太瓦級(jí)太陽(yáng)能光伏：絆腳石和機(jī)會(huì)目 錄推薦序原書(shū)前言關(guān)于作者關(guān)于譯者1章重大的能源挑戰(zhàn)

……………………11.1太陽(yáng)能 32本書(shū)范圍 5參考文獻(xiàn) 62章太陽(yáng)能光伏現(xiàn)狀

……………………71轉(zhuǎn)換效率 72.2成本3

………………………10………………………14參考文獻(xiàn) 17第3章太陽(yáng)電池的物理 191太陽(yáng)電池的分類(lèi) 193.2太陽(yáng)電池的工作原理 213.2.1太陽(yáng)電池中的光吸收 213.2.2太陽(yáng)電池中的電荷分離 243.3太陽(yáng)電池中的損耗機(jī)制 27331光學(xué)損耗332復(fù)合損耗333電阻損耗4太陽(yáng)電池參數(shù)

……………28……………31……………35……………38參考文獻(xiàn) 40第4章晶體硅太陽(yáng)電池和組件的制造 411多晶硅原料 414.2單晶硅片 434.3晶體硅太陽(yáng)電池和組件 45目 錄 Ⅸ4.4硅片制造的替代工藝 485太陽(yáng)能光伏的主要問(wèn)題初探 50參考文獻(xiàn) 525章太瓦級(jí)太陽(yáng)能光伏的絆腳石

……………………531太瓦級(jí)太陽(yáng)能光伏的要求 53511512

……………54……………565.1.3現(xiàn)有電池技術(shù)的缺點(diǎn) 565.2原材料的可獲取性 575.2.1碲化鎘 585.2.2銅銦鎵硒 59523524

………………59………………605.2.5材料可獲取性總結(jié) 615.3原材料的年產(chǎn)量 625.4晶體硅太陽(yáng)電池和組件的能量消耗 635.5太瓦級(jí)太陽(yáng)能光伏的其他絆腳石 665.5.1太陽(yáng)能電力的存儲(chǔ)52太陽(yáng)能組件的回收

…………………66…………………67參考文獻(xiàn) 696章太瓦級(jí)太陽(yáng)能光伏之路

…………701太瓦級(jí)晶體硅太陽(yáng)能光伏 706.1.1銀前電極的替代 716.1.2硅片的低能耗生產(chǎn) 746.1.3硅錠的快速低損耗切割 776.2太瓦級(jí)薄膜太陽(yáng)能光伏621薄膜硅太陽(yáng)能光伏

…………………78…………………796.2.2硅之后的薄膜太陽(yáng)能光伏 806.3太陽(yáng)能電力的太瓦級(jí)存儲(chǔ) 84參考文獻(xiàn) 88第7章結(jié)語(yǔ) 90參考文獻(xiàn) 92第1章重大的能源挑戰(zhàn)21世紀(jì)里人類(lèi)面臨的最大的挑戰(zhàn)無(wú)可置疑是我們必須對(duì)過(guò)去200多年已知的能源基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行根本的改變。這一根本改變由來(lái)自化石能源的燃燒釋放到地球大氣層的二氧化碳（CO2）所導(dǎo)致的全球氣候變化所驅(qū)動(dòng)。自從工業(yè)革命以來(lái)，煤炭、石油和天然氣已經(jīng)成為我們主要的能源來(lái)源。它們不得不被消減和補(bǔ)充，也將遲早被無(wú)碳排放的能源所取代。

