21世纪的绿色能源——太阳电池

周志敏

1.引言

在大多数人的心目中，电力是一种清洁的能源，当使用电灯、电视、电冰箱、空调等电器时，也许我们并没有意识到电力对环境造成的破坏，实际燃煤发电对环境的破坏是很大的。我国现在是世界上第二号温室气体的排放大国，而常规电力生产使用煤、石油、天然气发电，已经成为我国二氧化碳等温室气体的主要排放源之一，而且燃煤还大量排放二氧化硫等有害气体。当我们使用常规电力时，我们其实是间接的污染者，因为我们对电力的需求才产生了供给，从而间接对环境造成了污染。同时我们又是污染的受害者。

21世纪，人类将面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济己成为全球热点问题。而能源问题将更为突出。能源短缺使世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需要。从长远来看，全球已探明的石油储量只能用到 2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。

由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量；局部地区形成酸雨，严重污染水土。化石能源的利用产生大量的温室气体而导致温室效应；引起全球气候变化。这一问题已提到全球的议事日程，有关国际组织已召开多次会议，限制各国CO2等温室气体的排放量。因此，人类在解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。

太阳能具有储量的“无限性”太阳每秒钟放射的能量大约是1.6×1023KW，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892×1013千亿吨，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。利用的清洁性太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染。利用的经济性可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用；二是在目前的技术发展水平下，太阳能利用不仅可能而且可行。鉴于此，太阳能必将在世界能源结构转换中担纲重任，成为理想的替代能源。

2.太阳能电池

50年代第一块实用的硅太阳电池的问世，揭开了光电技术的序幕，也揭开了人类利用太阳能的新篇章。自60年代太阳电池进入空间、70年代进入地面应用以来，太阳能光电技术发展迅猛。1990年以来，全球太阳能光伏发电装置的市场销售量以年平均16％的幅度递增，目前总发电能力已达800MW，相当于20 万个美国家庭的年耗电量。1997年全球太阳电池的销售量增长了40％，已成为全球发展最快的能源。

2.1影响光电技术应用的问题

当前影响光电池大规模应用的主要障碍是它的制造成本太高。在众多发电技术中，太阳能光电仍是花费最高的一种形式，因此，发展阳光发电技术的主要目标是通过改进现有的制造工艺，设计新的电池结构，开发新颖电池材料等方式降低制造成本，提高光电转换效率。近年来，光伏工业呈现稳定发展的趋势，发展的特点是：产量增加，转换效率提高，成本降低，应用领域不断扩大。1998年，世界太阳电池年产量已超过150MW，是1994年产量的两倍还多。单晶硅太阳电池的平均效率为15％，实验室效率已达24.4％；多晶硅太阳电池效率也达14％，最大效率为19.8％；非晶硅太阳电池的稳定效率，单结6～9％，实验室最高效率为12％，多结电池为8～10%，实验室最高效率为11.83%。　

最近，瑞士联邦工学院M·格雷策尔研制出一种二氧化钛太阳能电池，其光电转换率高达33％，并成功地采用了一种无定形有机材料代替电解液，从而使它的成本比一块差不多大的玻璃贵不了多少，使用起来也更加简便。可以预料，随着技术的进步和市场的拓展，光电池成本将会大幅下降。可以得出，在2010年以后，由于太阳能电池成本的下降，可望使光伏技术进入大规模发展时期。

2.2光伏新技术的开发

近年来，围绕光电池材料、转换效率和稳定性等问题，光伏技术发展迅速。晶体硅太阳能电池的研究重点是高效率单晶硅电池和低成本多晶硅电池。限制单晶硅太阳电池转换效率的主要技术障碍有：电池表面栅线遮光影响；表面光反射损失；光传导损失；内部复合损失；表面复合损失。

针对这些问题，近年来开发了许多新技术，主要有：单双层减反射膜；激光刻槽埋藏栅线技术；绒面技术；背点接触电极克服表面栅线遮光问题；高效背反射器技术；光吸收技术。随着这些新技术的应用，发明了不少新的电池种类，极大地提高了太阳能电池的转换效率，如采用激光刻槽埋藏栅线等新技术将高纯化晶体硅太阳能电池的转换效率提高到24.4％。

光伏技术发展的另一特点是薄膜太阳能电池研究取得重大进展，各种新型太阳能电池的不断涌现。晶体硅太阳能电池转换效率虽高，但其成本难以大幅度下降，而薄膜太阳能电池在降低制造成本上有着非常广阔的诱人前景。早在几年前，利用多层薄膜结构的低质硅材料已使太阳能电池成本骤降80％，有望1O年内使该项技术商业化。

