從智慧地球和綠色地球看現(xiàn)代光電技術(shù)的發(fā)展機(jī)遇

褚君浩

（中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所中科院太陽電池研究中心 上海 200083）

從智慧地球和綠色地球看現(xiàn)代光電技術(shù)的發(fā)展機(jī)遇

褚君浩

（中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所中科院太陽電池研究中心 上海 200083）

光電信息傳感和光電能量轉(zhuǎn)換是建設(shè)智慧地球和綠色地球的重要關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)當(dāng)前光電信息傳感器以及光電能量轉(zhuǎn)換器件的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)努力發(fā)展大規(guī)模焦平面列陣；提高紅外傳感器件工作溫度，發(fā)展室溫工作器件；擴(kuò)展光電傳感器工作波段，發(fā)展多波段器件；發(fā)展光、熱、電、磁、分子、質(zhì)量、應(yīng)力以及單光子傳感器等多種傳感技術(shù)。本文還對(duì)如何發(fā)展太陽能光伏電池提出若干看法。

物聯(lián)網(wǎng)，傳感器，智慧地球，綠色地球，太陽能光伏電池

褚君浩院士

1 前言

當(dāng)前建設(shè)“智慧地球”和“綠色地球”是人類面臨的兩大任務(wù)，也對(duì)光電科學(xué)技術(shù)提出了新的發(fā)展要求。智慧地球＝物聯(lián)網(wǎng)＋互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是信息獲取的光電傳感器技術(shù)；建設(shè)綠色地球是解決能源與環(huán)境問題的根本出路，其重要途徑之一是發(fā)展太陽能光伏電池。建設(shè)“智慧地球”和“綠色地球”的核心技術(shù)是光電信息轉(zhuǎn)換和光電能量轉(zhuǎn)換，都需要進(jìn)一步提升水平。現(xiàn)代光電技術(shù)迎來新的發(fā)展機(jī)遇。

2 發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是信息科學(xué)技術(shù)的一個(gè)新發(fā)展。2008年IBM總裁Samuel Palmisano先生，在紐約對(duì)外關(guān)系理事會(huì)做報(bào)告，題目為：“智慧地球——下一代領(lǐng)導(dǎo)人的議程”，提出幾乎任何事物都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和互聯(lián)。我們正在邁入全球一體化與智慧的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和地球的時(shí)代。物聯(lián)網(wǎng)是要把所有物品通過信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，然后進(jìn)行智能化識(shí)別和管理。這也就是把“物”的信息通過傳感器接收，形成“物”信息的網(wǎng)絡(luò)，并與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合。這樣就構(gòu)成一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦：由音頻采集器構(gòu)成虛擬聽覺系統(tǒng)，由視頻采集器構(gòu)成虛擬視覺系統(tǒng)，由分子傳感器、氣體傳感器、液體傳感器等構(gòu)成虛擬味覺系統(tǒng)，由空氣傳感器、水系傳感器、土壤傳感器等構(gòu)成虛擬感覺系統(tǒng)，由各種家用設(shè)備、辦公設(shè)備以及生產(chǎn)設(shè)備構(gòu)成虛擬運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，等等。這些系統(tǒng)構(gòu)成的虛擬大腦的神經(jīng)系統(tǒng)，形成物聯(lián)網(wǎng)信息網(wǎng)絡(luò)，信息流進(jìn)入信息處理中心，基于各類模型，可以進(jìn)行智能化信息處理與判斷，并融入互聯(lián)網(wǎng)，形成計(jì)算機(jī)、手機(jī)、人以及各類反應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)合互動(dòng)。作為一個(gè)小例子，如果洗衣機(jī)內(nèi)安裝有先進(jìn)傳感器，就能夠感知放入的衣服是什么質(zhì)地的材料做成，從而基于事先已經(jīng)建立好的模型，自動(dòng)地做出洗滌程序的安排。對(duì)于城市的交通系統(tǒng)來說，所有的車輛的時(shí)間空間座標(biāo)都在感知之中，根據(jù)這種感知，紅綠燈系統(tǒng)有最佳程序，駕駛員也有最佳判斷和安排。通過城市中的監(jiān)控?cái)z像機(jī)、各類傳感器、RFID以及各類先進(jìn)感知工具，可以感知城市各物的信息，這些信息通過寬帶、天線和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，匯聚于智能化信息處理中心，經(jīng)過模型分析，可以感知城市的狀況，以便做出決策、實(shí)行遠(yuǎn)程管理以及采取相應(yīng)措施。人們可以對(duì)各類信息進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)獲取，再進(jìn)行傳遞、在信息中心進(jìn)行智能化分析處理，做出判斷與行動(dòng)。根據(jù)各類社會(huì)行為，就形成智慧的交通、智慧的醫(yī)療、智慧的物流、智慧的水系統(tǒng)、智慧的電網(wǎng)、智慧的能源、智慧的銷售、智慧的食品、智慧的金融、智慧的城市……，形成智慧的地球。

