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阳光万里光伏路,雏凤清于老凤声

发布日期:2017-12-13 10:48:00 访问量:32

我国光伏产业连续多年雄踞全球光伏产量与光伏市场第一,是全体中国人的骄傲,取得如此成就与千千万万中国光伏人的奋斗分不开,既有一代代光伏事业开拓者——光伏老前辈的引领,也有新一代中青年光伏人的接力,在这样的人群中,科研与教育工作者是一个特别的群体,他们肩负科技创新与人才培养之大任。张晓丹研究员就是其中一位优秀的代表。

张晓丹研究员现为南开大学英才教授、博导、光电子薄膜器件与技术研究所所长。她在硅基薄膜沉积机理、材料生长动力学、叠层太阳电池中各子电池性能提升以及隧穿结设计与实现、可实现先进光管理的透明导电薄膜设计等方面做出了系列创新性研究成果。

近期笔者对这位光伏领域的巾帼青年科技英才进行了专访,以探究光伏研究新境界。

硅基薄膜太阳电池国内最高效率创造者

硅薄膜太阳电池按有源层材料的微结构可分为非晶硅太阳电池、微晶硅太阳电池,也包括以硅为基础的各种合金材料的硅基薄膜电池及叠层电池,例如非晶硅锗电池、非晶硅/非晶硅锗/微晶硅三结叠层电池等。目前世界上硅薄膜电池效率最高的是美国United solar开发的NIP型非晶硅/非晶硅锗/微晶硅三结叠层电池,其转换效率为16.3 %。

张晓丹介绍说,其研究团队在硅薄膜材料及其电池领域已有近40年的研究基础,该研究团队所开发的PIN型非晶硅/非晶硅锗/微晶硅三结叠层电池效率也达到了16.07%,是目前国内硅基薄膜电池的最高效率。

在研究团队全体成员的努力下取得的一些创新性成果主要体现在两个方面:首先是高性能器件的研究与开发,研究团队对先进光管理材料与结构的设计与实现、新型太阳电池材料选取与制备、先进器件结构的设计与实现以及光生载流子输运机制的深入分析等方面进行了大量的研究,并取得了系列研究成果,这是我们获得高效电池的关键因素;其次,研究团队非常注重具有自主知识产权的核心装备研发及其成套工艺技术开发,以及产业化技术转移。这一方面是我们获得高性能器件的重要保障,另一方面也有助于我们将实验室所获得的先进技术及时与工业化生产平台对接,更好的促进光伏产业的技术升级。

光伏研究应尊重市场规律 跟踪技术前沿

前几年,国内一度出现了非晶硅太阳电池产业投资热潮,但后来该产业发展出现停滞状态,一些企业改变了技术路线甚至彻底停产。

如何看待这个现象?张晓丹认为,这主要体现了市场对光伏产品的选择性作用。由于我们国家对能源产业结构的调整步伐不断加快,作为新型环保的可再生能源之一,太阳能光伏发电一直备受业界关注。前几年由于晶硅材料生产技术的限制,导致量产的晶硅材料售价普遍较高,造成晶硅电池生产成本较高。在这种环境下,可低温、大面积、连续生产的硅薄膜太阳电池被认为是晶硅太阳电池的有利竞争者,从而掀起了一股产业投资热潮。而随着晶硅材料以及电池产业技术的升级,目前晶硅电池产品的成本大幅降低,再加上它固有的转换效率高、稳定性好等优势,使得硅薄膜太阳电池的竞争力明显下降,因此很多企业自然而然的也就改变了自己的产业技术路线。其实就目前的光伏产品而言,我认为不管是哪种技术,都有自己特有优势,而能否将不同器件的固有优势结合起来,发挥协同互补作用,进一步在获得高性能的前提下降低制备成本,是未来的工作重点。

在光伏领域,一直存在晶硅太阳电池与薄膜太阳电池之争,但目前晶硅太阳电池占据市场龙头地位是不争的事实。

如何看待这两大类太阳电池的市场应用前景?张晓丹表示,目前光伏产品市场超过90 %以上的都是晶体硅太阳电池。由于晶体硅太阳电池转换效率高、稳定性好等特点,至少在未来5年内,大规模光伏电站应用领域会具有很好的应用前景;此外由于晶体硅材料光学带隙仅为1.12 eV,响应光谱范围较宽,因此将它与宽带隙太阳电池组合,构建叠层太阳电池也会是一个非常不错的选择。

但是我们也应该看到,单结薄膜太阳电池可在多种柔性衬底上制备,因此它在消费级电子产品、光伏建筑一体化等领域仍具有较为广阔的发展前景。个人认为在薄膜太阳电池的研究家族中,每种电池都有其存在的发展潜力和应用空间。

目前多晶硅太阳电池最高转换效率已达到22.3 %,单晶硅最高转换效率为26.6 %。就目前市场上的主流技术而言,晶硅电池制备主要是以传统的高温扩散技术为主,其与PERC/PERT和黑硅技术相结合,同时开发双面太阳电池,是当前广受关注的技术。值得注意的是,结合单晶硅与掺杂非晶硅薄膜构筑的硅异质结太阳电池(HIT)近些年也得到快速的发展。2017年日本KANEKA公司报道的交指式背接触异质结太阳电池(HIT+IBC)转换效率已达到26.6 %。此外,德国弗朗霍夫实验室开发的TopCon电池制备技术也获得了25.8 %的转换效率,十分具有产业化前景。上述的晶体硅太阳电池制备技术均为目前比较先进的技术方案,也具有较强的市场竞争力。此外,我们研究团队也将近40年薄膜材料与电池的研究,应用于HIT和TopCon以及基于晶硅电池的叠层电池技术的研究工作,并取得了一些成绩。相信随着制备技术的进一步发展,晶体硅太阳电池会有更强的市场竞争力。

