光伏技术面临的挑战与机遇
沈 辉 shenhui1956@163 中山大学太阳能系统研究所 顺德中山大学太阳能研究院
主要内容
光伏技术研究课题 光伏产业技术发展 光伏技术综合评价 光伏技术的环境问题 光伏技术经济问题 光伏技术社会效益 光伏技术前景展望
光伏技术研究课题
新型太阳电池技术 背景：1954年贝尔实验室研制出实用化晶体硅太阳电池以来，经过近60年的研究发展，光伏技术作为一种全新的发电方式越来越引起世界各国的高度关注。美国、日本、德国等都投入巨资加大研发力度和产业化推进进程。从以硅片为衬底的第一类晶体硅电池，到以薄膜技术为主的第二类薄膜太阳电池，人们不断追求的目标主要是高的光电转换效率与低的生产成本，最终能够将这种技术作为一种最实用发电技术推向规模化应用，以有效应对全球日益严重的能源短缺与环境污染。 现状：就原理、技术与材料而言，晶体硅电池，还是薄膜电池都属于同一代，它们将长期共同发展，相辅相成，互相促进，两者之间不存在势不两立的矛盾。事实上，各种太阳电池各有特点，各有特定适合的市场，每种都有发展的空间。在太阳电池技术的发展过程中，世界各国多个研究机构一直在追求最高的转换效率，对多种材料、多种技术都进行了探索。 表1 展示了至今为止的各类电池的实验室与商业化产品的世界记录。然而，决定太阳电池能否推广的指标不仅是效率，而且在某种情况下，生产成本显得更为重要。至今为止，市场主流以晶体硅电池为主，薄膜电池为辅，预计这种状况未来很长一段时间不会改变。这两种电池面临的共同问题是效率不是很高（特定市场使用的砷化镓电池除外），因此促使人们从根本的变革考虑，即基于原理、技术突破，开展新一代即新型太阳电池研究与开发。
表1a 展示了至今为止的各类电池的世界记录(实验室*)
表1b 展示了至今为止的各类电池的世界记录(企业产品**)
新型太阳电池技术
新型电池的最大特点就是高的光电转换效率，其效率能够达到30%甚至更高。目前在现有硅电池或薄膜电池技术基础上，基于丰富的原料，在原理、技术上有所突破，先后出现多种太阳电池新概念与新技术，有可能成为新型太阳电池的主要有： 多结太阳电池（multi-junction solar cells） 晶体硅单结太阳电池的理论效率不超过30%。因此要获得更高的效率，由多个p-n结堆叠构成的多结太阳电池就成为一个重要的研发方向。多结太阳电池，顾名思义，就是一片太阳电池包含2个或者更多个半导体p-n结，不同p-n结吸收不同频率范围的光波，即光谱分割利用，使得太阳辐射在整个光谱范围内得到最大程度的利用，从而达到提高太阳电池的转换效率的目的。 一般来说，具有3-5个p-n结的多结太阳电池的光电转换效率就可以达到40-50%甚至更高，但实际上不管是从材料选择、带隙匹配及制造工艺等方面来看，都存在很大的难度。而且p-n结过多，不仅成本上升，也将会导致不同p-n结之间的输出电流难以匹配，最后反而降低效率。
新型太阳电池技术
如果将晶体硅作为底部电池，在其上构建一个带隙为约1.8 eV的上部电池，就可形成双结电池，效率可以达到42%；而将晶体硅作为底部电池，带隙为2.0 eV和1.5 eV的分别作为上部和中部电池，则效率可以就可达到47%。显然，如果2到3个p-n结的太阳电池的效率能够达到40%-50%，这对于高效太阳电池的产业化开发，不管是从技术上还是经济上都是极为有利的。 在多结太阳电池中，不同p-n结的排列顺序取决于半导体材料带隙的大小，简单地来说，对应于光谱的蓝、绿、黄、红及红外等波段，带隙最宽的一层要在最上面，用来吸收能量高的的波段，如蓝、绿波段，之后就按带隙减少的顺序排列，最下面的一层吸收能量低的波段，例如红及红外波段(图1)。 这样排列的依据是，能量高的光子穿透能力差，而能量低的光子穿透能力强。