各類傳感器在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中具有舉足輕重的地位。安置在橋墩里的壓力傳感器可以感知橋墩的應(yīng)力、安置在地下巖石中的傳感器可以感知巖石內(nèi)應(yīng)力情況、安置在身上的傳感器可以實(shí)時(shí)感知身體器官的狀況、安置在煤礦里的傳感器可以感知礦井中有害氣體的濃度。沒有各類傳感器就不能實(shí)現(xiàn)信息的獲取，也就不能進(jìn)一步整合信息，應(yīng)用信息。例如，1995年3月日本東京地鐵站沙林毒氣事件、2004年西班牙馬德里火車站炸藥爆炸192人遇難等案例，如果安裝毒氣和爆炸物傳感器，就可有效設(shè)防此類事件發(fā)生。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生信息的源頭，是眼睛、鼻子、耳朵、舌頭、皮膚，是人體五官的延長(zhǎng)和功能擴(kuò)展。有了先進(jìn)的傳感器，才能對(duì)環(huán)境、水、空氣、土壤和植物等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，才能建立無線傳感應(yīng)急監(jiān)控設(shè)備，應(yīng)用于地鐵、商場(chǎng)、車站、園區(qū)等人類活動(dòng)的各類場(chǎng)所。

物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于傳感器的需求給光電傳感材料和器件的發(fā)展注入新的驅(qū)動(dòng)力。光電傳感器的主要功能是獲得目標(biāo)物的 “形像”、“熱像”和“譜像”。從獲取目標(biāo)物的形像，可以知道目標(biāo)物是否存在，知道目標(biāo)物的外部形狀；從獲取目標(biāo)物的熱像，可以知道目標(biāo)物的溫度分布；從獲取目標(biāo)物的譜像，可以根據(jù)事先測(cè)量研究并建立的模型知道目標(biāo)物的物質(zhì)組成。這些關(guān)于目標(biāo)物的“形像”、“熱像”和“譜像”的信息，進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)的信息流。

光電傳感器件具有廣闊的發(fā)展空間。除了可見光傳感器外，要進(jìn)一步發(fā)展紫外、紅外波段以及THz波段的光電傳感材料及其焦平面列陣探測(cè)器。當(dāng)前的研究重點(diǎn)主要是制備更大規(guī)模的焦平面列陣器件，提高器件工作溫度，發(fā)展室溫工作的紅外探測(cè)器，擴(kuò)展器件工作的波段，制備雙波段甚至多波段焦平面列陣器件，發(fā)展光、熱、電、磁、分子、質(zhì)量、應(yīng)力以及單光子等多種傳感技術(shù)等等。研究的科學(xué)問題涉及光電傳感材料的光電激發(fā)動(dòng)力學(xué)，解決擴(kuò)大焦平面規(guī)模、提高工作溫度、擴(kuò)展響應(yīng)波段的新技術(shù)及其關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。這些問題的解決，對(duì)發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)光電傳感技術(shù)至關(guān)重要。

2.1 發(fā)展大規(guī)模焦平面探測(cè)器

目前，在紅外波段最主要的傳感材料是以 HgCdTe為代表的窄禁帶半導(dǎo)體。HgCdTe是一種性能優(yōu)越的紅外敏感材料，其禁帶寬度隨組分變化。可以選擇適當(dāng)組分使材料響應(yīng)大氣窗口的重要紅外波段。該材料已成為制備高性能紅外探測(cè)器的最佳材料。HgCdTe體材料晶體生長(zhǎng)、薄膜材料的液相外延生長(zhǎng)、分子束外延生長(zhǎng)都取得良好進(jìn)展，并發(fā)展了大規(guī)模紅外焦平面列陣制備的新工藝。當(dāng)前的重要研究熱點(diǎn)問題是碲鎘汞高性能p-n結(jié)的制備和特性控制研究；硅基碲鎘汞薄膜材料制備技術(shù)研究；HgCdTe材料的各種非破壞無接觸表征方法研究；材料中雜質(zhì)缺陷的規(guī)律研究及其生長(zhǎng)中控制的研究；HgCdTe材料表面界面的研究；HgCdTe系列低維結(jié)構(gòu)的制備及其物理特性研究；HgCdTe中載流子的激發(fā)、傳輸和隧穿規(guī)律性研究；以及相關(guān)的許多基礎(chǔ)物理問題的研究。這些問題與器件物理過程密切相關(guān)，是這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在大規(guī)模碲鎘汞焦平面器件研制方面，美國的技術(shù)水平最為先進(jìn)[1，2]。我國近年來也有很好的發(fā)展。

