2024年10月，英国国家先进材料研究所（亨利·罗伊斯研究所）发布光伏系统材料路线图，回顾了自2020年以来全球在光伏领域的关键进展，探讨了已建立和新兴光伏技术在可持续能源转换方面的发展现状、面临的挑战、技术进步以及未来展望等内容，以推动光伏技术的发展和应用，实现全球能源转型和可持续发展。

光伏技术是减少温室气体排放、满足低碳电力需求增长的关键技术。全球太阳能光伏装机容量需大幅增加，以实现净零排放目标。目前，晶体硅光伏占据主导地位，但仍面临诸多挑战。当前光伏产业面临的挑战与应对策略包括降低成本、提高效率、增强稳定性、确保供应链安全、实现可持续发展等。新兴技术如钙钛矿光伏有望提高效率，但也面临稳定性和毒性等问题。

1.晶体硅光伏

现状：晶体硅太阳能电池是最广泛应用的光伏技术，具有高转换效率、成本降低、稳定性好等优点，市场份额占比高。

挑战：存在带隙固定、吸收系数相对较小、对杂质敏感、脆性大等内在缺点，以及提升效率、延长稳定性、替代稀缺材料、实现高效回收等外在挑战。

技术进步：研发重点包括减少损失、开发高效串联电池架构、理解和缓解降解机制、确保材料可循环利用等，以实现大规模应用。

2.碲化镉及相关硫族化合物光伏

现状：碲化镉光伏是仅次于晶体硅的成功薄膜技术，具有成本低、可大规模生产等优势，市场份额逐步增长。

挑战：主要挑战是提高开路电压，以及应对碲元素稀缺问题，同时需解决毒性相关的误解和实际风险。

技术进步：通过研究材料科学、优化器件结构和沉积工艺，有望克服电压限制，提高效率，实现可持续发展。

3.卤化铅钙钛矿单结光伏

现状：卤化铅钙钛矿是新兴的高潜力材料，效率提升迅速，但仍需解决商业化面临的稳定性和可扩展性问题。

挑战：包括从实验室到工业规模的过渡、长期稳定性、理解结晶动力学和缺陷形成机制、毒性问题等。

技术进步：研发方向为开发可扩展的沉积技术、提高稳定性、深入理解材料形成机制、减少环境影响，以实现大规模部署。

4.卤化铅钙钛矿多结器件

现状：多结太阳能电池可提高效率，钙钛矿 / 硅串联电池效率已取得显著进展，接近或超过其他技术，多种商业化尝试正在进行。

挑战：面临提高效率、增强稳定性、设计有效回收策略、克服商业化障碍等挑战，包括沉积技术、材料稳定性、电流匹配、回收复杂等问题。

技术进步：需进一步开发高效沉积技术、解决稳定性问题、改进回收方法、提升计量精度，以实现可持续发展和大规模应用。

5.有机光伏

现状：有机光伏已实现较高认证效率和模块稳定性，具有独特优势，如柔性、可定制、半透明等，市场应用逐渐拓展。

挑战：包括提高模块寿命、降低成本、实现高效规模化生产、提高效率等，尤其是溶液处理型和真空热蒸镀型有机光伏面临不同挑战。

技术进步：需深入理解降解机制、开发绿色溶剂和高效材料、提高效率、优化器件结构、加强产学研合作，以推动技术发展和市场应用。

6.室内光伏

现状：随着物联网发展，室内光伏成为有潜力的替代电源，多种材料正在研究中，以满足物联网设备的可持续供电需求。

挑战：包括建立标准化测试协议、确保在不同光照条件下的性能、提高材料可扩展性和稳定性、解决毒性问题等。

技术进步：需开发标准化测试条件、进行生命周期分析、研究室内光资源、加强跨学科合作，以实现高效、可持续的室内光伏技术。

7.室内染料敏化光伏电池

现状：染料敏化电池在室内光照条件下具有一定优势，已实现较高效率，适用于低功率电子设备，具有可回收利用等特点。

挑战：主要挑战是提高效率、优化器件性能、解决稳定性问题，以及满足多样化商业应用需求。

技术进步：通过跨学科合作，开发新的材料、策略和器件架构，有望提高性能，推动室内光伏应用发展。

8.空间光伏

现状：空间太阳能电池为卫星提供主要动力，传统技术面临成本和效率挑战，新兴薄膜技术因成本和比功率优势受到关注。

挑战：包括降低成本、提高效率、增强稳定性、应对辐射和温度变化、解决聚光光伏技术的跟踪和散热问题等。

技术进步：需进行飞行测试、改进稳定性、探索新材料和结构、优化器件设计，以满足空间任务和空间太阳能发电的需求。

9.农业光伏

现状：农业光伏是实现能源与农业协同发展的新模式，全球装机容量增长，但面临技术和非技术挑战，不同类型系统各具特点和应用场景。

挑战：包括优化光伏模块类型、提高系统设计和实施水平、降低成本、解决监管障碍、应对环境和作物影响的不确定性等。

技术进步：需开发更透明的光伏技术、改进作物选择和利用、研究光谱利用效率、加强系统集成，以实现土地和水资源的高效利用。

10.光伏材料和器件开发的表征技术与标准

现状：准确可靠的表征和测量技术对光伏技术发展至关重要，国际标准为行业提供质量控制和技术基础，但仍面临一些挑战。

挑战：包括改进测试方法以提高光伏系统寿命和性能、解决新型光伏技术在测量和标准方面的问题、提高纳米尺度表征能力等。

技术进步：利用先进成像技术、加强合作与数据共享、开展国际比对活动、提升专业技能，有助于推动光伏技术的发展和标准化。

11.光伏的计算材料发现与设计

现状：理论和计算在光伏材料和器件设计中发挥重要作用，涵盖从纳米尺度到生产过程的多个方面，但面临一些挑战。

挑战：包括提高计算方法的准确性、处理复杂过程和微观结构、扩展材料搜索范围、提高机器学习方法的精度等。

技术进步：通过理论方法发展、软件创新、利用大数据和机器学习、投资计算资源，可加速材料发现和优化器件性能。

12.其他重要因素 - 可持续性和太阳能燃料合成

光伏系统的可持续性：评估光伏系统的环境可持续性，包括碳排放、水资源利用、矿物资源稀缺性等方面，不同技术的影响各异，需考虑整个生命周期。

光伏与太阳能燃料合成的结合：将光伏技术与太阳能燃料合成相结合，可实现可持续燃料生产，但面临成本、效率、稳定性和规模化等挑战，需要多方面的技术进步和创新。

13.路线图的关键要点

光伏技术对实现净零排放至关重要，投资研发和制造是加速发展的关键，包括提升现有技术和推动新兴技术商业化。

标准制定对新兴技术发展和市场应用至关重要，同时应加强生命周期管理，促进材料循环利用，实现可持续发展。

跨学科合作、数据共享、技能培训和系统级考虑对解决光伏技术面临的复杂挑战至关重要，需要政策支持和各方共同努力。