硅太陽(yáng)能電池商業(yè)化的核心要素

王亞騰 劉斌

摘 要： 本文簡(jiǎn)單介紹了過(guò)去15年間太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)描述了太陽(yáng)能電池技術(shù)目前面臨的瓶頸以及硅太陽(yáng)能電池商業(yè)化的阻礙。之后，通過(guò)簡(jiǎn)述影響多晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率的因素剖析了應(yīng)該如何從減少光能損失和減少電能損失兩個(gè)方面去提升太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化效率，從而獲得商業(yè)化的必要條件。

關(guān)鍵詞： 多晶硅;硅太陽(yáng)能電池;轉(zhuǎn)化效率;商業(yè)化;光能損失;電能損失

引言

當(dāng)今，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展，也意識(shí)到使用可再生能源的重要性與必要性，所以太陽(yáng)能必將是人類需要利用的終極能源之一，而用于太陽(yáng)能收集與轉(zhuǎn)化的物體就是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與其他行業(yè)一樣都依靠基礎(chǔ)技術(shù)和地方財(cái)政導(dǎo)向，在過(guò)去的15年間，各國(guó)政府都大力支持太陽(yáng)能電池的發(fā)展，尤其是一些西方國(guó)家在硅太陽(yáng)能電池技術(shù)上投入了大量的資金和人力，因此，從全球范圍來(lái)看，硅太陽(yáng)能電池技術(shù)幾乎在以每年30%的增速進(jìn)步[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，2004到2008年間，硅太陽(yáng)能技術(shù)的增速達(dá)到了54.5%，在之后的幾年中，此項(xiàng)技術(shù)的增長(zhǎng)速度由于國(guó)際財(cái)政政策的導(dǎo)向又驟降至16%，而在增速放緩之后不久，太陽(yáng)能電池技術(shù)又迎來(lái)了另一個(gè)黃金增長(zhǎng)期[2]。在諸多硅太陽(yáng)能電池技術(shù)中，技術(shù)增長(zhǎng)速度最快的是多晶硅太陽(yáng)能電池技術(shù)，因?yàn)楸M管單晶硅太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化率更高一些，約為15%-25%，但是其材料成本太過(guò)高昂影響了其商業(yè)化的進(jìn)程。而通過(guò)這些年的努力，多晶硅太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化率穩(wěn)步增高，甚至在特定的情況下可以超過(guò)單晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化率。本文主要研究多晶硅太陽(yáng)能電池技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用。技術(shù)商業(yè)化中核心的要素就是將低成本的材料通過(guò)基礎(chǔ)技術(shù)與生產(chǎn)制造的結(jié)合轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的產(chǎn)品，而對(duì)于太陽(yáng)能電池技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用，必須要研究的就是如何提高其能量轉(zhuǎn)化效率。

1影響硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率的因素

一般來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的方式有兩種，一種是光能首先轉(zhuǎn)化為熱能，然后熱能再轉(zhuǎn)化電能，另一種是光能直接轉(zhuǎn)化為電能。在第一種方式中，光能首先被轉(zhuǎn)化為熱能將水加熱為水蒸汽，然后通過(guò)蒸汽機(jī)與發(fā)電機(jī)將熱能變?yōu)殡娔?，因此此種方式與熱電站非常類似。此種方式有一個(gè)顯而易見(jiàn)的弊端，那就是通過(guò)了兩級(jí)轉(zhuǎn)換后，能量轉(zhuǎn)化效率非常低下;并且，如果需要建設(shè)一個(gè)此種方式的太陽(yáng)能發(fā)電站，其成本將是一般熱發(fā)電站的5倍，因此此種方式只能被應(yīng)用在一些非常特殊的場(chǎng)合。相比第一種能量轉(zhuǎn)化方式，第二種能量轉(zhuǎn)化的方式就顯得更加直接也更加高效了，本文所研究的內(nèi)容也是基于此種方法。理論上來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能電池就是半導(dǎo)體光敏二極管，當(dāng)光線照射在光敏二極管的PN結(jié)上時(shí)，光敏二極管中會(huì)產(chǎn)生一些載流子，其中空穴將從N極流向P極，而電子將從P極流向N極，此時(shí)微弱的電流就產(chǎn)生了[3]，多個(gè)同樣的光敏二極管通過(guò)特殊的工藝被排列在一起時(shí)，就形成了硅太陽(yáng)能電池。這種電池技術(shù)具有永久性、清潔性和靈活性，應(yīng)用范圍非常廣泛，是現(xiàn)今使用最多的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化技術(shù)。上文中提到，太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化效率在此項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化的過(guò)程中尤為重要，而影響其轉(zhuǎn)化效率的因素主要分為兩個(gè)，分別是光能損失與電能損失。

1.1光能損失

光能損失包含了太陽(yáng)能電池表面光反射損失、表面電極遮罩損失以及長(zhǎng)波光波損失。

首先，當(dāng)太陽(yáng)光照射在太陽(yáng)能電池表面時(shí)，只有一部分光波被吸收了，而剩下的都被反射出去。研究表明僅有67.4%的光波被吸收了，這意味著有將近三分之一的光能被浪費(fèi)了，這個(gè)難題也是目前太陽(yáng)能電池技術(shù)所面臨的一個(gè)巨大障礙。

其次，由于電極部分為金屬材料且覆蓋在電池表面，所以被電極覆蓋的光敏二極管無(wú)法受到太陽(yáng)光的照射，一般情況下，電池表面覆蓋的電極大概占整個(gè)表面的7%[4]