发展光伏产业,科学研究在立足现实应用的同时,跟踪国际技术前沿很有必要。张晓丹介绍了笔者所关心的当前处于研究热潮中的新型钙钛矿太阳电池。

钙钛矿太阳电池转换效率从2009年的3.8%到最新的22.7%仅用了8年的时间,这是任何其他种类的太阳电池都不曾出现的发展速度。钙钛矿太阳电池效率高的主要原因在于其具有缺陷少、光学吸收系数高、激子结合能小、载流子扩散长度长等特点,通过调控钙钛矿材料组分及结晶过程中的生长速率及成核密度,比较容易获得较高的薄膜质量。目前钙钛矿太阳电池的最主要缺点在于其稳定性较差,对于应用环境的容忍度较小,同时制备大面积钙钛矿电池较困难、效率也较低。因此如何在保证器件效率的前提下进一步提升电池的稳定性将是未来的研究重点。

科研成果考核、人才培养需要全方位

作为一位科技工作者和大学老师,科学研究与教学是工作的重心,申请课题,发表论文都是必须的。社会上有一种倾向,就是唯核心期刊论,发表论文就束之高阁,往往忽视研究成果的应用或产业化问题。

关于科学研究与人才培养,张晓丹说,虽然我们研究团队目前已开展了多种太阳电池的研究工作,但我们在科研选题方面始终遵循前瞻性、可行性、产业应用潜力等几个基本原则。结合本研究团队的研究基础及现有研究平台,保证选题以有助于解决相关研究领域存在的关键科学与技术问题为宗旨,同时所开发的技术具有较强的创新性及产业化应用的可能性。我个人认为,科研成果的考核需要全方位:发表论文、申请专利只是其中一方面,研究方向的延续性和专一性需要给予关注,需要综合考虑一个领域和方向的历史积淀为好。

张晓丹本人就曾因为单纯以论文影响因子作为评价依据而受到过挫折,通过总结,最近几年她在继续做好具体实用技术研发的同时,也同时找到了可出创新性成果高水平文章的新方向。

张晓丹不仅是一位优秀的青年科技工作者,同时也是一个共产党员和大学教师。谈到对大学生、研究生的全面教育与培养问题时,她说,我们团队中的学生都是受过高等教育的研究生,他们在意识形态方面都具有较为独立和客观的认知方式,和他们的交谈中也能感受到,虽然每个人的人生目标不同,但大家都是积极向上的,对待社会问题也能有比较理性的看法。其实作为一名科研人员,我们都能感受到党和各级政府对科技发展以及新能源领域大力推动的引导作用。可以说,没有这些支持,我们也无法取得今天这样的研究成果。我也教育同学们看待问题要结合具体环境,实事求是,与时俱进。我觉得同学们也都坚信在党的领导下和各位科研同行的努力下,我们国家在新能源光伏领域会有更大的发展。

后记

笔者与张老师多年前相识,并推荐她成为《太阳能》《太阳能学报》编委,她积极履行一位编委的职责,为两刊组稿、审稿及两刊相关行业活动给予积极支持,由此笔者看到了一位科技工作者严谨认真负责的工作态度。通过这次采访,了解到她这些年在光伏科研工作中取得的骄人成绩,笔者深感此乃必然。

当前,世界光伏产业发展方兴未艾,在此笔者化用李商隐的诗句,“阳光万里光伏路,雏凤清于老凤声”,像张晓丹教授一样的中青年光伏科技工作者将成为光伏科技创新的中坚力量,而科技创新将加快推动实现光伏发电平价上网。

张晓丹简介

1973年9月出生于吉林辽源,中共党员,现为南开大学英才教授、博导、光电子薄膜器件与技术研究所所长;科技部十二五863项目首席专家,天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室主任、教育部光学信息技术科学重点实验室副主任;中国可再生能源学会理事、中国可再生能源学会光电专业委员会、副秘书长;天津市可再生能源学会理事;《太阳能学报》和《太阳能》两刊编委;全国专业标准化技术委员会委员。

先后入选中组部“万人计划”领军人才计划、科技部中青年科技创新领军人才计划、教育部新世纪优秀人才支持计划、天津市“131”创新型人才培养工程第一层次、天津市有突出贡献专家和南开大学首批百名青年学科带头人培养计划;获天津市技术发明奖3项、天津青年科技奖、天津市巾帼发明家新秀奖。

在太阳电池领域顶级期刊Prog. Photovolt: Res. Appl.和Sol. Energy Mater. Sol. Cells以及能源材料类Energy Environ. Sci.、Nano Energy和Appl. Phys. Lett.等期刊上发表SCI论文179篇,其中大类一区的SCI论文53篇。主持太阳电池方面的译著1部、参编专著2部。应邀在重要的国际和国内的学术会议做特邀报告31次【包括美国春季材料大会(2015 MRS)、亚洲光伏大会(PVSEC)、非晶纳晶半导体国际大会(26th ICANS)和德国举办的OSA等】。获授权发明专利41项,其中第一发明人20项。获国际先进水平的鉴定成果8项。

主持完成国家和省部级项目共9项(包括科技部973重大导向项目的第6课题;国家科技部重点863和探索导向类863课题3项;国家基金、天津市科技支撑项目、天津基金项目等)。目前,正在主持国家和省部级项目5项(包括国家自然科学基金2项、科技部国际合作项目、天津重点基金和江苏省重点项目)。主持完成横向项目6项,正在主持横向项目1项。

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