2.2 提高光電探測(cè)器工作溫度，發(fā)展室溫工作探測(cè)器

目前，碲鎘汞紅外探測(cè)器一般都需要在低溫（77K，105K）制冷下工作，以減小器件噪聲電流，得到高的探測(cè)率，在應(yīng)用方面受到了諸多限制。這主要是由于HgCdTe晶格、表面和界面的不穩(wěn)定性，生長(zhǎng)工藝中容易出現(xiàn)各種缺陷，通常需要致冷到近液氮溫度才能發(fā)揮其優(yōu)良的性能；同時(shí)，用這種材料制作的光伏器件在77K時(shí)隧道電流大，特別對(duì)于λc≥15μm的長(zhǎng)波紅外探測(cè)器來說，這些問題就顯得更加突出。因此，如何提高探測(cè)器工作溫度已成為當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。當(dāng)前，提高工作溫度的研究主要在兩方面開展。一是努力提高碲鎘汞探測(cè)器工作溫度至半導(dǎo)體致冷機(jī)所能達(dá)到的溫度；二是尋找替代碲鎘汞具有較高工作溫度的窄禁帶半導(dǎo)體材料。

在第一方面，研究工作主要圍繞提高碲鎘汞少數(shù)載流子壽命和降低探測(cè)器噪音。2004年8月舉行的SPIE“紅外技術(shù)與應(yīng)用”專題會(huì)議上，研究人員發(fā)明了一種通過使探測(cè)器在接近零偏壓下工作消除大部分低頻噪聲的新方法，使得HgCdTe列陣器件在230K溫度下的NETD達(dá)到60mK[2]。在第二方面，主要研究HgZnTe、InAsSb(銦砷銻)、InSbBi（銦銻鉍）等III-V族窄禁帶半導(dǎo)體材料，希望能夠替代碲鎘汞使其響應(yīng)率高且能在較高溫度下工作。除了提高光子型探測(cè)器工作溫度外，發(fā)展室溫工作的熱電型紅外探測(cè)技術(shù)，也非常重要。熱敏材料接受到紅外輻射后溫度升高，引起電學(xué)物理量的變化，如電阻率變化、極化率變化產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)等。熱電型探測(cè)技術(shù)無需制冷，可室溫工作，有著巨大的市場(chǎng)需求，如汽車夜視儀、監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)等。目前非致冷探測(cè)包括熱釋電和微測(cè)輻射計(jì)型。微測(cè)輻射計(jì)型集成紅外焦平面，所用材料為氧化釩VOx和非晶硅a-Si，這種焦平面已投入生產(chǎn)。熱釋電非致冷焦平面工作模式采用混成式，即探測(cè)元和讀出電路分別在兩個(gè)片子上。為進(jìn)一步降低成本和增加焦平面的探測(cè)率，當(dāng)前主要研發(fā)集成熱釋電紅外焦平面，其具有更高性能的潛力，是非制冷紅外焦平面一個(gè)發(fā)展方向。

2.3 擴(kuò)展傳感器工作波段，發(fā)展多波段探測(cè)器

光電傳感器需要擴(kuò)展到不同的波段以適應(yīng)不同的需要。可見光探測(cè)器和紅外探測(cè)器相對(duì)比較成熟，當(dāng)前需要進(jìn)一步發(fā)展的主要有伽馬射線、x射線探測(cè)器、紫外探測(cè)器、近紅外探測(cè)器、甚長(zhǎng)波探測(cè)器、THz探測(cè)器。過去高靈敏紫外探測(cè)多采用紫外敏感的光電倍增管和類似的真空器件以及紫外增強(qiáng)型硅光電二極管。真空器件相對(duì)固體探測(cè)器而言，具有體積大、工作電壓高等缺點(diǎn)；而硅器件具有可見光響應(yīng)的特點(diǎn)在一些紫外應(yīng)用中會(huì)變成缺點(diǎn)。隨著寬禁帶半導(dǎo)體材料的研究進(jìn)展，人們開始考慮具有可見光響應(yīng)極小的本征型紫外光電探測(cè)器。其中具有潛力的材料是GaN基材料。纖鋅礦結(jié)構(gòu)的III-IV族材料是直接帶隙材料，隨著合金組分的改變，其禁帶寬度可以連續(xù)變化。對(duì)于鋁鎵氮材料其禁帶寬度可以從GaN的3.4eV連續(xù)變化到AlN的6.2eV。因此，利用這種材料研制的本征型紫外探測(cè)器的截止波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)地可以連續(xù)從365nm變化到200nm。對(duì)于日盲型紫外探測(cè)器，AlxGa1-xN材料的組分x需要達(dá)到40%以上，也就是需要所謂的高鋁組分AlGaN。GaN基紫外面陣探測(cè)器目前的發(fā)展方向主要是朝著大規(guī)模日盲型發(fā)展。