[1]我們所面臨挑戰(zhàn)的規(guī)模是巨大的。圖1.1給出了Hoffert等人對(duì)未來(lái)全球能源。最上面的曲線(xiàn)表明我們當(dāng)前年）（或。到，，達(dá)到。圖1。圖.1中曲線(xiàn)上標(biāo)有的“E”代表把大氣層中二氧化碳濃度穩(wěn)定在、、、和一。這個(gè)預(yù)測(cè)是根據(jù)y、s和s]提出的模型。舉個(gè)例子，對(duì)年大氣中來(lái)滿(mǎn)足總的。112100年全球能源預(yù)期需求[1。MacmillanPublishersLtd允許轉(zhuǎn)載。不同的顏色代表不同能源按照一如往常的預(yù)估對(duì)未來(lái)能源需求的貢獻(xiàn)。曲線(xiàn)上標(biāo)有的“E”代表穩(wěn)定大氣層中目標(biāo)二氧化碳濃度所允許的最大化石燃料能一m：psn，百萬(wàn)分之一。PAGE2PAGE2太瓦級(jí)太陽(yáng)能光伏：絆腳石和機(jī)會(huì)第1第1章重大的能源挑戰(zhàn)PAGE312所示，1800年開(kāi)始的工業(yè)革命[3之前的數(shù)千年里，大氣中280ppm。20135月，據(jù)美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局的數(shù)據(jù)，大氣中二氧化碳濃度超過(guò)400ppm[4]。大氣中二氧化碳濃度的快速升高改變了到達(dá)地球的太陽(yáng)輻照與反射出的熱輻射間脆弱的能量平衡。二氧化碳的其中一個(gè)吸收峰位于紅外光區(qū)約15μm附近。這與地球熱輻射光譜的峰位一致[5，因此可以留住大氣層中的熱量，使得地表溫度上升，13所示[61880～2012年間，1。30年的上升速度為10015。圖1.2過(guò)去兩千年間大氣中二氧化碳濃度[3]。經(jīng)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)允許轉(zhuǎn)載。其他兩種溫室氣體也包括在內(nèi)。據(jù)美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局發(fā)布，2013年5月大氣中二氧化碳濃度超過(guò)400ppm[4]由于能源基礎(chǔ)設(shè)施的巨大慣性，也許已經(jīng)太遲而不能將大氣中二氧化碳濃度450ppm。11表明如果大氣中二氧化碳允許的最大目標(biāo)濃度為750ppm，205030TW11TW或者說(shuō)約占37。1GW（109W）。如果我們1GW，那么為了將清潔能源到205011TW的容量，37年里每天建造一個(gè)電站。如果這些無(wú)碳排放發(fā)電站的標(biāo)價(jià)能減少到與核能發(fā)電站相似的水平，5美元，11TW容量55萬(wàn)億美元投資。取決于系統(tǒng)的規(guī)模和當(dāng)?shù)氐奶?yáng)光強(qiáng)度，目前基于15～30美元/W。11TW太陽(yáng)能165～330萬(wàn)億美元的投資。2100年并且大氣中二氧750ppm2050～210017TW的清圖1.3以1951～1980年為基準(zhǔn)的從1880～2012年全球平均表面溫度的異常[6]。在1880～2012年之間表面溫度升高了幾乎1℃，其中過(guò)去30年中平均增長(zhǎng)速度為每10年約0.15℃潔能源。1GW21世紀(jì)結(jié)束，其5150萬(wàn)億美元，15～30450～900萬(wàn)億美元。這些粗略的計(jì)算僅包括新能源基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，也就是能源的產(chǎn)生。新能源的基礎(chǔ)設(shè)施不僅包括能源的產(chǎn)生，也包括能源的存儲(chǔ)、輸運(yùn)和使用。更遠(yuǎn)一些的相關(guān)事物還包括能源基礎(chǔ)設(shè)施改變帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)、地域政治、社會(huì)、行為學(xué)和環(huán)境影響，這是因?yàn)榱畠r(jià)的可靠的能源已經(jīng)成為我們現(xiàn)代社會(huì)的基礎(chǔ)。對(duì)于作者一個(gè)人來(lái)說(shuō)，提供關(guān)于新能源基礎(chǔ)設(shè)施的綜合分析是不可能的。上述討論的目的是想說(shuō)明，我們努力去結(jié)束對(duì)化石能源的依賴(lài)并留給我們子女一個(gè)宜居的星球，這一任務(wù)是非常艱巨的。1太陽(yáng)能在我們開(kāi)始建設(shè)清潔能源工廠之前，我們必須找到清潔能源的來(lái)源。在全球的能源需求達(dá)到數(shù)十太瓦的時(shí)候，我們的選擇僅限于一種或者兩種清潔能源，是太陽(yáng)能和核聚變2W2105TW，7000倍。地球一小時(shí)接收的太陽(yáng)能超過(guò)我們整個(gè)行星一年的總能量消耗。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)之內(nèi)，只有太陽(yáng)能具有滿(mǎn)足整個(gè)星球能源需求的能力。除了核聚變之外，沒(méi)有其他的我們目前已知的清潔能源具有這樣的規(guī)模，在未來(lái)的能源結(jié)構(gòu)中，這些其他已知的清潔能源只能成為補(bǔ)充的能源來(lái)源。Lewis給出的關(guān)于清潔能源來(lái)源及其規(guī)模的更詳細(xì)的分析可以在參考文獻(xiàn)[7]中找到。除了太陽(yáng)能和核聚變之外，其他的清潔能源包括風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、洋流、潮汐能、地?zé)崮芎秃肆炎儭Ｓ腥さ氖牵撕Ｑ蟪毕⒌責(zé)崮芎秃四苤猓S多清潔能源也是源自太陽(yáng)能的。太陽(yáng)能利用所需要的土地也不是很大。把地球表面1%的面積鋪上10%轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置就可以產(chǎn)生大約120TW的能量[8]，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于所預(yù)測(cè)的到2100年地球上的能量需求。1415（5）的情況下標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜，也就是說(shuō)太陽(yáng)48°角時(shí)的太陽(yáng)光譜。300～2500nm光譜范圍的直射和散射的太陽(yáng)光。5的太陽(yáng)光強(qiáng)度大約為1000W/m。太陽(yáng)電池的效率通常是在這一光譜下測(cè)量的。圖中的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為光子束流，也就是單位面積單位時(shí)間和單位波長(zhǎng)下的光子數(shù)。這對(duì)于太陽(yáng)能光伏來(lái)說(shuō)比單位波長(zhǎng)單位面積的以瓦特為單位的光譜輻照能量更實(shí)用，因?yàn)樗砹斯庾拥臄?shù)目而不需要是能量數(shù)。它決定太陽(yáng)光所產(chǎn)生的載流子的數(shù)目。圖1.4AM1.5的參考太陽(yáng)光譜[9]。也就是說(shuō)太陽(yáng)大約是在天頂約48°。這一光譜包含了直射和散射的太陽(yáng)光，其總功率大約為1000W/m2。數(shù)據(jù)是以光子流為單位給出的，因?yàn)楣庾訑?shù)決定了太陽(yáng)光所能產(chǎn)生的載流子數(shù)。目前核聚變還沒(méi)有被證明為可控的和可靠的產(chǎn)生能源的方法，而多種太陽(yáng)能利用技術(shù)已經(jīng)獲得產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。美國(guó)能源部的一個(gè)題為“太陽(yáng)能利用基礎(chǔ)研究需求”的報(bào)告提供了把太陽(yáng)能從光能轉(zhuǎn)換為其他多種更便于應(yīng)用的能量形式的技術(shù)介紹[8]。總的來(lái)說(shuō)，有三種令人感興趣把太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為其他形式能源的轉(zhuǎn)換過(guò)程：光電轉(zhuǎn)換；光化學(xué)轉(zhuǎn)換；光熱轉(zhuǎn)換。我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ?jiàn)的兩種能源形式是電力和石油。光電和光化學(xué)轉(zhuǎn)換可以為化石能源以及化石能源產(chǎn)生的電力提供替代。雖然不如光電和光化學(xué)流行，熱能也以熱空氣或者熱水集中供熱的方式在城市里出現(xiàn)。與核能和燃煤發(fā)電工廠等受控的能量產(chǎn)生方式相比，太陽(yáng)能是一種難以預(yù)測(cè)的能量來(lái)源。在給定的時(shí)刻，太陽(yáng)與地球上任何位置的相對(duì)位置可以相當(dāng)精確地預(yù)測(cè)，這確定了對(duì)這一給定位置當(dāng)時(shí)太陽(yáng)光強(qiáng)度的最大可能值。與這一數(shù)值相比，天氣和人類(lèi)活動(dòng)諸如污染的影響更加難以預(yù)測(cè)。此外，我們的能量需求經(jīng)常與通常在中午達(dá)到峰值的太陽(yáng)能產(chǎn)生的周期不匹配。一旦太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能、化學(xué)能或者熱能，經(jīng)常需要為以后或者其他地域的需求進(jìn)行能量的存儲(chǔ)和輸送。太陽(yáng)能到電能的轉(zhuǎn)換采用光伏器件，包括光電化學(xué)器件。本書(shū)將提供太陽(yáng)能光伏達(dá)到太瓦級(jí)的主要絆腳石和幾個(gè)瓶頸問(wèn)題的分析。特別是，本書(shū)將提供一個(gè)關(guān)于太瓦級(jí)太陽(yáng)能光伏的自然資源限制的定量分析。光化學(xué)轉(zhuǎn)換把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)在化學(xué)鍵里。產(chǎn)生的太陽(yáng)能燃料可以采用與石油輸運(yùn)相似的方法運(yùn)輸。換句話(huà)說(shuō)，光化學(xué)轉(zhuǎn)換把太陽(yáng)能產(chǎn)生和存儲(chǔ)合并為一步，因此與其他兩個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程相比具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)。光化學(xué)轉(zhuǎn)換的一個(gè)例子是光解水，即太陽(yáng)能把水分子（H2O）（H2）和副產(chǎn)物氧氣（O2）。另一個(gè)可能是太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的二氧（CO），可以用于合成燃料的制備。一種今天常見(jiàn)的光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)是屋頂上的太陽(yáng)能熱水器。它為數(shù)百萬(wàn)家庭提供低于100℃的熱水。人們也開(kāi)發(fā)了集成兩種轉(zhuǎn)換過(guò)程到同一個(gè)系統(tǒng)的更為復(fù)雜的技術(shù)。這在聚光太陽(yáng)能系統(tǒng)中體現(xiàn)的更明顯，他們采用鏡子或者透鏡把大面積的太陽(yáng)光聚焦到一個(gè)很小的面積上。在這樣的系統(tǒng)的焦點(diǎn)上，液體被加熱到約1000℃。所產(chǎn)生的蒸汽可以用于驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的汽輪發(fā)電機(jī)。從原理上講，高溫同樣也可以用于進(jìn)行熱化學(xué)還原把CO2轉(zhuǎn)化為CO用于合成燃料。聚光太陽(yáng)能電力系統(tǒng)需要跟蹤太陽(yáng)的追蹤系統(tǒng)，并且必須被安裝在干燥的對(duì)直射太陽(yáng)光沒(méi)有遮擋的氣候環(huán)境下。2本書(shū)范圍上面所討論的太陽(yáng)能利用技術(shù)正處于成熟度不同的階段。從產(chǎn)業(yè)化來(lái)看，今天最成功的技術(shù)可能是太陽(yáng)能熱水器。雖然它們技術(shù)上成熟而且經(jīng)濟(jì)上具有競(jìng)爭(zhēng)力，但是它們并不能制造電力或者燃料。太陽(yáng)能光伏組件和聚光太陽(yáng)能系統(tǒng)與化石燃料和核裂變相比發(fā)電成本仍然偏高，但是它們已經(jīng)在吉瓦級(jí)水平上得到了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。光化學(xué)轉(zhuǎn)換和光電化學(xué)器件很大程度上仍然處于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的不同階段。本書(shū)將聚焦于已經(jīng)準(zhǔn)備大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)，也就是說(shuō)太陽(yáng)能光伏。我們將應(yīng)用太陽(yáng)能光伏電池或者更簡(jiǎn)單的太陽(yáng)電池這一術(shù)語(yǔ)來(lái)體現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)利用光伏效應(yīng)把太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換為電力這一事實(shí)。在作者心目中，21世紀(jì)末太陽(yáng)能將成為我們生活中能源的主要來(lái)源是沒(méi)有疑問(wèn)的。然而，在新的能源基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中光伏能夠扮演多重要的角色呢？除了效率和成本之外，有沒(méi)有其他的絆腳石和瓶頸阻礙太陽(yáng)能光伏發(fā)揮其全部的潛力？11所表明的那樣，太陽(yáng)能光伏需要達(dá)到數(shù)十太瓦峰值功率的規(guī)模，否則它將不會(huì)對(duì)我們未來(lái)能源體系產(chǎn)生顯著的貢獻(xiàn)。有許多絆腳石如果不被克服的話(huà)，采用現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化的太陽(yáng)電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)太瓦級(jí)應(yīng)用將被阻止。此外，還有一些阻礙現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化太陽(yáng)電池技術(shù)應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。在本書(shū)中我們將更詳細(xì)地討論這其中的一些絆腳石和瓶頸問(wèn)題。我們將分析由于原材料和電力有限的可獲取性對(duì)太瓦級(jí)太陽(yáng)能光伏的自然資源限制。我們也將解釋太瓦級(jí)太陽(yáng)能電力的存儲(chǔ)和太瓦級(jí)廢棄光伏組件回收問(wèn)題中的絆腳石。