| 释义 |
【单晶硅太阳电池】
据1992年初的初步统计，1991年世界太阳电池的工业产量为53MW，比1990年增产约14%。1991年与1987年相比，增加了85%。尽管多晶硅和非晶硅太阳电池的崛起，使单晶硅太阳电池量在太阳电池总产量中的比率逐渐下降，但其仍占总产量的三分之一。单晶硅太阳电池90年代的研究进展如下： 1．平板型单晶硅太阳电池的新进展。德国斯图加特大学的研究人员曾简明扼要地评价了当前研究最多的五类太阳电池的主要特点(如表1所示)。由该表的简单对比可以看出，光电转换效率很高而且性能稳定性极好的单晶硅太阳电池存在的主要问题是材料的价格较高。因而很多单位着手研制专用于制造太阳电池的单晶硅，其成本可以低于目前使用的适用于制造集成电路的单晶硅。日本开发了一种太阳电池的高纯度硅制造工艺，研究人员认为，太阳电池用硅通常要求比电阻率为0．5～1．5cm的P型硅，纯度要求为6～7N，比集成电路用硅的11N纯度要求低得多。预计将来太阳电池普及时每年需要数千吨硅，为此，有必要开发廉价的大量生产工艺。他们研制的新工艺包括3个步骤：第一步是制造5N纯度的高纯SiO2和碳粒。前者采用玻璃工业用的精制石英砂，经过选矿处理后进行水玻璃化，用酸处理，析出SiO2，用酸和纯水洗净后得到高纯度SiO2粉，生产率为每日60kg；高纯还原剂碳粒的制造用市售丙烷为原料，经热分解和干法回收制成高纯碳黑，加结合剂后烧成碳粒。第二步为还原。他们设计研制了一种2kg／h的密闭型还原炉，高纯硅的收率为85%，比常规开放型电弧炉的收率60%高出很多。第三步是硅的精制。将还原炉硅进行过滤脱碳、酸化脱碳和真空脱酸后，经过单向凝固，制成太阳电池用硅。此种太阳电池用硅直接制成10×10cm2多晶硅太阳电池时，转换效率为12．8%，再经CZ法拉单晶后制成的5cm2单晶硅太阳电池的转换效率为16．5%，与采用集成电路用硅制成的电池效率16．8%相近，而成本要低得多。美国太阳能研究所T·F·EcISZEK等进行了有关高效太阳电池用的悬浮区熔硅的基础研究。他们指出，理论分析表明少数载流子寿命τ对太阳电池的转换效率影响最大。实践中点接触式高效太阳电池要求τ≈1ms的高阻硅。他们认为，采用适宜条件的悬浮区熔法生长在硅单晶，少子寿命可长达20ms．为此，要求单晶硅中Cr、Fe、Mn、Ta、Ti、V、Zr、C、O等有害杂质浓度尽可能低，材料必须无位错和晶界。此外，生长界面要保持低的热梯度和缓慢冷却，以避免旋涡缺陷、凝结缺陷、急冷缺陷等微观缺陷的存在，从而获得尽可能高的少子寿命。表1 5类太阳电池的性能和成本对比 
澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)的光伏实验室在原来发明的钝化发射区太阳电池(PESC电池)的基础上先后研制了钝化发射区和背面电池(OERC电池与钝化发射区－背面局部扩散电池，即PERL电池)。他们研制的PERC电池最高效率为23．1%，面积为4cm2，是在20Ω．m的低阻单晶硅衬底上制成的。与原先的PESC电池相比，PERC电池用氧化物热生长法对电池背面的大部分进行了电子钝化处理，从而将背面的反射率提高到97%以上，产生非常有效的光陷作用。PERL电池的最高效率达24．2%，面积也是4cm2，是在50Ωm和200Ωm的单晶硅衬底上制成的。2cm衬底的电池电流密度稍高，因而转换效率也稍高。与PERC电池相比，PERL电池在背面氧化物层上局部扩散硼，减小了衬底的侧向电阻，提高了填充因子和转换效率。效率达24．2%的PERL电池，其开路电压为696mV，闭路电流密度为42．9mA／cm2，填充因子为81．0%。PERL电池的研制者认为，用这种电池组成的大面积组件的效率有可能超过23%。这些研制者在研究过程中曾利用计算机模拟器件程序来查明限制电池效率的因素。据英国BP太阳能公司宣布，其在西班牙的子公司利用UNSW的上述太阳电池制造工艺，使其用常规单晶硅片制成的太阳电池的效率提高了30%，商品组件的效率由原来的12%～13%提高到17%～18%，每个组件的功率由原来的45W提高到60W。美国R．A．Sinton等研制一种简化背面接触太阳电池，最高效率为21．9%，面积为10．5cm2，电池的衬底材料为130μm厚的390cm高阴掺磷单晶硅片。这种电池的特点是开发了一种自准直的金属化工艺，并优化了重掺杂补偿区，使得P+和n+扩散不需要分隔区，从而将制造电池背面的几步光刻程序简化为一步制成。为了进一步提高单晶硅太阳电池的光电转换效率，一些研究人员从理论上提出一些电池设计模型。日本R．Uematsu等提出一种极薄高效硅太阳电池的构造模型，利用厚250μm的硅片制成波形结构的衬底，波形上下表面之间的间距仅50μm，波形夹角为70．5°，钱之勇利用2维器件模拟器计算，在1ms少子寿命、1cm／s的表面复合速度和95%光陷作用的最佳条件下，该设计模型的转换效率可达27%。印度S．N．