第三章

把太阳能转换为电能
——下一代光伏(PV)技术

　　光伏(PV)电池(“太阳能电池”)是把太阳光转化为电能的器件。 尽管光伏技术已经是今天所使用的太阳能技术中最普遍的一种，许多人从房顶上的太阳能组件就能联想到太阳能，但是它还只是全球能量生产中的一小部分。按照美国俄亥俄州托莱多大学阿尔文∙康帕安(Alvin Compaan)博士的说法，2008年全世界生产的电能约20兆兆瓦(TW)，其中只有70亿瓦(7GW)是由光伏模式生产的，仅占全世界生产的电能的总量的0.035%。光伏技术的广泛使用受到了硅的高成本的限制。目前制造和广泛使用的大多数光伏电池都是用太阳级硅 所制造的。在整个2天半的CS3会议中，大家反复关注有更可承受的光伏材料和制造方法。例如，有机分子基光伏技术的发明具有比硅基太阳能电池便宜得多的潜力，但有机材料的稳定性和寿命则是一个主要关注的问题。在CS3的第3次会议中，与会者讨论了几种“下一代”光伏技术的挑战与机遇。本章总结了这些讨论。

光伏技术概观：化学家们寻求降低成本的条件

　　中国科学院上海技术物理研究所的褚君浩博士的开场演讲介绍了光伏技术的概况。光伏技术是由美国贝尔实验室于20世纪50年代首先开发的太阳能技术之一，在过去的10年中，全世界的产量呈现指数增加。按照褚君浩博士提供的数据，1997年全世界PV的产能为约1.258亿瓦(125.8MW)，到了2007年增加到37.334亿瓦。他预测，不久的将来每年安装的PV仍将以一个非常迅速的速度持续增加，保守估计，到2012年，产生的太阳能将达到130亿瓦。

　　PV的生产主要在中国，大部分用于出口。2008年，世界产量的约1/3在中国大陆，其次是德国(21%)、日本(16%)、中国台湾地区(7%)、欧洲其它国家(7%)、亚洲其它国家(7%)、美国(6%)和印度(1%)。到2011年，中国和德国预期将保持为两个领先PV生产国，将分别占PV生产的总数的19％和13％，然后是马来西亚(11%)。即便中国是商业PV技术的最大生产国，但使用的只占生产出来的很少一部分，它只占全球市场的仅0.17%。

　　褚君浩强调指出，尽管在过去几年PV生产有了显著增长，但PV科学与技术仍然是研究与发明的一个活跃领域。对于开发更多的可承受的材料来说，即便太阳级硅的成本已经从2007年12月的每千克350~400美元下降到2008年12月的每千克100美元，但不断的研究与发明仍是基本的。硅依旧是PV生产中成本最高的部分，它占到了一个单一的太阳能电池板的成本的近乎60％.

已有和正在出现的PV技术

　　褚君浩描述了不同类型的光伏技术：

　　(1)晶体硅(c-Si)光伏技术

　　目前，c-Si光伏技术占据市场的主要份额，全世界安装的所有太阳能阵列中的约87％是由c-Si构成的。然而，它仍然有改进的余地。虽然c-Si光伏技术是所有光伏技术(以及所有的太阳能技术)中最有效的(当然，对此还可商榷)，它把所吸收的阳光转化为电力的平均效率为15％~20％。但是，最重要的是，目前的c-Si光伏技术的成本对于广泛使用还过于昂贵。褚君浩强调，需要不断减少构成第一代c-Si光伏电池的大部分的硅片的厚度。虽然在过去的几年中，硅片的平均厚度已经变薄了一半还多，从2003年的约300~350 μm变为2010年的约150 μm，但为了把技术成本降低到更可承受程度，它还需要进一步变薄。

　　硅片变薄具有很好的经济意义，但它也带来了新的挑战。特别是，它增加了并非所有光子都能被吸收的机会，而使其中的一部分被反射回大气，因而降低了电池的太阳能转化效率。褚君浩提到，为了避免这种问题的发生，电池可以用“设置光陷阱(light trapping)”和改进表面的钝化这两种方法来改进。设置光陷阱，例如制造一个反转角锥硅表面或在器件的背面加一层像镜子那样的金属层来俘获光，从而增加被吸收的光的数量。钝化作用使得半导体表面对化学和电“变钝”，因而减少了它的化学反应活性并改进了相似性，电荷载流子(即电子和空穴)将被输运到外电路。他列举了几个例子来说明这些已经使用的技术是如何使得c-Si电池更有效的。例如，德国弗赖堡的弗朗霍佛尔太阳能系统研究所(Fraunhofer ISE)通过在正面和背面都加上一层二氧化硅(SiO2)钝化层，开发了效率为21.6%的LFC-PERC(laser-fired contact - passivated emitter, rear cell: 激光点火接触-钝化发射极，背电池)太阳能电池。美国加州圣何塞的太阳能公司和日本守口市的三洋电器公司都采用钝化技术来降低它们各自的专利c-Si光伏技术的成本和效率。太阳能公司的效率达到21％，而三洋的效率为22.3%

　　褚君浩还讨论了最近的一些采用除SiO2之外的其它材料来钝化的研究进展。例如，德国亚琛大学RWTH的研究人员已经采用氮化硅(SiNx)来作为钝化材料；美国加州圣克拉拉的应用材料公司的科学家们已经考察了把SiO2和SiNx结合的钝化；荷兰的埃因霍温技术大学的研究人员、德国汉诺威的莱布尼茨大学太阳能研究所和日本东京工业大学已经研究了用氧化铝(Al2O3)膜来作为钝化材料。迄今，采用这样的钝化材料的c-Si电池的效率的“世界纪录” 是三洋报道的22.3%。