高效新型太阳能电池技术的发展是降低光电池成本的另一条切实可行的途径，近年来，一些新型高效电池不断问世：

硒化铜钢(CUINSE2，CIS)薄膜太阳能电池：1974年CIS电池在美国问世，1993年美国国家可再生能源实验室使它的本征转换效率达 16.7％，由于CIS太阳能电池具有成本低(膜厚只有单晶硅的1／100)、可通过增大禁带宽度提高转换效率(理论值为单晶30％，多晶24％)、没有光致衰降、抗放射性能好等优点，各国都在争相研究开发，并积极探索大面积应用的批量生产技术。

硅-硅串联结构太阳能电池：通过非晶硅与窄禁带材料的层叠，是有效利用长波太阳光，提高非晶硅太阳能电池转换效率的良好途径。它具有成本低、耗能少、工序少、价廉高效等优点。

用化学束外延(CBE)技术生产的多结III-V族化合物太阳能电池：III-V族化合物(如GAAS，INP)具有较高的光电转换效率，这些材料的多层匹配可将太阳能电池转换效率提高到35％以上。而这种多层结构很容易用CBE法制作，并能降低成本获得超高效率。

大面积光伏纳米电池：1991年瑞士M．GRATZEL博士领导的研究小组，用纳米TIO2粉水溶液作涂料，和含有过渡族金属有机物的多种染料及玻璃等材料制作出微晶颜料敏感太阳能电池，简称纳米电池。计算表明，可制造出转换效率至少为12％的低成本电池。这种电池为大面积应用于建筑物外表面提供了广阔的前景。

3.太阳电池的发展现状

太阳电池的进展情况可以从其性能指标、产量、价格等方面来评价。太阳电池的性能指标有开路电压、短路电流、填充因子、光电转换效率等多顶，其中最主要的指标是光电转换效率，即将光能转变为电能的效率。

太阳电池主要可以分为硅太阳电池和化合物半导体太阳电池两大类。下面分别加以叙述。

3.1硅太阳电池

硅是地球上第二位最丰富的元素，而且无毒性，用它制作的太阳电池效率也很高，因此它是最适于制作太阳电池的半导体材料。1997年，世界上太阳电池年产量约为120MW，其中99%以上为硅太阳电池。在硅太阳电池中又可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳电池三类。

1.单晶硅和多晶硅太阳电池

单晶硅和多晶硅太阳电池是对P型（或n型）硅基片经过磷（或硼）扩散做成P/N结而制得的。单晶硅太阳电池效率高、寿命长、性能优良，但成本高，而且限于单晶的尺寸，单片电池面积难以做得很大，目前比较大的为直径为10～20cm的圆片．多晶硅电池是用浇铸的多晶硅锭切片制作而成，成本比单晶硅电池低，单片电池也可以做得比较大（例如30cm×30cm的方片），但由于晶界复合等因素的存在，效率比单晶硅电池低。

现在，单晶硅和多晶硅电池的研究工作主要集中在以下几个方面：

(1)用埋层电极、表面钝化、密栅工艺优化背电场及接触电极等来减少光生载流子的复合损失，提高载流子的收集效率，从而提高太阳电池的效率。澳大利亚亲南威尔士大学格林实验室采用了这些方法，已经创造了目前硅太阳电池世界公认的AM1.5条件下24%的最高效率。

(2)用优华抗射膜、凹凸表面、高反向背电极等方式减少光的反射及透射损失，以提高太阳电池效率。

(3)以定向凝固法生长的铸造多晶硅锭代替单晶硅，估化正背电极的银浆、铝浆的丝网印制工艺，改进硅片的切、磨、抛光等工艺，千方百计降低成本，提高太阳电池效率。目前最大硅锭重量已达270余公斤。

(4)薄膜多晶硅电池还在大力研究和开发。计算表明，若能在金属、陶瓷、玻璃等基板上低成本地制备厚度为30～50μm的大面积的优质多晶硅薄膜，则太阳电池制作工艺可进一步简化，成本可大幅度降低。因此多晶硅薄膜太阳电池正成为研究热点。

现在单晶及多晶硅太阳电池的世界年产量已达到120MW左右。硅太阳电池的最高效率可达18%～24%。航空航天用的高质量太阳电池在AMO条件下的效率约为13.5%～18%,而地面用的大量生产的太阳电池效率在AM1条件下大多在11%～18%左右。