本書(shū)也將給出太瓦級(jí)太陽(yáng)電池技術(shù)的一些所需要的理想的特性，它們將為我們開(kāi)發(fā)低成本、高效率的可實(shí)現(xiàn)太瓦級(jí)太陽(yáng)電池技術(shù)的努力提供指導(dǎo)。為了實(shí)現(xiàn)太瓦級(jí)太陽(yáng)能光伏的終極目標(biāo)，本書(shū)將給出幾個(gè)戰(zhàn)略性的研究方向，這將涵蓋太瓦級(jí)晶體硅太陽(yáng)能光伏、太瓦級(jí)薄膜硅太陽(yáng)能光伏和硅之后的太瓦級(jí)薄膜太陽(yáng)能光伏。最后本書(shū)將提出一個(gè)可持續(xù)的太陽(yáng)能電力存儲(chǔ)和輸運(yùn)的能量循環(huán)，它將可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的按需輸送和使用。對(duì)于太陽(yáng)能光伏的未來(lái)來(lái)說(shuō)，本書(shū)中的分析第一眼看上去可能有些令人失望。作者的目的不是為了讓讀者失望，而是為了量化挑戰(zhàn)，無(wú)論它看上去有多令人望而生畏。更重要的是，作者希望大家意識(shí)到這一巨大的挑戰(zhàn)給科學(xué)家和工程師帶來(lái)的機(jī)會(huì)有多大。對(duì)希望自己的研究能產(chǎn)生長(zhǎng)期持久影響力的所有人來(lái)說(shuō)，這是一生中只有一次的機(jī)會(huì)。這也是我們對(duì)文明、地球以及我們孩子的責(zé)任。參考文獻(xiàn)第2章太陽(yáng)能光伏現(xiàn)狀在討論太陽(yáng)能光伏的技術(shù)之前，我們先綜述一下它的現(xiàn)狀。這一章將從綜述現(xiàn)有太陽(yáng)電池技術(shù)及其效率開(kāi)始。隨后是關(guān)于太陽(yáng)能光伏大規(guī)模應(yīng)用眾所周知的障礙即太陽(yáng)電池成本的討論。第三部分將討論太陽(yáng)能光伏的市場(chǎng)，包括年度和累計(jì)的安裝量，不同電池技術(shù)的市場(chǎng)份額以及它們的歷史趨勢(shì)。本章將有一個(gè)充滿(mǎn)希望的結(jié)束，即采用光伏技術(shù)利用太陽(yáng)能的潛力和需要填補(bǔ)的空隙都是巨大的。1轉(zhuǎn)換效率光伏的概念是指光生電壓。它是由法國(guó)物理學(xué)家Becqurel1839年發(fā)現(xiàn)的[1]。他的實(shí)驗(yàn)采用了一個(gè)酸性溶液中以氯化銀（Cl）電極和鉑（t）電極構(gòu)成的電化學(xué)池。AgCl電極上的時(shí)候，兩個(gè)電極之間觀察到了一個(gè)電壓。美國(guó)發(fā)明家s[2]在1883年展示了一個(gè)全固態(tài)的光伏器件。他在半導(dǎo)體（Se）（Au）這個(gè)器件的能量轉(zhuǎn)換效1。pn結(jié)的現(xiàn)代太陽(yáng)電池是在1946年由貝爾實(shí)驗(yàn)室的Ohl[3發(fā)明。Chapin等人[41954年展示了第一個(gè)現(xiàn)代的硅太陽(yáng)電池。他們的電池采用了一個(gè)單晶的硅片，在n型硅片上形成了一個(gè)25μm的p層，6。25的效率[5，但是在幾個(gè)關(guān)鍵的方面它們?nèi)灶?lèi)似于第一個(gè)硅電池，也就是說(shuō)，它們都采用單晶或者多晶的硅片進(jìn)行太陽(yáng)光吸收，pn結(jié)進(jìn)行電荷分離。自從1954年的第一塊晶體硅太陽(yáng)電池發(fā)明之后，太陽(yáng)電池領(lǐng)域取得了持續(xù)不斷的進(jìn)步。圖2.1給出了2013年美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）編輯的不同太陽(yáng)電池技術(shù)在過(guò)去37年以來(lái)最好實(shí)驗(yàn)室效率的變化。太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換效率η，是指最大的電力輸出與入射太陽(yáng)光能量之間的比值：η（%）＝最大電力輸出/入射太陽(yáng)光能量圖2.1中不同的產(chǎn)業(yè)化的太陽(yáng)電池技術(shù)包括：晶體硅太陽(yáng)電池，單晶或者多晶；薄膜碲化鎘（CdTe）太陽(yáng)電池；薄膜硅太陽(yáng)電池，非晶或者微晶；8太瓦級(jí)太陽(yáng)能光伏8太瓦級(jí)太陽(yáng)能光伏：絆腳石和機(jī)會(huì)211976～2013年之間實(shí)驗(yàn)室太陽(yáng)電池最高轉(zhuǎn)換效率的變化[6。目前規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的太陽(yáng)電池技術(shù)包括晶體硅、碲化鎘、薄膜硅和銅銦鎵硒。正在發(fā)展的太陽(yáng)電池技術(shù)包括三-五族、染料敏化、鈣鈦礦、有機(jī)和銅鋅錫硫硒第2第2章太陽(yáng)能光伏現(xiàn)狀PAGE11PAGE10PAGE10太瓦級(jí)太陽(yáng)能光伏：絆腳石和機(jī)會(huì)薄膜銅銦鎵硒（Cunxa1-xSe2或者CS）太陽(yáng)電池當(dāng)前正在發(fā)展的太陽(yáng)電池技術(shù)包括：五族半導(dǎo)體多結(jié)疊層太陽(yáng)電池；染料敏化太陽(yáng)電池；鈣鈦礦太陽(yáng)電池；有機(jī)太陽(yáng)電池；薄膜銅鋅錫硫硒（Cu2ZnSnSe4xSxCZTSS）太陽(yáng)電池；砷化鎵（GaAs）單結(jié)太陽(yáng)電池。單晶硅太陽(yáng)電池的效率已經(jīng)達(dá)到了25%，而多晶硅太陽(yáng)電池的效率為204。444是由一種三結(jié)疊層電池保持的（GaxIn1xAs）、砷化鎵和銦鎵磷（GayIn1yP）三層pn結(jié)堆積而成。每個(gè)結(jié)都具有不同的能帶負(fù)責(zé)吸收太陽(yáng)光譜一個(gè)特定部分的光。302個(gè)太陽(yáng)的聚光器下測(cè)量的。有意思的是，五族疊層電池，在太陽(yáng)光聚光器下從1300個(gè)以上的太陽(yáng)其效率從大約3744，6%～7。聚光帶來(lái)的效率提升在晶體硅太陽(yáng)電池中則不那么引人注意，11002528，2%～3。除了晶體硅之外，還有幾種薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，包括非晶或者微晶硅以及兩種金屬硫族化合物碲化鎘和銅銦鎵硒。它們的轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄分別204、196134。21中也包括了染料敏化太陽(yáng)電池、鈣鈦礦太陽(yáng)電池、有機(jī)太陽(yáng)電池和銅鋅錫硫硒等幾種正在發(fā)展的太陽(yáng)電池技術(shù)。7%～11之間，不過(guò)有一個(gè)例外。在短短幾年時(shí)間里，141的轉(zhuǎn)換效率突出重圍[7，其發(fā)展步伐遠(yuǎn)快于其他正在發(fā)展的薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)。雖然這些實(shí)驗(yàn)室太陽(yáng)電池在多年研究中積累的轉(zhuǎn)換效率提升引人矚目，但產(chǎn)業(yè)化電池的轉(zhuǎn)換效率通常是這些實(shí)驗(yàn)室效率的三分之二左右。產(chǎn)業(yè)化電池的尺寸通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)室電池，兩者轉(zhuǎn)換效率的差距部分是由于在材料和工藝中的不均勻性造成的。實(shí)驗(yàn)室電池的尺寸通常是幾個(gè)平方厘米。產(chǎn)業(yè)化的多晶硅太陽(yáng)電池是采用156×156mm2的硅片制造的，而產(chǎn)業(yè)化的薄膜電池可以更大。另一個(gè)原因是，實(shí)驗(yàn)室電池可以用更為復(fù)雜因而也更昂貴的工藝制造，而產(chǎn)業(yè)化電池必須在工藝成本和電池效率之間權(quán)衡。比如：實(shí)驗(yàn)室電池的制作可以采用蒸發(fā)和濺射沉積等基于真空技術(shù)的金屬電極制作技術(shù)，而在產(chǎn)業(yè)化電池中就比較少見(jiàn)。在從電池到組件的過(guò)程中也有1%～2%的絕對(duì)效率損失。組件中的效率損失也來(lái)自幾個(gè)因素的影響。其中之一是來(lái)自前板玻璃和層壓材料[通常是乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）]的吸收和反射等光學(xué)損失。雖然組件中只使用效率相近的匹配電池，轉(zhuǎn)換效率的小差異也會(huì)導(dǎo)致不匹配損失。在著電阻損失。總的來(lái)說(shuō)，20的轉(zhuǎn)換效率，多晶硅和15，13，10。2.2成本。成本是太陽(yáng)能光伏大規(guī)模應(yīng)用最廣為人知的瓶頸。太陽(yáng)能電力的成本隨許多因素的影響變化很大，比如所安裝系統(tǒng)的規(guī)模，系統(tǒng)越大單位成本越低。由于太陽(yáng)能光伏的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)太瓦級(jí)應(yīng)用，我們將聚焦于現(xiàn)在最大的兆瓦級(jí)峰值（兆峰瓦，MWp）的規(guī)模系統(tǒng)的成本。幾個(gè)千瓦峰值（kWp）的小型住宅屋頂電站系統(tǒng)以美元每峰瓦（美元/Wp）計(jì)的成本可以達(dá)到大型系統(tǒng)的2倍。系統(tǒng)規(guī)模的第三類(lèi)是在數(shù)十到數(shù)百千瓦峰值的商用系統(tǒng)。表2.1列出了現(xiàn)在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)。典型的規(guī)模表2.1今天的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的典型規(guī)模和它們預(yù)期的未來(lái)規(guī)模分類(lèi)當(dāng)前規(guī)模未來(lái)規(guī)模住宅系統(tǒng)<10kWp<10kWp商用系統(tǒng)10kWp～1MWp10kWp～1GWp規(guī)模電站≥1MWp≥1GWp注：規(guī)模電站系統(tǒng)需要達(dá)到吉瓦級(jí)峰值才能對(duì)我們未來(lái)的能源系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的貢獻(xiàn)。計(jì)算太陽(yáng)能電力的成本有多種方法。對(duì)于太陽(yáng)電池和組件的制造商來(lái)說(shuō)，最方便的方法是按照組件每峰瓦多少美元的售價(jià)來(lái)計(jì)算。在2012年，晶體硅和薄膜碲化鎘組件的價(jià)格大約是0.85美元/Wp。這個(gè)價(jià)格與2011年的大約1.5美元/Wp相比有了明顯的降低。一種更好的計(jì)算太陽(yáng)能光伏前置成本的方法是仍然以美元/Wp為單位計(jì)算安裝完的系統(tǒng)成本，這包括了太陽(yáng)能組件的成本和安裝成本。安裝費(fèi)用包括安裝材料（支架和電纜）、逆變器、勞動(dòng)力、許可費(fèi)用、融資費(fèi)用和安裝者的支出（管理費(fèi)、稅、廣告費(fèi)用和利潤(rùn)）。這些費(fèi)用，特別是非硬件的成本，隨地域的變化非常大且非常難以總結(jié)。在2012年，大型電站系統(tǒng)的安裝成本平均大約為2.5美元/Wp。對(duì)于電力公司或者消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能光伏的平準(zhǔn)化電力成本（LevelizedCostofElectricity，LCOE）更為重要，它的定義是： CE（ /kh）＝ /壽命周期總成本壽命周期電力總輸出壽命期成本不僅包括太陽(yáng)能系統(tǒng)的安裝成本，還包括其運(yùn)行及維護(hù)成本。這種方法有利于對(duì)比太陽(yáng)能電力與其他電力來(lái)源如煤、石油、天然氣、水力、核能或風(fēng)力發(fā)電的成本。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)無(wú)需燃料和固定勞動(dòng)力，因此具有低運(yùn)行及維護(hù)成本的優(yōu)點(diǎn)。但組件長(zhǎng)時(shí)間積累的灰塵會(huì)降低電力輸出，因此需要臨時(shí)工進(jìn)行組件的維護(hù)及清理。表2.2對(duì)比了不同的成本計(jì)算方法。22中的第二種方法，系統(tǒng)安裝成本，可用于對(duì)比不同發(fā)電技術(shù)的前期成本。2012年，規(guī)模太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)約為33美元/Wp。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)在夜間沒(méi)有發(fā)電量，在早晨和傍晚的發(fā)電量極少。太陽(yáng)能發(fā)電與當(dāng)?shù)靥?yáng)光強(qiáng)度、氣候、空氣質(zhì)量和地形有關(guān)，時(shí)均電力輸出介于峰值輸出的10%～20之間。為了對(duì)比，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)安裝成本需要從美元/Wp轉(zhuǎn)化為美元/W。一個(gè)時(shí)均電力輸出為～3美元/～美元/比核電站或燃煤發(fā)電站的前期成本要高出好幾倍。表2.2太陽(yáng)能光伏的三種成本計(jì)算方法對(duì)比方法單位優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)太陽(yáng)組件成本美元/Wp一種計(jì)算組件成本的簡(jiǎn)單方法不能計(jì)算安裝、運(yùn)行及維護(hù)成本系統(tǒng)安裝成本美元/Wp一種計(jì)算預(yù)支成本的好方法不能計(jì)算運(yùn)行及維護(hù)成本平準(zhǔn)化電力成本美分/kWh 一種對(duì)比其他電力來(lái)源的好方法 本注：每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，但最終太陽(yáng)能電力的平準(zhǔn)化成本不得不與其他電力來(lái)源相競(jìng)爭(zhēng)。222005～2012年間的年均出廠價(jià)格[8。23顯示了1998～]12年間美國(guó)住宅（<0kp）及商用（>10p）太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)安裝成本 。組件價(jià)格從2005年的3.8美元/Wp到2012年的0.85美元/Wp下降了4。，年的8美元/到圖2.22005～2012年間太陽(yáng)能組件的年均出廠價(jià)格[8]。經(jīng)NPDSolarbuzz許可轉(zhuǎn)載。2005～2012年間組件價(jià)格下降4倍。2005～2008年間的價(jià)格反彈是由于組件的高需求量及有限的產(chǎn)量2012年的5.3美元/Wp下降了1.7倍，說(shuō)明太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的安裝成本下降速度相對(duì)緩慢得多。