Singh等提出一种内部光陷作用的高效硅太阳电池模型，据计算可将转换效率提高到28．6%。中国在高效单晶硅太阳电池的研究方面也取得了很大进展，天津电源研究所研制的PESC单晶硅太阳电池的转换效率已达到20．5%。2．聚光型单晶硅太阳电池的新进展。单晶硅太阳电池早期由于成本高、产量少，主要用作人造卫星电源，随着制造成本的降低和产量的增长，应用重点已转向地面独立电源和光伏电站。为了可以与常规能源竞争，利用聚光器将大面积的阳光聚焦到小面积的高效太阳电池上，使电池获得许多倍的光能，从而相应地转换成许多倍的电能，其效果相当于用廉价的聚光材料替代昂贵的单晶硅材料，能降低光伏发电成本。此外，在相当于若干倍阳光的高强度光照下，结构合适的聚光型太阳电池可以获得比平板型太阳电池更高的光电转换效率，从而又增加了电能的输出。比如，UNSW用0．5Ωcm的单晶硅片制成1．58cm2面积的聚光型太阳电池，在1倍阳光下转换效率为23．5%，在10倍阳光下效率提高到26．7%，在20倍阳光下效率为26．4%，在39倍阳光下为25．3%，在78倍阳光下效率又下降为23．3%。斯坦福大学的研究人员又研制了几种聚光型单晶硅太阳电池。有一种制造产率很高的准备用于组件的背面接触式太阳电池，在50～120倍阳光下的转换效率为26%，在360倍阳光下效率为23%。这种电池是用100～500cm的衬底制作的，活性面积0．64cm2，直径7．5cm的单晶硅片上可同时制造16个电池。有一种点结P-I-N太阳电池在90倍阳光下的转换效率为26%，面积为1．56cm2。美国桑地亚国家实验室利用斯坦福大学的研究成果制成一种聚光型光伏组件，形状如一个长方型有机玻璃盒，顶层为6块100cm2面积的聚丙烯透镜(厚4．75mm)，底层在透镜的焦点处安置6个小面积聚光型单晶硅太阳电池，效率为18%～19%。聚光镜将阳光聚焦145倍，因而对应于100cm2的阳光面积，只需一个1cm2左右的高效太阳电池，大大节省了电池费用。该实验室准备将来制成每个装置有24～48个太极电池的聚光型光伏组件。UNSW研制了一种工艺较简单、成本较低的埋置接触式聚光型太阳电池，面积为20cm2，在15～20倍阳光聚焦下，转换效率为21．4%，如果电池上再加一个棱镜盖，可以增大短路电流密度而使效率提高到22．4%。美国航空航天局高技术中心研制了一种具有氧化物／多晶硅／氧化物薄膜防反射层的聚光型点接触式单晶硅太阳电池，在360倍阳光的聚焦下，转换效率为24．4%。印度M·C·Bhalnager等研制成一种聚光型光伏组件，面积为16×90cm2，上面设置6个面积为15×15cm2的菲涅耳透镜，透光率为75%，下面对应于焦点处设置6个2×2cm2的单晶硅太阳电池，平均效率7．5%，透镜聚光40倍。3．单晶硅太阳电池的规模应用。大规模发展太阳电池新产业的前途，除了要继续扩展分散的小型独立电源用途外，主要在于建立规模应用的光伏电站。各工业发达国家对此均十分重视。美国为了推广太阳电池在公用电网中的应用，建立了一个由太平洋电力公司经营的示范性光伏电站，称为PVUSA(光伏工程的公用事业规模应用)计划，由各家太阳电池厂商提供光伏方阵，至今已进行3个户外实用考验，正在总结经验，准备扩大。该计划已安装5种类型太阳电池的12个方阵，其中仅有3个光电转换效率超过10%，它们都采用单晶硅光伏组件。据美国电力研究所统计，1989年美国共有217个联网的光伏电站，其中8个最大的光伏电站都采用单晶硅太阳电池，其中有1个为6500kW，2个为100kW，5个为500～200kW。1984年，6500kW光伏电站总体转换效率为10．3%，到1989年降为6．9%，原因是封装电池的聚乙烯膜受热变质，影响了透光率。该电站一年发电约1．3×107万KWh，其中夏天发电占40%，春秋共占45%，冬天占15%。美国航空航天局研制了一个空间站用的光伏电站，在空间站主梁的两侧设置8个翼状方阵，每个方阵宽12m，长36m，发电32kW，8个方阵共发电256kW。每个方阵有168个光伏组件，每个组件有200个8×8cm2的单晶硅电池。整个光伏电站的光电转换效率为7%。日本在北海道建立了座提供农业用电的300kW单晶硅光伏电站。1990年，中国在西藏建立了一座10kW的单晶硅光伏电站，用以替代原来的柴油发电。沙特阿拉伯建立了一座350kW的聚光型光伏电站，已经运行7年。这些都是单晶硅太阳电池规模应用的实例。各工业国对发展太阳电池产业都相当积极。美国能源部1991年制定了一项“太阳能2000”计划，计算加速太阳电池高技术的大规模产业化。日本的新能源和工业技术发展组织1992年制订了一项超高效率太阳电池计划，其中单晶硅太阳电池的2000年效率指标为30%。欧洲共同体委员会1992年通过一项名为“焦耳Ⅱ”的新能源计划，打算重点发展单晶硅太阳电池和薄膜太阳电池。此外，中国、印度、澳大利亚、巴西等地域辽阔的国家都很重视太阳电池产业的开发。(北京有色金属研究总院钱勇之撰) |