光伏技术相比其他能源技术具有更高的矿物资源稀缺潜力（MRSP）。随着技术进步，硅光伏的硅使用量已显著降低，但对于铜铟镓硒（CIGS）、CdTe等技术，MRSP较高，因为它们使用了更多的稀缺元素，如铟（In）和镓（Ga）。此外，从连接光伏电解水制氢到集成的“人工叶”面板，光伏概念和材料对太阳能燃料系统的性能贡献显著。这一领域的快速发展展示了太阳能燃料技术的实际应用潜力。光伏领域与太阳能燃料领域之间的协同合作为跨学科合作提供了广泛机会，光伏系统可以从太阳能燃料系统的集成设计中受益，实现成本最小化并扩展功能。   

（董金鑫）