在2005～2008年間有短暫的價(jià)格反彈。當(dāng)時(shí)石油價(jià)格飛漲，導(dǎo)致了對(duì)太陽(yáng)能組件的高需求量。而太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)張速度趕不上組件的市場(chǎng)需求量，導(dǎo)致太陽(yáng)能組件價(jià)格上漲。231998～2012（10kWp）（100kWp）太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)成本[9。2005年的8.8美元/Wp下降到2012年的5.3美元/Wp圖2.4所示為2007～2012年間美國(guó)規(guī)模太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)安裝容量加權(quán)平圖2.42007～2012年間美國(guó)規(guī)模太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)安裝容量加權(quán)平均成本[9]。由于少量的規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)，2007～2009年間的系統(tǒng)成本得以合并計(jì)算。2012年的規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)成本大約為3.3美元/Wp均成本[9。2007～200911個(gè)規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)，安裝數(shù)量并不多。因此，11個(gè)規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)的容量加權(quán)成本。201018個(gè)安裝完成的系統(tǒng)201153個(gè)系統(tǒng)，2012106個(gè)安裝系統(tǒng)。規(guī)模硅基太陽(yáng)90，2007～2009625美元/Wp下降201234美元/Wp。2324可以發(fā)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的作用是非常明顯的。其中，2012年住宅發(fā)電系統(tǒng)（10kWp）成本53美元/Wp；相比之下，（大于3/。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的成本分解值得討論，25所示[10。2012年硅片約占整個(gè)組件成本的40%，貢獻(xiàn)最大。電池制造約占組件成本的25%，組件制造約占另外的35%。2008年，因多晶硅短缺而價(jià)格飆升，使其成為組件成本的更大組成部分，占組件成本的50%～60%。2012年，太陽(yáng)能組件的價(jià)格約為0.85美元/Wp，而規(guī)模太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的成本約為3.3美元/Wp。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)安裝成本中組件占26%，安裝占74%。圖2.52012年太陽(yáng)能組件成本解析[10]。硅片約占組件成本的40%，電池制造約占25%，組件制造約占35%。2012年組件價(jià)格為0.85美元/Wp，規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)成本為3.3美元/Wp，因此太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的成本組件占26%，安裝占74%太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)的成本意識(shí)突出。這與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)形成鮮明對(duì)比。雖然兩者用同一種半導(dǎo)體硅，但是性能卻在推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展中起重要作用。特別用于太陽(yáng)電池的材料、工藝和設(shè)備可以說(shuō)明這一現(xiàn)象。其中一個(gè)例子就是多晶硅鑄造生長(zhǎng)的定向凝固過(guò)程替代單晶硅鑄造的直拉過(guò)程。15kWh/kg的用電（1kg15kWh的電量），相比于直拉過(guò)程所需的100kWh/kg電力，85。多晶硅太陽(yáng)電池效率雖低于單晶硅電池，但產(chǎn)業(yè)愿意犧牲一點(diǎn)效率而謀取較大的經(jīng)濟(jì)收益。另外一個(gè)例子就是金屬絲網(wǎng)印刷，即把銀和鋁印刷于硅電池上作為前電極和背電極。相比之下，幾乎所有效率紀(jì)錄的硅電池中金屬一般通過(guò)真空技術(shù)沉積，比如蒸鍍、濺射或光刻。產(chǎn)業(yè)界通常愿意犧牲效率來(lái)降低成本。為了提高太陽(yáng)電池的效率，全世界都在尋求創(chuàng)新性的方法。記住這一點(diǎn)很重要：效率的提升常伴隨著額外的成本，因此需要采用一種經(jīng)濟(jì)有效的方式進(jìn)行。比如，我們假設(shè)一項(xiàng)新的技術(shù)承諾可以將電池效率從1518，也就是20的效率提升。1美元/Wp來(lái)算，如果要保持成本在美元/Wp基礎(chǔ)上的平衡，這項(xiàng)新技術(shù)產(chǎn)生的額外成本就不能超過(guò)1美元/Wp20，20美分/Wp。換句話(huà)來(lái)說(shuō)，在新的技術(shù)條件下，100Wp的120Wp，按照當(dāng)前的組件價(jià)格1美元/Wp來(lái)算，組件出120美元：120美元＝1美元/Wp×120Wp事實(shí)上，為了鼓勵(lì)電池和組件生產(chǎn)商采納這項(xiàng)新技術(shù)，額外的成本通常都不得不低于20美分/Wp。3市場(chǎng)自從2005年最近的一輪油價(jià)上漲開(kāi)始，太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)經(jīng)歷了顯著成長(zhǎng)的過(guò)程，年均增長(zhǎng)50%。2004年原油價(jià)格約30美元/桶，到2008年暴漲到約140美元/桶。石油價(jià)格的上漲引起了公眾對(duì)我們所面臨的巨大能源挑戰(zhàn)的關(guān)注，也引起太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。然而，當(dāng)前基于化石燃料的能源產(chǎn)業(yè)規(guī)模是巨大的，太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)則是從零開(kāi)始。今天太陽(yáng)能發(fā)電為我們的能源結(jié)構(gòu)做出的貢獻(xiàn)是微不足道的，提供的電量占全球電力容量的0.3%。太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)將需要數(shù)十年的快速成長(zhǎng)來(lái)成為我們生活中的一種主要能量來(lái)源。262000～2012年間全球每年及累計(jì)太陽(yáng)能光伏安裝量[11。2012年，太陽(yáng)能組件的年安裝量剛過(guò)30GWp，而累計(jì)安裝總量達(dá)到100GWp。20127055的年安裝量都在歐洲地區(qū)。據(jù)美國(guó)能源信息管理局統(tǒng)計(jì)，20105TW。比較太陽(yáng)能光伏電力容量和全球電力容量，結(jié)果是很有啟發(fā)性的。100GWp的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)能提供10～20GW的時(shí)均輸出量，03。在未來(lái)的許多年里，太陽(yáng)能電力將會(huì)持續(xù)作為一種微不足道的能量來(lái)源。2.6從年安裝量數(shù)據(jù)計(jì)算了太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)的同比增長(zhǎng)率。由于該產(chǎn)業(yè)處于初始階段，它的成長(zhǎng)經(jīng)歷巨大的起起伏伏。2000～2012年間的同比增長(zhǎng)率最高160，2，50。假設(shè)未來(lái)成長(zhǎng)過(guò)程中沒(méi)有根本性的障礙，在40的情況下，1510TWp，占當(dāng)時(shí)電30。然而，在本書(shū)的后面我們將討論到，未來(lái)太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展圖2.62000～2012年間太陽(yáng)能光伏、全球累計(jì)和年安裝量[11]。2012年安裝量剛超過(guò)30GWp，累計(jì)安裝量超過(guò)100GWp。同比增長(zhǎng)率由年安裝量數(shù)據(jù)算得將很可能會(huì)受到多種絆腳石和瓶頸的約束，比如，太陽(yáng)能電力的大規(guī)模存儲(chǔ)，大批量壽命終點(diǎn)太陽(yáng)能組件的回收，以及包括原材料和電力等自然資源的可獲取性。在本書(shū)中，由于電力大部分是由供應(yīng)有限的自然資源，如煤、石油、天然氣、核裂變、水力及風(fēng)能所產(chǎn)生的，因此也被視為自然資源。另一方面，即使沒(méi)有這些絆腳石和瓶頸，隨著太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)大，其發(fā)展速度自然而然也會(huì)減緩。201221中的所有太陽(yáng)電池技術(shù)中，晶體硅太陽(yáng)電池，包括多晶和單晶，在89%（27）。6的市場(chǎng)占2012有率是市場(chǎng)第二領(lǐng)導(dǎo)者。薄膜硅太陽(yáng)電池，非晶或微晶，占市場(chǎng)份額近4%，銅銦鎵硒太陽(yáng)電池稍微超過(guò)1%。有趣的是，三-五族化合物三結(jié)疊層太陽(yáng)電池即使已經(jīng)準(zhǔn)備好產(chǎn)業(yè)化，且電池的效率達(dá)到44.4%，但其幾乎沒(méi)有市場(chǎng)占有率。這是由于三結(jié)疊層太陽(yáng)電池過(guò)于昂貴，這更能說(shuō)明太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)成本驅(qū)動(dòng)的本質(zhì)。它們主要用于空間及軍事等性能是決定性因素的場(chǎng)合。碲化鎘太陽(yáng)電池的市場(chǎng)份額尤其值得注意。200515的市場(chǎng)，4年之內(nèi)擴(kuò)張并于2009年超過(guò)了10。當(dāng)我們考慮整個(gè)太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)從2005年安536GWp2009236GWp的飛速成長(zhǎng)時(shí)，碲化鎘太陽(yáng)電池的發(fā)展留下的印象更為深刻。2005～200944倍時(shí)，碲化鎘組件的產(chǎn)量增長(zhǎng)在同一時(shí)間段超過(guò)25倍。自2009年碲化鎘組件市場(chǎng)占有率持續(xù)降低，這個(gè)趨勢(shì)預(yù)期將在太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速增長(zhǎng)的時(shí)期一直持續(xù)。本書(shū)將解釋碲化鎘技術(shù)在市場(chǎng)占有率中變小的背后原因。讓我們現(xiàn)在研究太陽(yáng)能光伏未來(lái)的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。全球能源需求預(yù)計(jì)到2050年272005～2012年間，不同太陽(yáng)電池技術(shù)的歷史市場(chǎng)占有率[8。NPDSolarbuzz授權(quán)翻印2012年晶體硅太陽(yáng)電池占太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)89的市場(chǎng)。6的市場(chǎng)，排名第二。薄膜硅的市場(chǎng)占4，1%30TW，210046TW[13。這些未來(lái)的能源需求將不得不大量地應(yīng)用清潔能源。所需求的清潔能源量取決于對(duì)大氣中二氧化碳濃度的目標(biāo)。如果目750ppm11205011TW清潔能源，2100年需要30TW清潔能源，205037210065。太陽(yáng)能光伏是為數(shù)不多的幾個(gè)無(wú)碳排放且已具備大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用條件的能源來(lái)源之一。如果需要太陽(yáng)能光伏穩(wěn)定大氣中二氧化碳的濃度，它將不得不為我們未來(lái)的能源需求提供一個(gè)不小的比例，10。23給出了未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中來(lái)自太陽(yáng)能光伏的不同比例的幾種情形。根據(jù)組件的時(shí)均輸出量，2050年3046～92TWp之間。210030能源來(lái)69～138TWp之間。2012100GWp的累計(jì)安裝水平相比，2050500倍，2100年將不得不擴(kuò)大約1000倍。對(duì)于太陽(yáng)能光伏，其潛力和差距都是巨大的。表2.3未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的不同貢獻(xiàn)所需求的安裝量貢獻(xiàn)率（%） 2050年（30TW）/TWp 2100年（46TW）/TWp10 15～30 23～4620 30～60 46～9230 45～90 69～13840 60～120 92～18450 75～150 115～230注：需要數(shù)十到數(shù)百太峰瓦的太陽(yáng)能光伏才能成為未來(lái)能量的重要來(lái)源之一。比如說(shuō)，205060TWp的太陽(yáng)能組件，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模將不得不顯著增加。目前最大的規(guī)模光伏系統(tǒng)是幾兆峰瓦（21）。如果1MWp，60TWp的安裝總量，我們將不得不安60000000個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，也就是說(shuō)從現(xiàn)在起到2050年，每天需要安裝45001MWp的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。21說(shuō)明未來(lái)規(guī)模太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的大1GWp。在小型家用和商用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的補(bǔ)充，從現(xiàn)在到2050年，每天需安裝3～41GWp容量的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)2050年60TWp的安裝總量。