在近紅外波段，主要發(fā)展高性能InGaAs近紅外探測(cè)器。InGaAs紅外焦平面在0.5μm－2.5μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有高的量子效率和靈敏度，可以把60%的近紅外輻射光子轉(zhuǎn)換成光電子。InGaAs可以采用MBE和MOCVD方法進(jìn)行外延，比HgCdTe更容易生長(zhǎng)。因此，InGaAs紅外焦平面，特別是非致冷焦平面技術(shù)，在許多民用和國防領(lǐng)域有很大應(yīng)用前景。

當(dāng)前，THz波段傳感器的研究是一個(gè)很重要的研究領(lǐng)域。

在擴(kuò)展傳感器工作波段方面還包括研制多波段焦平面技術(shù)[3]。他對(duì)于模糊背景和復(fù)雜過程中的目標(biāo)，或者目標(biāo)特性在過程中不斷發(fā)生變化的情況顯得尤為重要。大規(guī)模、多波段、高速以及遠(yuǎn)距離紅外探測(cè)，可以提高對(duì)目標(biāo)的早期發(fā)現(xiàn)、復(fù)雜目標(biāo)的識(shí)別能力。基于“能帶工程”和“波函數(shù)工程”的量子阱材料能級(jí)結(jié)構(gòu)裁減的隨意性，在上世紀(jì)90年代就有量子阱結(jié)構(gòu)的雙色探測(cè)器。GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測(cè)器由于其自身特點(diǎn)特別適合于多波段焦平面，如窄帶響應(yīng)和波長(zhǎng)可裁剪性，允許多個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)沿垂直方向堆垛，每個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)吸收特定的波段同時(shí)允許其他光子透過，通過改變量子阱的阱寬、勢(shì)壘組分和阱中摻雜濃度實(shí)現(xiàn)峰值探測(cè)波長(zhǎng)和截止波長(zhǎng)的連續(xù)裁剪。GaAs/AlGaAs材料體系允許量子阱參數(shù)的變化使探測(cè)波長(zhǎng)覆蓋6μm-20μm。由于探測(cè)波段的可裁剪性以及材料、器件工藝的相對(duì)成熟，國外各大紅外焦平面器件研究機(jī)構(gòu)和公司相繼推出各自的雙色、多色焦平面器件。

2.4 發(fā)展多傳感多頻譜及其融合和集成傳感技術(shù)

發(fā)展多種類信息傳感、多頻譜信息傳感以及它們的融合技術(shù)是目前信息獲取和處理的熱點(diǎn)。當(dāng)前需要發(fā)展多種類信息傳感器，如紅外、紫外、x光、γ射線、壓力、震動(dòng)、聲響、磁敏、化學(xué)、生物、單光子等傳感器，同時(shí)要發(fā)展多頻譜信息傳感技術(shù)。多傳感、多頻譜信息融合技術(shù)可以采集多種傳感器信息，進(jìn)行綜合處理，從多頻譜的角度獲得目標(biāo)的各種參數(shù)信息，包括構(gòu)成陸、海、空、天四維廣域無線傳感系統(tǒng)。多傳感、多頻譜信息獲取和傳感以及信息融合技術(shù)將在物聯(lián)網(wǎng)得到實(shí)際應(yīng)用。先進(jìn)紅外探測(cè)和傳感技術(shù)可以獲取目標(biāo)物體的紅外光譜和其他特征譜及其圖像，而這些信息正可以用來對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行識(shí)別、定量分析及監(jiān)控，既可用于宏觀對(duì)象，如地面、水域、氣象，也可用于微小物體，如生物細(xì)胞、單個(gè)原子、單個(gè)分子；既可用于靜止目標(biāo)，也可用于運(yùn)動(dòng)物體。同時(shí)還要發(fā)展微小壓力傳感技術(shù)。觸覺傳感器在遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)中將得到實(shí)際應(yīng)用。通過（無線）網(wǎng)絡(luò)將人類觸覺信息進(jìn)行遠(yuǎn)程傳遞和相互作用，可在航空航天、模擬訓(xùn)練、遠(yuǎn)程診療救護(hù)、戰(zhàn)場(chǎng)和反恐排險(xiǎn)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。微型觸覺傳感器陣列及其反饋系統(tǒng)具有分辨率高、易于集成、適于曲面貼裝等特點(diǎn)。未來還有可能開發(fā)出單分子和單原子級(jí)質(zhì)量及力分辨的傳感器技術(shù)。采用高分辨能力的諧振式傳感器機(jī)理，通過納機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）技術(shù)，可研制出對(duì)微觀質(zhì)量、力或角動(dòng)量等敏感的傳感器，進(jìn)而可以獲取單細(xì)胞、單分子、單原子一直到單電子自旋角動(dòng)量的信息。集成微儀器型傳感器也都是重要發(fā)展方向。這些方面都是物聯(lián)網(wǎng)的信息獲取和處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

