硅太陽能電池商業化的核心要素

王亞騰 劉斌

摘 要： 本文簡單介紹了過去15年間太陽能電池技術的發展，同時描述了太陽能電池技術目前面臨的瓶頸以及硅太陽能電池商業化的阻礙。之后，通過簡述影響多晶硅太陽能電池轉化效率的因素剖析了應該如何從減少光能損失和減少電能損失兩個方面去提升太陽能的轉化效率，從而獲得商業化的必要條件。

關鍵詞： 多晶硅;硅太陽能電池;轉化效率;商業化;光能損失;電能損失

引言

當今，人們越來越關注環境保護和可持續發展，也意識到使用可再生能源的重要性與必要性，所以太陽能必將是人類需要利用的終極能源之一，而用于太陽能收集與轉化的物體就是太陽能電池。太陽能電池產業的發展與其他行業一樣都依靠基礎技術和地方財政導向，在過去的15年間，各國政府都大力支持太陽能電池的發展，尤其是一些西方國家在硅太陽能電池技術上投入了大量的資金和人力，因此，從全球范圍來看，硅太陽能電池技術幾乎在以每年30%的增速進步[1]。據統計分析，2004到2008年間，硅太陽能技術的增速達到了54.5%，在之后的幾年中，此項技術的增長速度由于國際財政政策的導向又驟降至16%，而在增速放緩之后不久，太陽能電池技術又迎來了另一個黃金增長期[2]。在諸多硅太陽能電池技術中，技術增長速度最快的是多晶硅太陽能電池技術，因為盡管單晶硅太陽能電池的能量轉化率更高一些，約為15%-25%，但是其材料成本太過高昂影響了其商業化的進程。而通過這些年的努力，多晶硅太陽能電池的能量轉化率穩步增高，甚至在特定的情況下可以超過單晶硅太陽能電池的轉化率。本文主要研究多晶硅太陽能電池技術的商業應用。技術商業化中核心的要素就是將低成本的材料通過基礎技術與生產制造的結合轉化為高價值的產品，而對于太陽能電池技術的商業應用，必須要研究的就是如何提高其能量轉化效率。

1影響硅太陽能電池轉化效率的因素

一般來說，太陽能轉化為電能的方式有兩種，一種是光能首先轉化為熱能，然后熱能再轉化電能，另一種是光能直接轉化為電能。在第一種方式中，光能首先被轉化為熱能將水加熱為水蒸汽，然后通過蒸汽機與發電機將熱能變為電能，因此此種方式與熱電站非常類似。此種方式有一個顯而易見的弊端，那就是通過了兩級轉換后，能量轉化效率非常低下;并且，如果需要建設一個此種方式的太陽能發電站，其成本將是一般熱發電站的5倍，因此此種方式只能被應用在一些非常特殊的場合。相比第一種能量轉化方式，第二種能量轉化的方式就顯得更加直接也更加高效了，本文所研究的內容也是基于此種方法。理論上來說，太陽能電池就是半導體光敏二極管，當光線照射在光敏二極管的PN結上時，光敏二極管中會產生一些載流子，其中空穴將從N極流向P極，而電子將從P極流向N極，此時微弱的電流就產生了[3]，多個同樣的光敏二極管通過特殊的工藝被排列在一起時，就形成了硅太陽能電池。這種電池技術具有永久性、清潔性和靈活性，應用范圍非常廣泛，是現今使用最多的太陽能轉化技術。上文中提到，太陽能的轉化效率在此項技術商業化的過程中尤為重要，而影響其轉化效率的因素主要分為兩個，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能電池表面光反射損失、表面電極遮罩損失以及長波光波損失。

首先，當太陽光照射在太陽能電池表面時，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了，這個難題也是目前太陽能電池技術所面臨的一個巨大障礙。

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法受到太陽光的照射，一般情況下，電池表面覆蓋的電極大概占整個表面的7%[4]

最后，晶體硅對于光波的波譜響應寬度大約是200nm到1100nm之間，而太陽光包含了各種波長的光，其光波波長主要集中在紫外光區、可見光區與紅外光區，也就是150nm至4um之間，因此太陽光中波長超過1100nm的光能無法被晶體硅吸收而變成熱能發散掉或直接損失掉。

1.2電能損失

電能損失包含了光生載流子復合損失和接觸電阻損失。

光生載流子復合的損失是一種無法控制的損失，它幾乎存在于每一個太陽能電池單元中，會導致開路電壓的損失，造成這種損失的因素有很多種，例如雜質的種類，雜質的密度，運行溫度，晶片的厚度等等。比如說，當少數光生載流子擴散長度等于或大于晶片厚度時，它們的復合速度會減慢，這對太陽能電池電壓會產生顯著的影響。另外，每一個太陽能電池中都不可避免地會被參雜一些雜質，有的是材料本身包含的雜質，有的是在生產過程中參入的雜質，這些雜質會影響光生載流子的復合速度并產生漏電流，而有的漏電流方向與工作電壓方向相反，則會造成平均工作電壓的降低。

另一個導致電能損失的因素就是接觸電阻，嚴格來說，電阻存在于每一個太陽能電池當中，可能是鉛、金屬網格或者半導體本身，但主要的電阻來自于半導體以及金屬電極，顯然，這些電阻都會導致電能的損失。

2提升硅太陽能電池轉化效率的方法

提高太陽能轉化效率可以從以下幾個方面來實施：首先，提高太陽能電池制造材料的質量也就是減少原材料雜質的占比可以增加少數載流子的擴散長度，降低載流子復合速度，從而提高能量轉化效率;其次增加太陽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技術被廣泛的應用在太陽能電池中用作降低背面載流子復合速率，使電能損耗得到降低[5];然后，使用氧化硅和氮化硅對太陽能電池表面做鈍化處理可以降低正面載流子復合速率，弱化電能損耗[7];最后，選擇性擴散法可以使得晶體硅對太陽光波普響應范圍變寬，這樣可以增加太陽光的吸收效率從而提高能量轉化效率。

3結束語

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

參考文獻

[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.