我們現(xiàn)在來(lái)評(píng)估所需太陽(yáng)能組件的年產(chǎn)率。假設(shè)我們的目標(biāo)是維持60TWp的穩(wěn)定安裝總量。以25年的平均壽命來(lái)算，每年將有2.4TWp的光伏組件完成它們的壽命周期并需要更換，也就是說(shuō)維持60TWp的穩(wěn)定安裝總量需要每年安裝2.4TWp。這是2012年30GWp安裝量的近80倍。雖然太陽(yáng)能光伏的潛力巨大，在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中太陽(yáng)能光伏的實(shí)際角色卻依賴(lài)于我們解決太瓦級(jí)太陽(yáng)能光伏應(yīng)用絆腳石和瓶頸的成功與否。除了成本和效率之外，太瓦級(jí)太陽(yáng)能光伏的絆腳石還包括太陽(yáng)能電力的太瓦級(jí)存儲(chǔ)，太瓦級(jí)太陽(yáng)能組件的回收，以及原材料和電力等自然資源的可獲取性。如果我們沒(méi)有成功地搬掉這些絆腳石，太陽(yáng)能光伏可能永遠(yuǎn)是小型的展示工程，而其他太陽(yáng)能技術(shù)，如太陽(yáng)能燃料或者聚光太陽(yáng)能系統(tǒng)可能主宰我們未來(lái)的能源結(jié)構(gòu)。本書(shū)將為部分太瓦級(jí)太陽(yáng)能光伏的絆腳石和瓶頸提供分析，并特別聚焦于自然資源的制約。本書(shū)也將嘗試判別跨越這些絆腳石和瓶頸的合理的技術(shù)途徑。參考文獻(xiàn)第3章太陽(yáng)電池的物理在這一章中我們將對(duì)太陽(yáng)電池的物理進(jìn)行綜述。首先開(kāi)始討論的是太陽(yáng)電池的分類(lèi)。隨后按照任何太陽(yáng)電池中兩個(gè)必需的過(guò)程也就是光吸收和電荷分離來(lái)介紹電池的工作原理。對(duì)不同的損耗機(jī)制，包括太陽(yáng)電池的光學(xué)、復(fù)合和電阻損耗進(jìn)行了討論，并概述了其抑制方法。最后介紹了除成本和效率以外用于量化太陽(yáng)電池性能的參數(shù)。本章的讀者最好具有大學(xué)水平的固體物理或器件物理知識(shí)。1太陽(yáng)電池的分類(lèi)太陽(yáng)電池吸收太陽(yáng)光，產(chǎn)生電能。廣義來(lái)說(shuō)，任何太陽(yáng)電池在將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成電的過(guò)程中，以下兩個(gè)過(guò)程必須同時(shí)存在：光吸收把光子轉(zhuǎn)換成電荷載流子，即被激發(fā)的電子和電子留下的空位；由內(nèi)建電勢(shì)差產(chǎn)生的電荷分離，這個(gè)內(nèi)建電勢(shì)差也驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)外部負(fù)載。盡管目前有許多不同的太陽(yáng)電池技術(shù)，其中一些總結(jié)在圖2.1中，它們的原理都無(wú)一例外地基于上述兩個(gè)必需的過(guò)程。而各種電池技術(shù)之間的差別是雙重的：它們采用的光吸收材料從無(wú)機(jī)半導(dǎo)體到有機(jī)半導(dǎo)體到可能的納米結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體；pn結(jié)到肖特基結(jié)再到兩個(gè)不同的半導(dǎo)體之間的異質(zhì)結(jié)界面，有多種方法建立內(nèi)建電勢(shì)差。雖然在太陽(yáng)電池中有多種建立電勢(shì)差的方法，但是今天所有的產(chǎn)業(yè)化太陽(yáng)電池，如晶體硅、碲化鎘、薄膜硅和銅銦鎵硒，均采用p-n結(jié)來(lái)進(jìn)行電荷分離。p-n結(jié)可以是同質(zhì)的，也就是p型和n型半導(dǎo)體使用相同的材料，也可以是異質(zhì)的，也就是p型和n型采用兩種不同的半導(dǎo)體。采用其他方法形成內(nèi)建電勢(shì)差的電池僅處于研究階段，因?yàn)樵谛阅堋⒖煽啃曰騼r(jià)格等方面它們還沒(méi)有表現(xiàn)出比p-n結(jié)電池更多的優(yōu)勢(shì)。基于這一原因，太陽(yáng)電池最常見(jiàn)的分類(lèi)方法是基于它們采用的光吸收材料，如圖2.1所示。從分類(lèi)上講，根據(jù)吸收材料的不同，太陽(yáng)電池主要分為兩大類(lèi)：無(wú)機(jī)太陽(yáng)電池，其中的光吸收材料是無(wú)機(jī)半導(dǎo)體。這一分類(lèi)包括了目前所有的產(chǎn)業(yè)化太陽(yáng)電池，（單晶或多晶）、薄膜碲化鎘、（非晶PAGE20PAGE20太瓦級(jí)太陽(yáng)能光伏：絆腳石和機(jī)會(huì)第3第3章太陽(yáng)電池的物理PAGE21或微晶）和薄膜銅銦鎵硒，以及三-五族多結(jié)疊層、砷化鎵單結(jié)、銅鋅錫硫硒和鈣鈦礦太陽(yáng)電池。有機(jī)太陽(yáng)電池，其中的光吸收材料是有機(jī)半導(dǎo)體。這一分類(lèi)包括了目前正在開(kāi)發(fā)的有機(jī)太陽(yáng)電池和染料敏化太陽(yáng)電池。在染料敏化太陽(yáng)電池中光吸收材料是染料分子，為有機(jī)材料。總的來(lái)說(shuō)，無(wú)機(jī)太陽(yáng)電池比有機(jī)太陽(yáng)電池具有更高的效率。除了最新的銅鋅錫硫硒太陽(yáng)電池技術(shù)，圖2.1中的無(wú)機(jī)太陽(yáng)電池的效率都在13%～40%范圍之內(nèi)。而有機(jī)太陽(yáng)電池的效率一般在10%左右。這種差距可以歸因于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體比有機(jī)半導(dǎo)體具有更為優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性能，這在本章中會(huì)詳細(xì)討論。另一方面，無(wú)機(jī)太陽(yáng)電池的制造中通常需要真空工藝來(lái)進(jìn)行成膜、摻雜和刻蝕。例子包括在晶體硅太陽(yáng)電池中采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)來(lái)制備氮（Si3N4，SiNx）作為晶體硅太陽(yáng)電池減反射層，在薄膜太陽(yáng)電池中采用磁控濺射來(lái)沉積透明導(dǎo)電氧化物，在晶體硅太陽(yáng)電池中采用反應(yīng)離子刻蝕工藝來(lái)進(jìn)行邊緣絕緣處理等。有機(jī)太陽(yáng)電池的一個(gè)主要研究動(dòng)機(jī)是它的大部分制造工藝可以采用基于溶液的過(guò)程，這與基于真空的工藝相比通常具有較低的成本。當(dāng)與低成本的材料結(jié)合在一起時(shí)，有機(jī)太陽(yáng)電池比無(wú)機(jī)太陽(yáng)電池更有希望降低組件成本。采用基于溶液的工藝制造無(wú)機(jī)太陽(yáng)電池應(yīng)該是太陽(yáng)能光伏研究的一個(gè)重要方向。其目標(biāo)是降低無(wú)機(jī)太陽(yáng)電池的制造成本，同時(shí)保持高效率。與薄膜硫族化合物太陽(yáng)電池相比，基于溶液的制造方法對(duì)包括晶體硅和薄膜硅的硅太陽(yáng)電池來(lái)說(shuō)更為困難。碲化鎘、銅銦鎵硒、銅鋅錫硫硒和幾種正在開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)電池在溶液制造方面有更好的機(jī)會(huì)。由于硅的共價(jià)鍵較強(qiáng)且有方向性，用基于溶液的方法制備出硅太陽(yáng)電池難度較大。硅中鍵長(zhǎng)和鍵角都嚴(yán)格固定，任何原子錯(cuò)位將導(dǎo)致應(yīng)變鍵或懸掛鍵，這兩者都是晶體中的電學(xué)缺陷。基于以上原因，溶液法合成的硅材料的質(zhì)量達(dá)不到器件的使用要求，而低溫真空法如等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法制備的硅，具有較多缺陷。實(shí)際上，低溫真空工藝制備出來(lái)的硅材料的缺陷態(tài)密度非常高，使得材料在結(jié)構(gòu)上為非晶態(tài)，且電學(xué)特性顯著惡化。例如，非晶硅中的載流子遷移率通常低于1m2/（V·s），而單晶硅的載流子遷移率則為40～100m2/（V·s）。與此相反，離子鍵結(jié)合的半導(dǎo)體，例如金屬硫化物，已經(jīng)被證實(shí)能用溶液法獲得優(yōu)良的結(jié)晶質(zhì)量。離子鍵是無(wú)方向性的，即由于鍵的庫(kù)侖本質(zhì)導(dǎo)致鍵角不是嚴(yán)格固定。離子鍵的靈活性允許晶格中存在少量原子錯(cuò)位而不會(huì)引入電學(xué)缺陷。這具有重要的意義，因?yàn)樵S多金屬硫族化合物都已通過(guò)溶液方法合成出多晶態(tài)，且具有優(yōu)良的電學(xué)特性，這使得溶液法制造高效無(wú)機(jī)太陽(yáng)電池成為可能。圖3.1為目前商業(yè)用晶體硅太陽(yáng)電池和組件的最流行的結(jié)構(gòu)示意圖。硅片，單晶或多晶，為p型，電阻率約為1Ω·m，厚度在80～200m之間。硅片的正面進(jìn)行磷元素?cái)U(kuò)散，05μmn型層，也就是所謂的發(fā)射極。75nmSiNx，Ag電極，背電極是鋁。背電極中的鋁元素?cái)U(kuò)散到硅中，p＋型區(qū)域，稱(chēng)為背場(chǎng)。在一個(gè)組件中，通常由6072片硅電池片串聯(lián)連接起來(lái)，所以在電池中的電流匹配對(duì)于降低不匹配損失是關(guān)鍵。電池片、前蓋板玻璃及背部蓋膜，與一種熱塑性材料，通常為乙醋酸乙烯共聚物層壓在一起。層壓組件的邊緣用鋁框架密封起來(lái)。組件的峰值功率也就是中午時(shí)的功率250～350Wp之間其電流略大于8A，30V36V左右。31晶體硅太陽(yáng)電池（a）（b）的示意圖。該圖不是按比例繪制的。光吸收主要發(fā)生在基底，apn結(jié)。圖a中沒(méi)有畫(huà)出表面織構(gòu)；圖b中，電池片被串聯(lián)連接，封裝成組件。3.2太陽(yáng)電池的工作原理這一部分討論太陽(yáng)電池的工作原理。作者的意圖是為讀者提供不同太陽(yáng)電池工作的總體概述，而不是介紹某種特定的電池技術(shù)具體的物理。這一概述包括用于光吸收的半導(dǎo)體的主要類(lèi)型，及形成內(nèi)建電勢(shì)差的不同方法。如此，讀者可從其器件物理角度對(duì)每種電池技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)產(chǎn)生直覺(jué)。3.2.1太陽(yáng)電池中的光吸收從無(wú)機(jī)到有機(jī)的許多半導(dǎo)體都可以作為太陽(yáng)電池中的吸收體。然而，不同的半導(dǎo)體其吸收機(jī)制有所不同。在無(wú)機(jī)半導(dǎo)體中，帶間激發(fā)是光吸收的主要機(jī)制，如圖3.2a所示。當(dāng)能量hν大于禁帶寬度Eg的光子進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)，有可能被吸收并從價(jià)帶中激發(fā)一個(gè)電子至導(dǎo)帶。激發(fā)電子導(dǎo)致在價(jià)帶中留下一個(gè)電子空位，即空穴。電子和空穴都會(huì)對(duì)太陽(yáng)電池的電流輸出產(chǎn)生貢獻(xiàn)。如果一個(gè)光子的能量比禁帶寬度稍大，其被吸收的概率則取決于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體圖3.2無(wú)機(jī)半導(dǎo)體（圖a）和有機(jī)分子（圖b）中的吸收機(jī)理。圖a中的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體可以吸收能量hν大于禁帶寬度Eg的光子。圖b中的有機(jī)分子可以吸收能量等于未占有分子軌道和已占有分子軌道之間能量差EUMO-EOMO的光子的帶隙結(jié)構(gòu)，即帶隙為直接的還是間接的。半導(dǎo)體的帶隙被定義為導(dǎo)帶的最小能量Ec，與價(jià)帶最大能量Ev之間的能量差，如圖3.3所示。對(duì)于間接帶隙半導(dǎo)體，例如硅，導(dǎo)帶最小值和價(jià)帶最大值在動(dòng)量空間中不是同一點(diǎn)（見(jiàn)圖3.3a）。由于光子不會(huì)改變激發(fā)電子的動(dòng)量，在間接帶隙半導(dǎo)體中動(dòng)量守恒的吸收過(guò)程中需要聲子的輔助。如圖3.3a所示，當(dāng)能量比帶隙稍大的光子被處于價(jià)帶頂端的電子吸收時(shí)，為使激發(fā)電子躍遷到導(dǎo)帶最低點(diǎn)，通常伴隨著動(dòng)量的改變，這需要一個(gè)聲子。聲子的輔助降低了能量稍大于禁帶寬度的光子的吸收概率。對(duì)于直接帶隙半導(dǎo)體，例如碲化鎘，導(dǎo)帶最小值與價(jià)帶最大值（見(jiàn)圖3.3b）在動(dòng)量空間中位置一致。因此，光子被吸收時(shí)，其動(dòng)量是守恒的。這導(dǎo)致光子吸收的概率比間接帶隙的更高。圖3.3間接帶隙半導(dǎo)體（圖a）和直接帶隙半導(dǎo)體（圖b）的吸收機(jī)制。在圖a中，能量等于禁帶寬度的光子在激發(fā)電子的過(guò)程中，需要借助于聲子來(lái)改變激發(fā)電子的動(dòng)能；圖b中能量與禁帶寬度相等的光子被吸收時(shí)動(dòng)能總是守恒的光子吸收概率的差異導(dǎo)致的結(jié)果是，對(duì)于間接帶隙的半導(dǎo)體，若需要吸收大部分的入射光，吸收層的厚度需要達(dá)到幾百微米。若需要達(dá)到同樣的效果，對(duì)直接帶隙半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，則只需幾微米即可。薄膜太陽(yáng)電池主要基于直接帶隙半導(dǎo)體，其中的半導(dǎo)體吸收層一般是1～5μm厚。目前的晶體硅太陽(yáng)電池中硅片的厚度為180～200μm。薄膜太陽(yáng)電池主要包括碲化鎘、銅銦鎵硒和薄膜硅幾類(lèi)。值得注意的是，晶體硅具有1.12eV的間接帶隙，非晶硅則具有直接帶隙。其禁帶寬度為1.75eV，可以做成薄膜太陽(yáng)電池。而在多結(jié)疊層太陽(yáng)電池中使用的三-五族化合物多是直接帶隙半導(dǎo)體，如砷化鎵。有機(jī)半導(dǎo)體對(duì)光子的吸收機(jī)理是激發(fā)電子從低能量占有態(tài)向高能量未占有態(tài)躍遷，32b所示。當(dāng)一個(gè)能量等于未占有態(tài)和已占有態(tài)之間能量差的光子照射有機(jī)半導(dǎo)體材料，則有可能被吸收，激發(fā)電子從已占有態(tài)躍遷到非占有態(tài)，并在低能量態(tài)處產(chǎn)生一個(gè)空位。最低未占有態(tài)通常被稱(chēng)為最低未占有分子軌道（LowestUnoccupiedMolecularOrbital，LUMO），最高已占有態(tài)通常被稱(chēng)為最高已占有分子軌道（HighestOccupiedMolecularOrbital，HOMO）。有機(jī)半導(dǎo)體中的LUMO和HOMO對(duì)應(yīng)于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體中的導(dǎo)帶最低點(diǎn)和價(jià)帶最高點(diǎn)。3.