3 發(fā)展太陽能光伏電池關(guān)鍵技術(shù)的若干問題

在建設(shè)綠色地球方面，發(fā)展太陽能光伏電池是重要的任務(wù)。當(dāng)前太陽能電池發(fā)展很快。我國的太陽能電池產(chǎn)量已經(jīng)占世界三分之一，主要是硅基電池，其次是薄膜電池。目前太陽能電池發(fā)展?fàn)顩r是：

（1）以晶體硅為代表的第一代太陽電池正在蓬勃發(fā)展，占太陽能電池總量的90%，同時(shí)硅基電池在技術(shù)上還有上升空間。

（2）CIGS、CdTe和III－V族化合物半導(dǎo)體為代表的薄膜太陽能電池正在發(fā)展之中，它們已被證明可以產(chǎn)業(yè)化。但是在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化過程中還有許多技術(shù)關(guān)鍵，存在不同工藝路線，設(shè)備和工藝都有研究和發(fā)展的需要。

（3）具有新材料、新概念、新結(jié)構(gòu)、新工藝的新型太陽電池不斷出現(xiàn)。其中包括染料敏化太陽電池、寬光譜多結(jié)太陽電池、有機(jī)太陽電池、納米結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)太陽電池等等。他們將會(huì)根據(jù)成本、效率、壽命、穩(wěn)定性等情況先后進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化。

太陽能光伏電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)需求為中科院發(fā)展能源科學(xué)、光電科學(xué)與材料科學(xué)提供了機(jī)遇。中科院應(yīng)積極為太陽能電池技術(shù)上升做出貢獻(xiàn)，進(jìn)行有基礎(chǔ)研究特色的高技術(shù)創(chuàng)新研究，面向產(chǎn)業(yè)需求、面向太陽能電池新技術(shù)、面向光電技術(shù)基礎(chǔ)。我們的研究工作要能夠?yàn)楫a(chǎn)業(yè)發(fā)展做技術(shù)服務(wù)、能夠把技術(shù)成果轉(zhuǎn)讓給企業(yè)或者形成新的產(chǎn)業(yè)、能夠產(chǎn)生國內(nèi)外領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)室記錄，從而逐步在若干方面起到引領(lǐng)作用。同時(shí)要在太陽能利用前瞻性基礎(chǔ)研究方面走在前面。

當(dāng)前應(yīng)重點(diǎn)開展以下6方面研究工作：（1）物理法提純制備太陽能等級(jí)多晶硅關(guān)鍵技術(shù)；（2）提升硅基太陽電池技術(shù)；（3）發(fā)展高效率薄膜太陽能電池的關(guān)鍵技術(shù)，包括高效率單結(jié)、雙結(jié)、多結(jié)和柔性薄膜太陽能電池；（4）探索新型太陽電池技術(shù)，包括染料敏化太陽能電池、高效全光譜InGaN太陽能電池、有機(jī)太陽能電池、太陽能聚光光學(xué)系統(tǒng)以及低成本銅銦鎵硒薄膜太陽能電池技術(shù)等；（5）發(fā)展先進(jìn)光伏發(fā)電集成系統(tǒng)；（6）開展太陽能利用的材料科學(xué)、光電科學(xué)等系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究。

3.1 發(fā)展太陽能等級(jí)多晶硅物理提純方法

多晶硅材料的生產(chǎn)主要可分為兩大類：化學(xué)提純法和物理提純法。化學(xué)法主要有改良西門子法、硅烷熱分解法、流化床反應(yīng)爐法等，其產(chǎn)品主要用于拉制單晶，滿足大規(guī)模集成電路和電子器件的生產(chǎn)需求。目前化學(xué)法也以新工藝技術(shù)、向更大規(guī)模化、更低生產(chǎn)成本方向發(fā)展，但總的來說其投資成本大、生產(chǎn)成本高，距離太陽電池發(fā)展的低成本要求還相距較遠(yuǎn)。

