硅太阳能电池商业化的核心要素

王亚腾 刘斌

摘 要： 本文简单介绍了过去15年间太阳能电池技术的发展，同时描述了太阳能电池技术目前面临的瓶颈以及硅太阳能电池商业化的阻碍。之后，通过简述影响多晶硅太阳能电池转化效率的因素剖析了应该如何从减少光能损失和减少电能损失两个方面去提升太阳能的转化效率，从而获得商业化的必要条件。

关键词： 多晶硅;硅太阳能电池;转化效率;商业化;光能损失;电能损失

引言

當今，人们越来越关注环境保护和可持续发展，也意识到使用可再生能源的重要性与必要性，所以太阳能必将是人类需要利用的终极能源之一，而用于太阳能收集与转化的物体就是太阳能电池。太阳能电池产业的发展与其他行业一样都依靠基础技术和地方财政导向，在过去的15年间，各国政府都大力支持太阳能电池的发展，尤其是一些西方国家在硅太阳能电池技术上投入了大量的资金和人力，因此，从全球范围来看，硅太阳能电池技术几乎在以每年30%的增速进步[1]。据统计分析，2004到2008年间，硅太阳能技术的增速达到了54.5%，在之后的几年中，此项技术的增长速度由于国际财政政策的导向又骤降至16%，而在增速放缓之后不久，太阳能电池技术又迎来了另一个黄金增长期[2]。在诸多硅太阳能电池技术中，技术增长速度最快的是多晶硅太阳能电池技术，因为尽管单晶硅太阳能电池的能量转化率更高一些，约为15%-25%，但是其材料成本太过高昂影响了其商业化的进程。而通过这些年的努力，多晶硅太阳能电池的能量转化率稳步增高，甚至在特定的情况下可以超过单晶硅太阳能电池的转化率。本文主要研究多晶硅太阳能电池技术的商业应用。技术商业化中核心的要素就是将低成本的材料通过基础技术与生产制造的结合转化为高价值的产品，而对于太阳能电池技术的商业应用，必须要研究的就是如何提高其能量转化效率。

1影响硅太阳能电池转化效率的因素

一般来说，太阳能转化为电能的方式有两种，一种是光能首先转化为热能，然后热能再转化电能，另一种是光能直接转化为电能。在第一种方式中，光能首先被转化为热能将水加热为水蒸汽，然后通过蒸汽机与发电机将热能变为电能，因此此种方式与热电站非常类似。此种方式有一个显而易见的弊端，那就是通过了两级转换后，能量转化效率非常低下;并且，如果需要建设一个此种方式的太阳能发电站，其成本将是一般热发电站的5倍，因此此种方式只能被应用在一些非常特殊的场合。相比第一种能量转化方式，第二种能量转化的方式就显得更加直接也更加高效了，本文所研究的内容也是基于此种方法。理论上来说，太阳能电池就是半导体光敏二极管，当光线照射在光敏二极管的PN结上时，光敏二极管中会产生一些载流子，其中空穴将从N极流向P极，而电子将从P极流向N极，此时微弱的电流就产生了[3]，多个同样的光敏二极管通过特殊的工艺被排列在一起时，就形成了硅太阳能电池。这种电池技术具有永久性、清洁性和灵活性，应用范围非常广泛，是现今使用最多的太阳能转化技术。上文中提到，太阳能的转化效率在此项技术商业化的过程中尤为重要，而影响其转化效率的因素主要分为两个，分别是光能损失与电能损失。

1.1光能损失

光能损失包含了太阳能电池表面光反射损失、表面电极遮罩损失以及长波光波损失。

首先，当太阳光照射在太阳能电池表面时，只有一部分光波被吸收了，而剩下的都被反射出去。研究表明仅有67.4%的光波被吸收了，这意味着有将近三分之一的光能被浪费了，这个难题也是目前太阳能电池技术所面临的一个巨大障碍。

其次，由于电极部分为金属材料且覆盖在电池表面，所以被电极覆盖的光敏二极管无法受到太阳光的照射，一般情况下，电池表面覆盖的电极大概占整个表面的7%[4]

最后，晶体硅对于光波的波谱响应宽度大约是200nm到1100nm之间，而太阳光包含了各种波长的光，其光波波长主要集中在紫外光区、可见光区与红外光区，也就是150nm至4um之间，因此太阳光中波长超过1100nm的光能无法被晶体硅吸收而变成热能发散掉或直接损失掉。

1.2电能损失

电能损失包含了光生载流子复合损失和接触电阻损失。

光生载流子复合的损失是一种无法控制的损失，它几乎存在于每一个太阳能电池单元中，会导致开路电压的损失，造成这种损失的因素有很多种，例如杂质的种类，杂质的密度，运行温度，晶片的厚度等等。比如说，当少数光生载流子扩散长度等于或大于晶片厚度时，它们的复合速度会减慢，这对太阳能电池电压会产生显著的影响。另外，每一个太阳能电池中都不可避免地会被参杂一些杂质，有的是材料本身包含的杂质，有的是在生产过程中参入的杂质，这些杂质会影响光生载流子的复合速度并产生漏电流，而有的漏电流方向与工作电压方向相反，则会造成平均工作电压的降低。

另一个导致电能损失的因素就是接触电阻，严格来说，电阻存在于每一个太阳能电池当中，可能是铅、金属网格或者半导体本身，但主要的电阻来自于半导体以及金属电极，显然，这些电阻都会导致电能的损失。

2提升硅太阳能电池转化效率的方法

提高太阳能转化效率可以从以下几个方面来实施：首先，提高太阳能电池制造材料的质量也就是减少原材料杂质的占比可以增加少数载流子的扩散长度，降低载流子复合速度，从而提高能量转化效率;其次增加太阳能电池表面粗糙度或者使用抗反射薄膜可以有效地减少光能反射的损失，提高光能的吸收效率[5][6];再者，Al-BSF技术被广泛的应用在太阳能电池中用作降低背面载流子复合速率，使电能损耗得到降低[5];然后，使用氧化硅和氮化硅对太阳能电池表面做钝化处理可以降低正面载流子复合速率，弱化电能损耗[7];最后，选择性扩散法可以使得晶体硅对太阳光波普响应范围变宽，这样可以增加太阳光的吸收效率从而提高能量转化效率。

3结束语

上文中所提及的增加硅太阳能电池转化效率的方法若能够一一被实现，那么硅太阳能电池技术的商业应用前景将更加广阔，但仍有更多能够提升转化效率的方法有待研究。另外，今后太阳能电池是否依然以晶体硅为基础也未可知，例如纳米柱阵列太阳能电池、碰撞电离太阳能电池、热载流子太阳能电池、热光电太阳能电池、纳米天线太阳能电池、石墨烯太阳能电池等太阳能电池技术已如雨后春笋般冒了出来[8][9][10]，相信在不久的将来，人类会逐个攻克太阳能电池技术的难关，太阳能电池的成本与售价也会随着商业化的进程逐渐降低，那时，人类将能够解决困扰已久的能源问题，使用最持久、最清洁、最灵活的能源。

參考文献

[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.