圖3.2中不同的吸收原理揭示了有機(jī)太陽(yáng)電池效率低的一個(gè)根本原因。圖示意性地說(shuō)明了直接帶隙無(wú)機(jī)半導(dǎo)體和有機(jī)分子的吸收光譜。直接帶隙無(wú)機(jī)半導(dǎo)體對(duì)所有能量比帶隙大的光子均顯示很大的吸收系數(shù)，而有機(jī)分子只能吸收由未占有態(tài)EUMO和已占有態(tài)EOMO之間的能量差確定的某些能量的光子。換句話(huà)說(shuō)，無(wú)機(jī)半導(dǎo)體比有機(jī)分子利用的太陽(yáng)光譜更寬。對(duì)于有機(jī)半導(dǎo)體，許多有機(jī)分子的集合拓寬了單個(gè)分子的吸收峰。盡管如此，有機(jī)半導(dǎo)體對(duì)太陽(yáng)能的利用效率仍然低于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體。3.4無(wú)機(jī)半導(dǎo)體和有機(jī)分子的吸收光譜。能量比帶隙大的光子能被直接帶隙半導(dǎo)體吸收，而有機(jī)分子只能吸收能量等于未占有態(tài)和已占有態(tài)之間能量差的光子吸收的閾值，或通常被稱(chēng)為吸收邊，在無(wú)機(jī)半導(dǎo)體中是由它的帶隙來(lái)確定的，34a所示。在有機(jī)半導(dǎo)體中，LUMOHOMO的能量差，ELUMOEHOMO來(lái)確定的。典型的陸地上太陽(yáng)光譜的光子通量為44×1017子/（m2·s）（見(jiàn)圖1.4）。假定每個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)，每一個(gè)光生電荷載流子都能到達(dá)外部負(fù)載，太陽(yáng)電池的最大可能的電流則是電子電荷乘以光子通量：