多晶硅的物理提純法單位能耗要明顯低于化學(xué)提純法，且生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，投資規(guī)模小，在簡(jiǎn)單增加設(shè)備臺(tái)數(shù)的基礎(chǔ)上即可形成規(guī)模化生產(chǎn)，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。物理法主要是指采用物理冶金的方式提純多晶硅的方法。早在西門子法提出以前，就被應(yīng)用于多晶硅材料生產(chǎn)，但由于其提純的材料品質(zhì)相對(duì)較低，一直沒有得到半導(dǎo)體行業(yè)的重視。近年來，物理法以其低成本的優(yōu)勢(shì)，在太陽能等級(jí)多晶硅材料的生產(chǎn)上受到青睞。進(jìn)行高效、低成本提純技術(shù)的研究對(duì)降低太陽能電池的生產(chǎn)成本，促進(jìn)光伏發(fā)電的普及具有深遠(yuǎn)意義。在物理法提純太陽能級(jí)多晶硅技術(shù)方面主要是開發(fā)一套完整的提純太陽能級(jí)多晶硅生產(chǎn)的技術(shù)路線，交變電磁場(chǎng)對(duì)造渣去雜工藝的優(yōu)化技術(shù)、低溫熔體長(zhǎng)晶提純技術(shù)、定向凝固去除雜質(zhì)工藝的優(yōu)化及制備太陽能級(jí)多晶硅材料的質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。

3.2 發(fā)展硅基太陽能電池技術(shù)

硅基太陽能電池技術(shù)研究包括高效晶體硅太陽電池和硅基薄膜太陽電池兩方面。對(duì)于高效晶體硅太陽電池，通過研究硼擴(kuò)散背場(chǎng)技術(shù)雙擴(kuò)散技術(shù)、刻槽化學(xué)鍍技術(shù)、雙面鈍化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效率的晶體硅太陽能電池的制備。同時(shí)在技術(shù)水平和效率成本等方面都有上升空間。

除發(fā)展晶體硅太陽能電池外，發(fā)展硅基薄膜太陽能電池也是重要方向。硅基薄膜電池具有很大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)椋海?）硅材料儲(chǔ)量豐富（硅是地球上儲(chǔ)量第二大元素），而且無毒、無污染，是人們研究最多、技術(shù)最成熟的材料；（2）耗材少、制造成本低。硅基薄膜電池的厚度小于1μm不足晶體硅電池厚度的1/100，大大降低了材料成本；硅基薄膜電池采用低溫工藝技術(shù)（200℃），不僅可節(jié)能降耗，而且便于采用玻璃、塑料等廉價(jià)襯底；另外，硅基薄膜采用氣體的輝光效電分解沉積而成，通過改變反應(yīng)氣體組分可方便地生長(zhǎng)各種硅基薄膜材料，為實(shí)現(xiàn)pin和各種疊層結(jié)構(gòu)的電池，節(jié)省了許多工序。（3）便于實(shí)現(xiàn)大面積、全自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)。

現(xiàn)有的硅基薄膜電池——非晶硅電池效率的光致不穩(wěn)定性是由非晶硅材料微結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)態(tài)屬性決定的，因此S-W效應(yīng)是不易完全消除的。為獲得高效率、高穩(wěn)定性的硅基薄膜大陽電池，近年來又出現(xiàn)了微晶硅（μc-Si）、多晶硅（po1y-Si）薄膜電池。實(shí)驗(yàn)證明，用μc-Si和po1y-Si薄膜代替a-Si的有源層制備的電池，在長(zhǎng)期光照下沒有任何衰退現(xiàn)象。因此，發(fā)展晶化的硅基薄膜太陽電池是實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定、高效、低成本最有前景的方法，因而成為國際研究的熱點(diǎn)。目前研究的焦點(diǎn)是如何利用低成本工藝技術(shù)，獲得大面積優(yōu)質(zhì)的晶化硅薄膜材料以及新型硅基薄膜電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。特別是用微晶、多晶硅薄膜作為窄帶隙材料與非晶硅組成疊層電池結(jié)構(gòu)，可更充分地利用太陽光譜。

3.3 發(fā)展薄膜太陽能電池

高效薄膜太陽能電池將是普遍應(yīng)用的第二代太陽能電池，必須加強(qiáng)研發(fā)工作。高效薄膜太陽能電池與體材料電池相比，具有高效率、低成本、高功率重量比等優(yōu)點(diǎn)，是未來光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的重要方面，具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。在民用方面，可廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、汽車、建筑領(lǐng)域以及光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。在空間應(yīng)用方面，薄膜太陽電池具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。在光伏應(yīng)用中，薄膜太陽電池有許多特殊的優(yōu)點(diǎn)，薄膜電池可在任何形狀的襯底上制作，可直接做成屋瓦式太陽電池。這種太陽能屋頂，可極大地節(jié)省安裝空間，減少系統(tǒng)成本。這種高效率薄膜太陽能電池可用玻璃、柔性材料（如不銹鋼片、聚酰亞胺）等作為襯底。特別是在制備高效率柔性薄膜太陽能電池方面具有優(yōu)勢(shì)。薄膜電池在建筑集成市場(chǎng)中具有很大的競(jìng)爭(zhēng)力。可以做成透射一部分可見光的硅基薄膜太陽電池，這樣的電池可做為汽車的太陽頂及房屋的窗玻璃。可在很薄的不銹鋼（50μm）和塑料襯底上制備超輕量級(jí)的薄膜太陽電池。當(dāng)前國際上普遍關(guān)注的薄膜太陽能電池主要有非硅薄膜太陽能電池、銅銦硒化物（CIS/CIGS）、碲化鎘(CdTe)等薄膜太陽能電池。