　　(2) 薄膜太阳能电池(TFSC)
　　褚君浩用其报告的大部分时间讨论了“第二代”薄膜光伏(TFPV)技术，它包括了无定形硅(a-Si)基薄膜太阳能电池以及由其它化合物(诸如多晶(二)铜铟硒(CIS)、(二)铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)或磷化铟镓(InGaP)和砷化镓(GaAs)的外延层 构成的薄膜太阳能电池。

　　与c-Si电池相比，大多数薄膜光伏电池的效率都较低，典型的效率在10%~13%范围。生产的大多数薄膜光伏组件的效率为约5％~10％。不过，正如褚君浩所讨论的，薄膜光伏的效率有一个很大的变数，其中的一个因素是取决于电池是否是“多结”的。多结光伏电池含有多层不同的半导体材料，每类材料吸收了不同波长的光。增加能被吸收的光的波长范围，就可以增加可以转化为电的太阳能的数量。一些多外延层电池(例如“三结”电池)的效率大于40％。作为探索用于多结薄膜光伏电池新材料的一个例子，褚君浩指出，美国卡罗拉多州戈尔登的国家再生能源实验室的科学家们采用了镓铟氮砷 (GaInNAs)和硼镓铟砷磷(BGaInAsP)层。

　　与硅片光伏电池相比，薄膜光伏电池除了效率较低之外，它们的稳定性是另一个关键挑战。许多薄膜太阳能电池存在着固有的不稳定性，这是由于材料在暴露于光后会随时间而变质。如褚君浩解释的那样，缺乏稳定性可能是与材料、粘合力或者封装有关。就材料来说，例如，CIGS是较稳定的，而a-Si对光诱导的变质是敏感的；对于粘合力，例如可能会发生层间撕开或从基底上剥落；而对于封装，有时湿气可以通过层的边缘而穿透包覆了的组件。

　　尽管它们存在着效率和稳定性的缺陷，但是薄膜太阳能电池所需要的原材料要比构建c-Si电池少且不那么贵。它们还具有更短的能量“返还”周期。那就是，所有的太阳能电池板都需要能量来生产，但薄膜光伏板与硅片技术相比，产生净增电能要迅速得多。典型的硅片电池要约4年才可以返还在制造电池中所花费的全部能量，相比之下，薄膜硅基太阳能电池仅需约1年。它们的柔性和分量轻，加上较低的成本和较短的能量返还周期，使得它们适合在不可能用更普通的硅片技术的方面，例如空间、军用、建筑物整体安装中，得到应用。

　　虽然薄膜光伏电池没有c-Si光伏电池那样普及，但光伏电池安装中的增长的百分点是来源于薄膜基电池的。例如，褚君浩提到，德国在建的采用CdTe基太阳能电池的1.3MW电站(丁巴赫太阳公园)、采用由美国明尼苏他州罗彻斯特山的辅助能量转换器件联合太阳能奥沃尼克(United Solar Ovonic)的北京新首都博物馆屋顶的无定形硅基薄膜系统。他预测，到2012年，所有的PV设备中c-Si基的数量将从目前的约87％跌落到约75％，而其余的25％将是薄膜基的。

关于薄膜太阳能电池的进一步讨论

　　在褚君浩报告之后，美国俄亥俄州托莱多大学的阿尔文∙康帕安博士响应了褚对薄膜光伏正在成为未来的选择的评论。他指出，在美国大多数硅基光伏的生产都是薄膜技术而不是硅片技术(比如，联合太阳能公司)。他提到，在过去的4年中，已经有3种无机薄膜光伏技术达到了大规模制造水平。以俄亥俄为基地的第一太阳能公司的碲化镉(CdTe)薄膜光伏电池、以密歇根为基地的联合太阳能公司的无定形硅薄膜光伏电池和以亚利桑那为基地的全球太阳能公司的铜铟镓硒(CIGS)薄膜光伏电池。这些公司中的至少有一个(第一太阳能公司)已经在价格方面取得很好的突破。

　　然而，在一些类型的薄膜光伏电池技术能够取得进展和其它类型能够达到大规模使用之前，化学方面仍然留有许多挑战。康帕安提到了2点：(1)多晶材料制成的薄膜光伏存在着与c-Si技术中使用的材料所产生的同样的由褚君浩所讨论的钝化问题；(2)尽管一些薄膜光伏的实验室器件已经被证明有较高的效率，但它们的大规模制造的器件的实际效率要低得多。例如，CIGS是一种很难制造的材料，尽管CIGS薄膜光伏在实验室的效率也许达到20％，但规模生产的实用组件的效率还不到10％。

　　然后，康帕安更详细地讨论了他与第一太阳能公司的合作以及碲化镉薄膜光伏技术的未来。像铟(在褚报告之后对有机分子光伏技术的讨论中提到，见本章下面)一样，对碲的可利用程度也存在着担忧。2008年，碲化镉组件生产用掉了总共约50吨碲，它们全都来源于铜矿尾料17。目前，从铜矿尾料中提取碲的效率仅约33％，产量约每年500吨。他解释说，这将只能支撑每年约25GW碲化镉基光伏电池的生产。

　　他还关注镉的毒性，指出大多数镉的排放