Jmax＝1.6×

-

×4.4×

mA/

＝70mA/cm2吸收邊阻止了無(wú)機(jī)半導(dǎo)體對(duì)能量比帶隙更小的光子的吸收。對(duì)于禁帶寬度為112eV的晶體硅太陽(yáng)電池來(lái)說(shuō)，44mA/cm2。目前最好的晶體硅太陽(yáng)電池的輸出電流可以超過(guò)40mA/cm2，已足夠接近最大可能電流了。顯然，半導(dǎo)體的帶隙越小，電池可能達(dá)到的最大電流則越大。3.2.2太陽(yáng)電池中的電荷分離目前大多數(shù)商業(yè)太陽(yáng)電池仍采用p-n結(jié)進(jìn)行電荷分離。如圖3.5a所示，同質(zhì)p-n結(jié)中的電勢(shì)梯度驅(qū)使光生電子向n側(cè)，空穴向p側(cè)移動(dòng)。當(dāng)電池外部連接一個(gè)負(fù)載時(shí)，電勢(shì)差驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)負(fù)載，即提供電力到負(fù)載。在太陽(yáng)電池中若使用常規(guī)摻雜濃度，p-n結(jié)中的電勢(shì)梯度的寬度大約為微米級(jí)。在薄膜太陽(yáng)電池中，電勢(shì)梯度常常延伸至整個(gè)半導(dǎo)體吸收層。這導(dǎo)致光生電子和空穴對(duì)一旦產(chǎn)生，便能即時(shí)分離。在晶體硅太陽(yáng)電池中，硅片則厚得多，為p-n結(jié)的結(jié)深的100倍左右。因此，大部分的光生載流子都是在結(jié)區(qū)外產(chǎn)生的。它們受到庫(kù)侖引力作用而成對(duì)地在硅片內(nèi)部移動(dòng)，直到到達(dá)p-n結(jié)處被分離。在到達(dá)p-n結(jié)之前，電子空穴對(duì)有可能會(huì)復(fù)合，從而導(dǎo)致電功率輸出的降低。為了減少?gòu)?fù)合損耗，采用具有良好質(zhì)量、缺陷少的晶體硅材料是關(guān)鍵。換言之，晶體硅太陽(yáng)電池比薄膜太陽(yáng)電池對(duì)材料的質(zhì)量要求更高。薄膜硫族化合物太陽(yáng)電池中采用的是由兩種不同的半導(dǎo)體組成的異質(zhì)p-n結(jié)。其中，np型碲化鎘或銅銦鎵硒形成異質(zhì)pn結(jié)。硫化鎘的禁242eV，比碲化鎘或銅銦鎵硒更大。35b中，兩個(gè)半導(dǎo)體具有不同的帶隙。具有較小帶隙的半導(dǎo)體為光吸收層。較大帶隙的半導(dǎo)體負(fù)責(zé)提供電勢(shì)梯度，并用作窗口層。若需達(dá)到有效的電荷分離，兩個(gè)半導(dǎo)體之間需要適當(dāng)?shù)膸堆a(bǔ)償及摻雜。35b中，p型，較大帶隙半導(dǎo)體是n型。導(dǎo)ΔEc小可減少電子從較小帶隙半導(dǎo)體向較大帶隙半導(dǎo)體移動(dòng)的能量勢(shì)壘。pn結(jié)從較小帶隙的半導(dǎo)體提取光生電子，并驅(qū)動(dòng)光生空穴進(jìn)入較小帶隙的半導(dǎo)體。盡管還沒(méi)有被產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，金屬和無(wú)機(jī)半導(dǎo)體之間的肖特基結(jié)也可以在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電勢(shì)差。圖3.5c為肖特基結(jié)的能帶圖，其提取光生空穴并將光生電子注入半導(dǎo)體中。使用時(shí)，金屬層最好放置在半導(dǎo)體的背面，以不遮擋半導(dǎo)體對(duì)入射光的吸收。有機(jī)太陽(yáng)電池并不依賴(lài)于p-n結(jié)進(jìn)行電荷分離。它們采用的是有機(jī)/無(wú)機(jī)界面或有機(jī)/有機(jī)界面，即兩個(gè)不同的有機(jī)半導(dǎo)體之間的界面來(lái)進(jìn)行電荷分離，如35pn（a）、pn（b）、（c）的電荷分離。硅太陽(yáng)電池，包括晶體硅和薄膜硅，pn結(jié)。薄膜硫族化合物太陽(yáng)電池，包括碲化鎘和銅銦鎵硒，采用的是異質(zhì)p-n結(jié)36所示。pn結(jié)的原因之一是因?yàn)閷?duì)有機(jī)半導(dǎo)體進(jìn)行電學(xué)摻雜仍是個(gè)難題[1。另一原因是，有機(jī)半導(dǎo)體內(nèi)光子吸收產(chǎn)生束空穴對(duì)，稱(chēng)為激子。激子的分離需要十分之幾電子伏特的能量。在有機(jī)太陽(yáng)電池異質(zhì)結(jié)界面處進(jìn)行能級(jí)對(duì)準(zhǔn)便能提供有效激子分離的驅(qū)動(dòng)力。3.6a中，有機(jī)半導(dǎo)體吸收光子，HOMOLUMO。無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的導(dǎo)帶最LUMO低十分之幾電子伏特，以提取激發(fā)電子到無(wú)機(jī)半導(dǎo)體進(jìn)行電荷分離。而有機(jī)半導(dǎo)體的HOMO需要高于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的價(jià)帶最大值，以防止無(wú)機(jī)半導(dǎo)體中價(jià)帶電子落入空的HOMO。染料敏化太陽(yáng)電池使用有機(jī)/無(wú)機(jī)界面進(jìn)行電荷分離。36b中，1是光吸收層。1LUMO位于有機(jī)半導(dǎo)體2的LUMO以上十分之幾電子伏特的位置時(shí)，光激發(fā)的電子可以從半導(dǎo)體12，從而產(chǎn)生電荷分離。1HOMO位置也需要位2HOMO的上方，HOMO的電子從半導(dǎo)體2流入半導(dǎo)體1。各種有機(jī)太陽(yáng)電池均采用有機(jī)/有機(jī)界面來(lái)進(jìn)行電荷分離。有機(jī)太陽(yáng)電池中的激子具有很短的擴(kuò)散長(zhǎng)度（擴(kuò)散長(zhǎng)度即它們?cè)趶?fù)合之前遷移的距離），約為納米級(jí)別。這限制了有機(jī)吸收層的厚度也為納米級(jí)別。盡管有機(jī)半導(dǎo)體的吸收系數(shù)大，有限的吸收層厚度為有效吸收太陽(yáng)光提出了一個(gè)挑戰(zhàn)。為達(dá)到更高的效率，有機(jī)太陽(yáng)電池中的兩種半導(dǎo)體最好制成三維納米結(jié)構(gòu)，圖3.6有機(jī)太陽(yáng)電池中有機(jī)/無(wú)機(jī)界面（圖a）和有機(jī)/有機(jī)界面（圖b）的電荷分離。染料敏化太陽(yáng)電池采用有機(jī)/無(wú)機(jī)界面，而有機(jī)太陽(yáng)電池采用有機(jī)/有機(jī)界面。在有機(jī)吸收層中激發(fā)的電子被另一半導(dǎo)體中的低能空態(tài)所提取用于同時(shí)、有效地吸收太陽(yáng)光和電荷分離。在染料敏化太陽(yáng)電池中，三維納米結(jié)構(gòu)是通過(guò)二氧化鈦（TiO2）的納米多孔薄膜實(shí)現(xiàn)的。在TiO2薄膜的納米孔中填充作為吸收層的染料分子。三維納米結(jié)構(gòu)在保證納米孔的每個(gè)染料分子層的厚度為幾納米的前提下，增加了染料分子的光吸收的總有效厚度。多孔TiO2膜形成了用于電荷傳輸?shù)倪B續(xù)網(wǎng)絡(luò)。在無(wú)機(jī)太陽(yáng)電池中，p-n結(jié)產(chǎn)生用于電荷分離的電勢(shì)差。無(wú)機(jī)太陽(yáng)電池的最大可能電壓由內(nèi)建電勢(shì)Vbi決定，這是跨越p-n結(jié)的總電勢(shì)差，如圖3.5a所示。通過(guò)增加在p側(cè)和n側(cè)的摻雜量，該內(nèi)建電勢(shì)增大。然而，無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的摻雜量不能無(wú)限增加，因?yàn)樗鼈兪軗诫s劑在半導(dǎo)體中的固溶度限制。在實(shí)際的固溶下，能達(dá)到的最大內(nèi)建電勢(shì)由半導(dǎo)體的帶隙決定：Vmax≤Vbi≤Eg/q式中，Vmax是一個(gè)p-n結(jié)太陽(yáng)電池的理論電壓；q是電子電荷。顯然，帶隙越大，電池的理論電壓也越大。3.2.1節(jié)中的討論涉及了合適的能帶對(duì)于無(wú)機(jī)太陽(yáng)電池效率最大化的重要性。最大效率意味著最大的輸出電功率，它是電流與電壓的乘積。為了實(shí)現(xiàn)較大的電流輸出，意味著電池的禁帶寬度要小。而要獲得較大的電壓，更大的禁帶寬度是必要的。可想而知，當(dāng)我們最大化功率，存在一個(gè)與太陽(yáng)光譜最匹配的最佳的禁帶寬度來(lái)獲得最大效率，這在許多研究中已被驗(yàn)證[23]。最佳禁帶寬度的精確值在不同的研究報(bào)道中略有變化，因?yàn)楦髯允褂玫奶?yáng)光譜有所不同，但通常約為14eV。37為在5（見(jiàn)圖14）下，一個(gè)單結(jié)太陽(yáng)電池的理論效率隨帶隙的變化曲線(xiàn)。135eV左右時(shí)，理論效率超33。值得注意的是，11～15eV的范圍內(nèi)時(shí)，理論效率均在32以上。這給我們開(kāi)發(fā)出低成本、高效率的太瓦級(jí)容量的太陽(yáng)電池技術(shù)提供了一些余地。圖3.7AM1.5的太陽(yáng)光譜（見(jiàn)圖1.4）下，單結(jié)太陽(yáng)電池的理論效率隨帶隙的變化曲線(xiàn)。11～15eV時(shí)，32以上，其中曲線(xiàn)最大值33。在圖中，晶體硅、碲化鎘、非晶硅和銅銦鎵硒太陽(yáng)電池都做了標(biāo)記3太陽(yáng)電池中的損耗機(jī)制圖3.7給出了一個(gè)單結(jié)太陽(yáng)電池的理論效率隨禁帶寬度的變化曲線(xiàn)。值得注意的是，在圖2.1中沒(méi)有任何一種無(wú)機(jī)太陽(yáng)電池達(dá)到了其理論效率極限。對(duì)于晶體硅太陽(yáng)電池，目前最高效率為25%，即比理論效率極限低約8%。對(duì)其他無(wú)機(jī)太陽(yáng)電池均是如此，僅僅理論最大效率和實(shí)際最大效率的差值不同而已。對(duì)于太陽(yáng)電池中實(shí)際效率和理論效率值之間的差異，有各種損耗機(jī)制來(lái)進(jìn)行解釋。這些損耗可以被最小化，但是很難想象它們中的任何一個(gè)可以用我們今天所掌握的太陽(yáng)電池的器件物理知識(shí)來(lái)完全消除。在過(guò)去30年間，太陽(yáng)電池研究的一個(gè)主要方向便是將各種損耗最小化，從而不斷刷新電池的效率紀(jì)錄。太陽(yáng)電池中不同的損耗機(jī)制大概分為三類(lèi)：光學(xué)損耗：并非太陽(yáng)光譜中的所有的光子都會(huì)進(jìn)入太陽(yáng)電池，且不是每一個(gè)進(jìn)入電池的光子都會(huì)被吸收和被轉(zhuǎn)化為載流子。復(fù)合損耗：當(dāng)光子被吸收并產(chǎn)生載流子時(shí)，并不是每一個(gè)光生載流子都能到達(dá)外部負(fù)載。它們可以通過(guò)復(fù)合成對(duì)湮滅。電阻損耗：當(dāng)電流通過(guò)電池中的內(nèi)建電勢(shì)驅(qū)動(dòng)時(shí)，一部分電勢(shì)被電池中的不同電阻給消耗，從而降低了傳遞到外部負(fù)載的功率。用經(jīng)濟(jì)有效的方式將各種損耗最小化，是工程師們?cè)谕苿?dòng)太陽(yáng)電池技術(shù)發(fā)展中可以起到的重要作用。3.3.1光學(xué)損耗太陽(yáng)電池中主要有四種光學(xué)損耗機(jī)理：1）前表面和界面處的反射損失；前表面和后部的光泄漏；非活性層的吸收損失；前金屬電極遮蔽引起的損失。圖3.8給出了晶體硅太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)及三種光學(xué)損失。太陽(yáng)光是不同波長(zhǎng)的電磁波的集合體，當(dāng)電磁波到達(dá)兩種不同折射率材料的界面處時(shí)，它的一部分被反射，并不進(jìn)入第二個(gè)材料。在垂直入射時(shí)，對(duì)折射率分別為n1和n2的兩種材料界面處的反射遵循Fresnel方程：n1-n2n1-n2n1＋n2從空氣進(jìn)入到硅界面，取nair＝1.0和600nm處nSi＝3.9，反射率在35%以上。圖3.8圖3.1所示晶體硅太陽(yáng)電池的光學(xué)結(jié)構(gòu)及其光學(xué)損耗。前表面顯示了織構(gòu)化處理。對(duì)硅進(jìn)行摻雜幾乎不改變其折射率。“1”為前電極處的電極遮蔽；“2”為前表面及硅/氮化硅界面處的反射；“3”為從電池前后部泄漏的光。非活性層中的光吸收在圖中沒(méi)有標(biāo)出光學(xué)中的減反射技術(shù)是在兩種材料中，加入一層折射率介于兩者之間的光學(xué)透明膜（見(jiàn)圖3.9）。減反射原理是四分之一波長(zhǎng)的相消干涉，也就是說(shuō)，厚度應(yīng)滿(mǎn)足：nARdAR＝4λnAR式中，nAR為減反射膜的折射率；λ為真空中的入射波長(zhǎng)。在太陽(yáng)光譜中，約600nm處強(qiáng)度最大通常被用來(lái)計(jì)算減反射膜的厚度。減反射膜的最佳折射率可由Fresnel方程來(lái)決定：n1nn1n2式中，n1和n2是上下兩層材料的折射率。通常太陽(yáng)電池都被封裝成組件，電

圖3.9太陽(yáng)電池上單層減反射膜的示意圖。在太陽(yáng)電池組件中，減反射層被夾在半導(dǎo)體吸收層和玻璃或EVA中間。其優(yōu)化的厚度是所感興趣波長(zhǎng)的1/4，優(yōu)化的折射率是上下兩層材料折射率的幾何平均數(shù)池上部的材料是玻璃或EA，折射率為1.4。因此，用600nm處nSi＝3.9來(lái)計(jì)算，234。在選擇減反射層材料時(shí)，其他需要考慮的因素包括禁帶寬度、透光率、材料的可獲取性和成本，以及工藝的復(fù)雜性。通常，為保證大部分的太陽(yáng)光能透過(guò)，減反射膜所需的最小帶隙為3eV。高透光率意味著能量在禁帶寬度以下的光子很少被吸收。而對(duì)低于禁帶寬度光子的吸收通常是由材料中的結(jié)構(gòu)缺陷或雜質(zhì)引起的。目前，晶體硅太陽(yáng)電池中最常用的減反射材料是氮化硅（SiNx），其在600nm處折射率值為2.0，厚度為75nm。氮化硅通常采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法制備，屬于真空工藝。另一可用作減反射膜的材料是二氧化鈦（TiO2）600nm26可以用溶液法制備二氧化鈦的主要缺點(diǎn)在于它是一種半導(dǎo)體，在電池的兩個(gè)電極之間容易引起漏電。值得注意的是，以上提到的減反射層被設(shè)計(jì)成在特定的入射角最小化特定波長(zhǎng)的反射對(duì)太陽(yáng)電池600nm（太陽(yáng)光譜中強(qiáng)度最大處）以及垂直入射，這兩個(gè)條件通常用于設(shè)計(jì)減反射層。太陽(yáng)光譜覆蓋了從300～2500nm寬的范圍（見(jiàn)圖1.4）。如果沒(méi)有兩軸跟蹤，入射角隨著日出和日落不斷變換，且全年各不相同。因此，圖3.9中的減反射層的作用是有限的。另一種常用減反射技術(shù)是表面粗糙化。這一點(diǎn)最合適用（100）硅片織構(gòu)來(lái)說(shuō)明，因?yàn)閱尉Ч韪飨虍愋缘谋举|(zhì)允許表面金字塔型織構(gòu)。當(dāng)（100）硅片浸入氫氧化鈉（NaOH）溶液中，（111）面的腐蝕速率比（100）面慢得多，這導(dǎo)致晶體中（111）面暴露出來(lái)，從而在硅片上形成隨機(jī)大小的金字塔結(jié)構(gòu)。310所示，金字塔型織構(gòu)能導(dǎo)致太陽(yáng)光的二次入射從而減少表面反射。假定表面反射率為r，Io，經(jīng)過(guò)第一次入射后反射的強(qiáng)度為rIo。如果反射的太陽(yáng)光能rIo，再一次入射到表面上，則第二次反射的強(qiáng)度為r2Io，也就是等效表面反r2。對(duì)于暴露在空氣中的硅片，在表面織構(gòu)化之前反35，織構(gòu)化之后則降12。目前的晶體硅太陽(yáng)電池中，在制絨的硅片表面往往再沉積上一層氮化硅減反射層，這兩種技術(shù)的結(jié)合可以將特定波長(zhǎng)的特定入射角下的反射值降低至接近于零。這種金字塔型制絨技術(shù)僅限于單晶硅，因?yàn)樗蕾?lài)于單晶的各向異性本質(zhì)。對(duì)晶粒隨