在這方面的研究中，需要解決高效率薄膜太陽能電池的關(guān)鍵技術(shù)；制備高效率單結(jié)、雙結(jié)、多結(jié)薄膜太陽能電池；發(fā)展薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)中的光電調(diào)控理論和實(shí)驗(yàn)；探索柔性的CIGS單結(jié)、CIGS多結(jié)、CdTe單結(jié)、 漸變帶隙 CdxZn1-xTe單結(jié)以及CdxZn1-xTe/CIGS多結(jié)疊層薄膜太陽能電池的大面積制備工藝，形成產(chǎn)業(yè)化。同時(shí)發(fā)展太陽能薄膜電池設(shè)備技術(shù)。由于地球上In和Ga元素的限制，人們還在研發(fā)CuZnSnS電池，目前已有很好的進(jìn)展。

3.4 發(fā)展新型太陽能電池技術(shù)

當(dāng)前新型太陽能電池的研究非常活躍，如染料敏化太陽能電池、高效全光譜InGaN等III－V族半導(dǎo)體太陽能電池、有機(jī)太陽能電池、量子點(diǎn)太陽能電池、太陽能聚光光學(xué)系統(tǒng)以及低成本銅銦鎵硒薄膜太陽能電池技術(shù)。

染料敏化太陽能電池為新型太陽能電池之一，是結(jié)合孔狀納米晶氧化鈦半導(dǎo)體電極與釕金屬化合物及電解質(zhì)而成的一種新型的濕式太陽能電池，1991年和1993年,瑞士的Michael Greatzel教授先后在Nature和Journal of the American Chemical Society上發(fā)表論文,報(bào)道了一種全新的太陽電池——染料敏化納米晶薄膜太陽電池。它制作方法簡(jiǎn)單,成本低,實(shí)驗(yàn)室的光電轉(zhuǎn)換效率超過了10%。由于染料敏化太陽能電池采用液態(tài)電解質(zhì),會(huì)出現(xiàn)溶劑的泄漏、揮發(fā)等影響電池穩(wěn)定性的問題。針對(duì)上述問題,人們提出了用準(zhǔn)固態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)制備染料敏化太陽能電池的新思路。同時(shí)量子點(diǎn)敏化的量子線列陣可以形成一種特別有潛力的太陽能電池結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)尺寸，量子點(diǎn)具有和太陽光譜形成更好的匹配的能力。納米線可以通過避免氧化物網(wǎng)絡(luò)中的顆粒-顆粒之間的電子跳躍以幫助改進(jìn)電子的輸運(yùn)特性。有機(jī)/聚合物本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池,因其制備簡(jiǎn)單、成本低廉、重量輕、可制成柔性器件等突出優(yōu)點(diǎn)，近年來受到廣泛重視。但是有機(jī)太陽能電池存在吸收材料的吸收光譜與太陽光光譜不匹配、載流子遷移率比較低等問題，穩(wěn)定性有待進(jìn)一步研究和提高。全光譜太陽能電池是新型光伏技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。對(duì)于太陽能聚光光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過研究基于全息技術(shù)的低倍廣角聚光系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于DOE技術(shù)的高效二色鏡光學(xué)元件設(shè)計(jì)、光學(xué)收集系統(tǒng)、光譜分解系統(tǒng)和多結(jié)電池的集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效率的太陽能聚光光學(xué)系統(tǒng)。

3.5 發(fā)展先進(jìn)光伏發(fā)電集成系統(tǒng)

中科院要努力發(fā)展先進(jìn)光伏發(fā)電集成系統(tǒng)；研究MW級(jí)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，在MW級(jí)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備上取得重大進(jìn)展。力求在先進(jìn)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和MW級(jí)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)上有所突破，以解決西部地區(qū)農(nóng)村的缺電問題，促進(jìn)城市太陽能光伏應(yīng)用，加快我國并網(wǎng)光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用步伐。掌握BIPV相關(guān)平衡部件的關(guān)鍵技術(shù)，掌握光伏微網(wǎng)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，研制容量為100kW以下的并網(wǎng)逆變器，通過結(jié)合國家可再生能源示范建設(shè)分散或集中的BIPV并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，促進(jìn)BIPV的應(yīng)用。解決并網(wǎng)逆變器的波形控制技術(shù)、MPPT技術(shù)及反孤島保護(hù)技術(shù)、光伏微網(wǎng)逆變器控制技術(shù)、微網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)能量管理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)問題，為我國光伏并網(wǎng)發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語