最后，晶體硅對(duì)于光波的波譜響應(yīng)寬度大約是200nm到1100nm之間，而太陽(yáng)光包含了各種波長(zhǎng)的光，其光波波長(zhǎng)主要集中在紫外光區(qū)、可見(jiàn)光區(qū)與紅外光區(qū)，也就是150nm至4um之間，因此太陽(yáng)光中波長(zhǎng)超過(guò)1100nm的光能無(wú)法被晶體硅吸收而變成熱能發(fā)散掉或直接損失掉。

1.2電能損失

電能損失包含了光生載流子復(fù)合損失和接觸電阻損失。

光生載流子復(fù)合的損失是一種無(wú)法控制的損失，它幾乎存在于每一個(gè)太陽(yáng)能電池單元中，會(huì)導(dǎo)致開(kāi)路電壓的損失，造成這種損失的因素有很多種，例如雜質(zhì)的種類，雜質(zhì)的密度，運(yùn)行溫度，晶片的厚度等等。比如說(shuō)，當(dāng)少數(shù)光生載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度等于或大于晶片厚度時(shí)，它們的復(fù)合速度會(huì)減慢，這對(duì)太陽(yáng)能電池電壓會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。另外，每一個(gè)太陽(yáng)能電池中都不可避免地會(huì)被參雜一些雜質(zhì)，有的是材料本身包含的雜質(zhì)，有的是在生產(chǎn)過(guò)程中參入的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)影響光生載流子的復(fù)合速度并產(chǎn)生漏電流，而有的漏電流方向與工作電壓方向相反，則會(huì)造成平均工作電壓的降低。

另一個(gè)導(dǎo)致電能損失的因素就是接觸電阻，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，電阻存在于每一個(gè)太陽(yáng)能電池當(dāng)中，可能是鉛、金屬網(wǎng)格或者半導(dǎo)體本身，但主要的電阻來(lái)自于半導(dǎo)體以及金屬電極，顯然，這些電阻都會(huì)導(dǎo)致電能的損失。

2提升硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率的方法

提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率可以從以下幾個(gè)方面來(lái)實(shí)施：首先，提高太陽(yáng)能電池制造材料的質(zhì)量也就是減少原材料雜質(zhì)的占比可以增加少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，降低載流子復(fù)合速度，從而提高能量轉(zhuǎn)化效率;其次增加太陽(yáng)能電池表面粗糙度或者使用抗反射薄膜可以有效地減少光能反射的損失，提高光能的吸收效率[5][6];再者，Al-BSF技術(shù)被廣泛的應(yīng)用在太陽(yáng)能電池中用作降低背面載流子復(fù)合速率，使電能損耗得到降低[5];然后，使用氧化硅和氮化硅對(duì)太陽(yáng)能電池表面做鈍化處理可以降低正面載流子復(fù)合速率，弱化電能損耗[7];最后，選擇性擴(kuò)散法可以使得晶體硅對(duì)太陽(yáng)光波普響應(yīng)范圍變寬，這樣可以增加太陽(yáng)光的吸收效率從而提高能量轉(zhuǎn)化效率。

3結(jié)束語(yǔ)

上文中所提及的增加硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率的方法若能夠一一被實(shí)現(xiàn)，那么硅太陽(yáng)能電池技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用前景將更加廣闊，但仍有更多能夠提升轉(zhuǎn)化效率的方法有待研究。另外，今后太陽(yáng)能電池是否依然以晶體硅為基礎(chǔ)也未可知，例如納米柱陣列太陽(yáng)能電池、碰撞電離太陽(yáng)能電池、熱載流子太陽(yáng)能電池、熱光電太陽(yáng)能電池、納米天線太陽(yáng)能電池、石墨烯太陽(yáng)能電池等太陽(yáng)能電池技術(shù)已如雨后春筍般冒了出來(lái)[8][9][10]，相信在不久的將來(lái)，人類會(huì)逐個(gè)攻克太陽(yáng)能電池技術(shù)的難關(guān)，太陽(yáng)能電池的成本與售價(jià)也會(huì)隨著商業(yè)化的進(jìn)程逐漸降低，那時(shí)，人類將能夠解決困擾已久的能源問(wèn)題，使用最持久、最清潔、最靈活的能源。

參考文獻(xiàn)

[1] S. Binetti， M. Acciarri， A. Le Donne， M. Morgano and Y. Jestin. 2013， Key Success Factors and Future Perspective of Silicon-Based Solar Cells， International Journal of Photoenergy.

[2] Y. Lee， B. Kim and S. M. Ifitiquar. 2014， Silicon Solar Cells： Past， Present and the Future， Journal of the Korean Physical Society， Vol. 65 pp. 355～361.

[3] Practical Handbook of Photovoltaics， Chapter IA-1： Principles of Solar Cell Operation， second edition 2002：P3-25.

[4] China New Energy： http：//www.china-nengyuan.com/news/36962.html.

[5] X. Zhang， M. Ren， 2013， Information Recording Materials， Vol.14 No.4.

[6] China New Energy： http：//www.china-nengyuan.com/news/37015.html.

[7] Electrical Power： http：//www.doc88.com/p-369144920013.html.

[8] O. Lupan， V. M. Guerin and I. M. Tiginyanu， et al. 2011， Well-alignedarrays of vertically oriented ZnO nanowires electrodeposited on ITO-coated glass and their integration in dye sensitized solar cells， Journal of Photochemistry and Photobiology A： Chemistry， 211（1）： pp. 65-73.

[9] Z. Y. Fan， D. J. Ruebusch， A. A. Rathore， et al. 2009， Challenges and prospects of nanopillar-based solar cells. Nano Research， 2（11）： pp. 829-843.

[10] Graphene： https：//en.wikipedia.org/wiki/Graphene.