圖3.10單晶硅太陽(yáng)電池上表面金字塔型織構(gòu)的減反射。第一次入射后的反射光由于金字塔型織構(gòu)，再次入射到電池表面。第一次入射后的反射強(qiáng)度為rIo，其中Io為入射光強(qiáng)度，r為表面反射率。經(jīng)過(guò)第二次反射后的反射光強(qiáng)度為r2Io。機(jī)取向的多晶硅則不適用。同樣，它也不適用于微晶和非晶材料。研究人員針對(duì)多晶硅、碲化鎘、薄膜硅和銅銦鎵硒開(kāi)發(fā)了更多種復(fù)雜的表面織構(gòu)化技術(shù)。有些在產(chǎn)業(yè)化的太陽(yáng)電池中被使用，有些沒(méi)有，因?yàn)樗鼈兊某杀拘б孢€沒(méi)有得到證實(shí)。光泄漏是由電池陷光性差導(dǎo)致的，即一部分進(jìn)入電池中的太陽(yáng)光從前或后表面逃逸出來(lái)了。光從電池前表面到背面若只走過(guò)單程，則不是所有的光子都被吸收。尤其是對(duì)硅這種間接帶隙、吸收系數(shù)小的半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)更是這樣。理想條件下，太陽(yáng)電池應(yīng)該像一個(gè)光學(xué)腔，即電池的前和后表面應(yīng)該像完美的鏡子一樣（對(duì)入射光來(lái)說(shuō)，前表面應(yīng)該具有完美的減反效果）。一旦太陽(yáng)光進(jìn)入到電池中，它會(huì)在前和后表面來(lái)回振蕩，直至完全吸收。對(duì)于大多數(shù)晶體硅太陽(yáng)電池，其背表面被金屬覆蓋，如鋁，這里鋁起到一個(gè)適當(dāng)?shù)姆瓷淦髯饔茫ㄒ?jiàn)圖3.8）。前表面反射器不可能是金屬，因?yàn)樗鼤?huì)阻止入射的太陽(yáng)光。當(dāng)光從電池背面被反射，并從背面到達(dá)電池的正面，即它是從高折射率的半導(dǎo)體層進(jìn)入低折射率的減反射層。這種反向的折射率變化其作用類(lèi)似于全內(nèi)反射鏡。圖3.11給出了全內(nèi)反射發(fā)生時(shí)的入射角臨界值：nSiθc＝arcsinnARnSi當(dāng)入射光以臨界角入射時(shí)，反射光沿著界面?zhèn)鞑ィ贿M(jìn)入減反射層。當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，所有的光被鏡面反射回半導(dǎo)體。這意味著，僅僅是入射角比臨界角小的光能有機(jī)會(huì)從前表面逃逸。對(duì)于氮化硅/硅（SiNx/Si）結(jié)構(gòu)，臨界入射角約為31°。當(dāng)晶體硅太陽(yáng)電池封裝成組件時(shí)，電池前部的非活性層包括玻璃、EVA和氮化硅（見(jiàn)圖3.1b）。EVA是一種具有高透光率且價(jià)格低廉的聚合物。太陽(yáng)電池組件封裝需要透過(guò)率在90%以上的低鐵玻璃，因?yàn)殍F元素會(huì)導(dǎo)致顯著的低于帶隙吸收。對(duì)薄膜太陽(yáng)電池組件來(lái)說(shuō)，電池正面的非活性層也包括低鐵玻璃和EVA，而氮化硅層被一層透明導(dǎo)電氧化物所替代。透明導(dǎo)電氧化物層既作為減反射層，同時(shí)也是電池中的兩個(gè)電極之一。氧化銦錫（ITO）在所有透明導(dǎo)電氧化物中，就透光率和電阻方面比較而言，具有最佳的性能。氟摻雜的氧化錫、鋁摻雜的氧化鋅也被用在

圖3.11全內(nèi)反射的臨界條件。當(dāng)光由高折射率材料進(jìn)入低折射率材料時(shí)，存在一個(gè)臨界入射角。大于這個(gè)臨界角的所有光線(xiàn)會(huì)被鏡面反射，沒(méi)有光進(jìn)入低折射率的材料。在臨界角度，反射光沿兩種材料的界面?zhèn)鞑ケ∧ぬ?yáng)電池中，盡管它們的性能仍然不如ITO。電池正面的金屬電極被設(shè)計(jì)成手指形狀以便太陽(yáng)光能通過(guò)。目前的晶體硅太陽(yáng)電池中，正面金屬電極的覆蓋率在5%～10%之間，換算成絕對(duì)電池效率的損失約為1%。簡(jiǎn)單地將金屬電極的寬度減少可以降低遮蔽損失，但會(huì)導(dǎo)致金屬電極中的電阻損耗增大。一個(gè)有效的解決方法是將兩個(gè)電極都放在電池的背面，以避免遮蔽損失。基于此，研究人員開(kāi)發(fā)出一種相互交叉的插指狀背接觸（Inter-digitatedBackContact，IBC）電池，其中電池的兩個(gè)電極被放置在背面。該結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化電池的最高效率是24.2%，僅僅略低于實(shí)驗(yàn)室電池25.0%的最高紀(jì)錄。32復(fù)合損耗每個(gè)被吸收的光子在吸收層中都會(huì)激發(fā)產(chǎn)生一對(duì)電子和空穴。它們必須被分離并由它們各自的電極提取出來(lái)，以產(chǎn)生電力輸出。復(fù)合是指在到達(dá)各自相應(yīng)的電極前，被激發(fā)的電子落回到空穴位置。無(wú)機(jī)半導(dǎo)體相較于有機(jī)半導(dǎo)體其復(fù)合機(jī)制理解更深入。在無(wú)機(jī)半導(dǎo)體中，有幾種復(fù)合途徑，如圖3.12所示。能帶到能帶的復(fù)合：在導(dǎo)帶的電子直接與價(jià)帶的空穴進(jìn)行復(fù)合，從而導(dǎo)空穴對(duì)的湮滅。通過(guò)缺陷的復(fù)合：一個(gè)電子（或空穴）首先落入到半導(dǎo)體禁帶中的缺陷態(tài)處，然后與一個(gè)空穴（或電子）復(fù)合。俄歇復(fù)合：當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)，所釋放的能量激發(fā)另一個(gè)電子（或空穴）到一個(gè)更高的能量狀態(tài)。當(dāng)在導(dǎo)帶中的電子直接與在價(jià)帶中的空穴復(fù)合時(shí)，它釋放的能量等于半導(dǎo)體圖3.12無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的復(fù)合途徑。（左）電子落入禁帶中未占有缺陷態(tài)，再與一個(gè)空穴復(fù)合，或者（右）空穴與一個(gè)占有的缺陷態(tài)復(fù)合，然后電子落入缺陷態(tài)中a）能帶到能帶的復(fù)合b）通過(guò)缺陷的復(fù)合c）俄歇復(fù)合的禁帶寬度（見(jiàn)圖3.12a）。這種能帶間的復(fù)合對(duì)于直接帶隙半導(dǎo)體，例如碲化鎘比較普遍。直接帶隙不僅增加了從價(jià)帶到導(dǎo)帶吸收光子激發(fā)電子的機(jī)會(huì)，同時(shí)也增加了反向過(guò)程的概率，即導(dǎo)帶的電子與價(jià)帶空穴的復(fù)合概率。這是因?yàn)樵谥苯訋栋雽?dǎo)體中，電子-空穴對(duì)的復(fù)合以及隨之產(chǎn)生光子的過(guò)程，始終保持系統(tǒng)動(dòng)量的守恒。在間接帶隙半導(dǎo)體中，例如硅，導(dǎo)帶能量最小處的電子與價(jià)帶能量最大處的空穴具有不同的動(dòng)能（見(jiàn)圖3.3a）。能帶間的復(fù)合，需要一個(gè)聲子的參與才能達(dá)到動(dòng)量守恒。因此，這會(huì)降低間接帶隙半導(dǎo)體中能帶間的復(fù)合概率。結(jié)果是：光生載流子的壽命，也就是其產(chǎn)生到復(fù)合的時(shí)間，在質(zhì)量好的硅片中相對(duì)較長(zhǎng)，可以達(dá)到毫秒級(jí)。而在直接帶隙半導(dǎo)體中，光生載流子的壽命一般都是在納秒級(jí)或者更短。無(wú)機(jī)半導(dǎo)體晶體的各種結(jié)構(gòu)缺陷經(jīng)常在帶隙中間引入新的電子態(tài)（見(jiàn)圖12b）這些缺陷態(tài)Et可以充當(dāng)復(fù)合的中間站帶隙中的陷阱態(tài)可以是占據(jù)或未占據(jù)態(tài)。如遇未占據(jù)陷阱態(tài)，導(dǎo)帶的電子可以先落入其中，將其變成一個(gè)占據(jù)態(tài)。這一占據(jù)態(tài)可與價(jià)帶中的空穴進(jìn)行復(fù)合。如果一個(gè)陷阱態(tài)被占據(jù)了，那么它必須首先與價(jià)帶中的空穴進(jìn)行復(fù)合，變成未占據(jù)態(tài)，再與導(dǎo)帶中的電子進(jìn)行復(fù)合。晶體中的結(jié)構(gòu)缺陷包括：點(diǎn)缺陷，如雜質(zhì)原子、空位和間隙原子；一維缺陷，如位錯(cuò)和位錯(cuò)環(huán)；二維缺陷，如晶體表面和晶界；三維缺陷，如沉淀。圖3.13間接帶隙半導(dǎo)體中通過(guò)缺陷態(tài)的復(fù)合。在缺陷態(tài)Et中電子的動(dòng)量在很大程度上是不確定的。這由缺陷態(tài)寬度來(lái)表示。當(dāng)電子從導(dǎo)帶落入缺陷態(tài)，并進(jìn)一步與價(jià)帶中的空穴進(jìn)行復(fù)合時(shí)，其動(dòng)量總是守恒的，不需要任何聲子雖然在直接帶隙半導(dǎo)體中存在通過(guò)缺陷態(tài)進(jìn)行的復(fù)合，對(duì)于間接帶隙半導(dǎo)體如硅，這種復(fù)合更為重要。低維缺陷中的電子（或空穴）在空間上是局域的。根據(jù)量子物理學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)原理，低維缺陷的動(dòng)量在很大程度上是不確定的。這將大大增加在間接帶隙半導(dǎo)體中的復(fù)合概率，如圖3.13所示。當(dāng)一間接帶隙半導(dǎo)體中的電子落入到在空間上局域的缺陷態(tài)時(shí)，不需要聲子的參與。當(dāng)電子進(jìn)一步與價(jià)帶中的空穴復(fù)合時(shí)，仍遵循動(dòng)量守恒不需要聲子。若電子與空穴在初始時(shí)具有不同的動(dòng)量，它們通過(guò)缺陷態(tài)進(jìn)行的復(fù)合不需要聲子的參與。因此，對(duì)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體而言，最大限度地減少缺陷密度對(duì)增加光生載流子的壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度是至關(guān)重要的。良好品質(zhì)的晶體有助于提高光生載流子到達(dá)各自對(duì)應(yīng)的電極的概率，從而提高電池的效率。有幾種缺陷被公認(rèn)為是導(dǎo)致晶體硅太陽(yáng)電池載流子復(fù)合的原因。表面態(tài)是其中的一種。表面原子具有不飽和的懸掛鍵。它們?cè)诠璧膸秲?nèi)引入表面態(tài)