光電信息傳感和光電能量轉(zhuǎn)換是建設(shè)智慧地球和綠色地球的重要關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。傳感器件是物聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)元件。光電傳感器件要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題是：研究光電傳感材料的生長(zhǎng)以及組分和雜質(zhì)缺陷的分布、行為和控制；研究光電傳感材料的光電激發(fā)動(dòng)力學(xué)；研究雙色、多色焦平面的分波段光電躍遷和器件設(shè)計(jì)；創(chuàng)新大規(guī)模焦平面工藝技術(shù)，解決關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題；研究焦平面器件性能的穩(wěn)定性和失效機(jī)理；研究提高器件工作溫度的機(jī)制和途徑。同時(shí)要加強(qiáng)各類新型傳感器探索研究。

太陽能光伏電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)需求為中科院發(fā)展能源科學(xué)、光電科學(xué)與材料科學(xué)提供了機(jī)遇。中科院的研究工作定位于關(guān)鍵技術(shù)科學(xué)基礎(chǔ)研究，進(jìn)行有基礎(chǔ)研究特色的高技術(shù)創(chuàng)新研究，面向產(chǎn)業(yè)需求、面向太陽能電池新技術(shù)、面向先進(jìn)光電技術(shù)基礎(chǔ)，要努力形成知識(shí)產(chǎn)權(quán)，能夠把技術(shù)成果轉(zhuǎn)讓給企業(yè)或者形成新的產(chǎn)業(yè)，能夠?yàn)楫a(chǎn)業(yè)發(fā)展做技術(shù)服務(wù)，為太陽能技術(shù)發(fā)展提供源源不斷的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)能夠產(chǎn)生國內(nèi)外領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)室記錄，在太陽能利用前沿基礎(chǔ)研究方面有重要?jiǎng)?chuàng)新。

1 Scott M Johnson,William A Radford et al.Status of HgCdTe/Si technology for large format infrared focal plane arrays.Proceedings of SPIE，2005，5 732:250-258.

2 Tom Chuh.FPA technology advancements at Rockwell Scientific.Proceedings of SPIE,2005, 5 783:907-922.

3 Stafeev V I,Boltar'K O,Burlakov I Det al.Midand far-IR focal plane arrays based on Hg1? xCdxTe photodiodes.Semiconductors,2005,39: 1 063-7 826.

AbstractBoth photoelectricity information sensing and photoelectricity energy conversion are important key technologies for constructing wisdom earth and green earth.According to the development trends of current photoelectricity information sensors and photoelectricity energy conversion devices,we ought to make great efforts to develop large-scale focal plane array;to increase working temperature of infrared sensing devices,and develop room temperature working devices;to extend photoelectric sensors response band，and develop multiband devices;and to develop a great variety of sensing technologies,such as light,heat,electricity, magnetism,molecule,quality,stress and single photon sensors.This paper also presents some views on how to develop solar power photovoltaic cells.

Keywordsinternet of things,sensor,wisdom earth,green earth,solar power photovoltaic cells

褚君浩 中國科學(xué)院院士，中科院上海技術(shù)物理所研究員，半導(dǎo)體物理和器件專家。1945年出生于江蘇宜興。1984年獲中科院上海技術(shù)物理所博士學(xué)位。1986—1988年德國慕尼黑理工大學(xué)物理系洪堡研究成員。1993—2003年擔(dān)任紅外物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。長(zhǎng)期從事紅外光電子物理和光電躍遷效應(yīng)研究，在窄禁帶半導(dǎo)體物理和鐵電薄膜材料器件物理等研究方面，獲得有國際影響的系統(tǒng)研究成果，近年來從事太陽能光伏研究和極化材料器件的研究。發(fā)表SCI論文400余篇，在科學(xué)出版社和Springer出版社出版中英文專著3部；曾獲國家自然科學(xué)獎(jiǎng)3項(xiàng)及中科院和上海市自然科學(xué)獎(jiǎng)、科技進(jìn)步獎(jiǎng)10項(xiàng)。E-mail: jhchu@mail.sitp.ac.cn

Judging the Development Opportunity for Photoelectric Technology from Wisdom Earth and Green Earth

Chu Junhao
（Shanghai Institute of Technological Physics，CAS 200083 Shanghai）

10.3969/j.issn.1000-3045.2010.05.007

2010年9月2日