〔摘要〕美国太阳能电池发展计划的重点是硅。尽管其它材种（如CdS，GaAs薄膜）正在研究，但是硅仍被看作为唯一可以充分发展的衬底材料。它既能满足美国能源部（DOE）今后十年的成本目标，又能满足所期望的要求来进行足够大的规模的生产。

过去几年中，太阳能电池级的硅原料的生产和硅衬底的制取得到重大进展。例如带硅、锭铸硅、大晶粒多晶硅和非晶态硅（简写为a-Si）都取得重要的发展成果，并且现在都正在用它们生产太阳能电池组件。另外，在太阳能电池的大规模生产方面，如生产自动化、封装、电池联接工艺方法、聚能系统、储能系统以及太阳能电池的效率上，也都取得了进展。

一、太阳能电池级的硅原料的生产

从微电子学工业借用过来的硅技术原来就处于最先进的地位，故今天商售的太阳能电池还是硅电池为最多。拉单晶所需要的硅原料，要求其非常纯净，其成本约是70美元/公斤。这个价格对微电子学工业来说并不算高，但对太阳能电池工业来说却太高了。不过，这种拉单晶技术是五十年代发展起来的，可以说还有相当的余地来改造现有的工厂及引进新技术，以降低目前较高的成本。

能源部（DOE）选中两种制造太阳能电池级硅原料的新技术，进行小规模试验性工厂生产，以考察它们能否生产出高质量硅原料，又达到该部设想的14美元/公斤的价格目标。这两种新技术分别由Union Carbide Corporation公司和Batelle公司发明的，在1986年左右这两个试验性工厂投产时，连微电子学工业也将对其产量感兴趣。

二、衬底制备

（1）制锭技术

大多数商售电池组件是用在切克劳尔斯基法生长的单晶硅锭上切得的薄片所制成的。目前制得的最大锭重仅是20公斤。为了提高每炉产量，正在研究连续添加硅熔体的技术，锭重能达到100公斤。目标是每炉150公斤。

但是，切克劳尔斯基法被认为前景有限。最感兴趣的制锭技术是由Crystal System公司发明的热交换器方法。熔融硅的定向固化制得近乎单晶的锭块。现在制得16公斤重硅锭，不久将来将生长得64公斤重硅锭。这种技术所用的晶体生长设备相对来说是既简单，又不贵，而且从锭上切得的硅片是正方形，这便于提高组件中硅片的装配密度。另一个优点是它能够使用低质量的硅原料。

多晶硅锭带来很大的关注。Wacker Silso公司的晶粒尺度为1 ～ 3毫米的多晶硅锭（尤其是1 ～ 3厘米的Solarex公司的Poly-X）证明性能良好，它仅稍微次于切克劳尔斯基法生长的单晶锭。但是，其成本低，硅片形状是正方形。这些优点使Solarex公司在多晶硅太阳能电池组件的大规模生产上投入大量资金。

制锭加工技术的最大缺点是切片时损失约50%的材料，通过细心控制切片速率及硅片厚度，硅片的产量好像能从现在的产量上翻一番而达到1米2/公斤。采用多达1000个细锯齿刃的锯子，切割速度得到改进。采用含细微金刚石的金属丝做成的多刀刃的锯子，可以提高硅片产量。这些制锭加工技术被认为可以达到能源部所设想的1986年组件的70美分/峰值瓦的成本目标。

（2）带硅技术

避免硅锭切片损失的另一项技术是生长薄的带硅，然后用激光划成所考虑的尺寸的硅片。Mobil Tyco发明的一项带硅技术，叫限定边界喂料薄膜生长技术（EFG），经特许卖给Japan Solar Energy公司后，生产出世界上第一块商售带硅太阳能电池组件。但是EFG带硅的主要问题是模件中或系统其他部分中的杂质引进带硅，造成该类太阳能电池的效率的最大值不超过12%。为了抵消其质量低的影响，企图从每台机器同时生长多个带硅以提高生产效率来弥补。可是，看来要实现材料质量上的某种突破，才能使EFG技术更加完美。

另一种重要带硅技术叫Westinghouse公司的枝蔓状蹼带，其质量较好，用这种材料已经制得效率为15%的太阳能电池。采用温度梯度控制，用枝蔓式框架从熔硅中拉晶时，在框架间拉出一层薄的单晶蹼带，而杂质却被排向熔体中。这种蹼带用来制造太阳能电池，而框架用激光划下后重复使用。

目前蹼带能长成50毫米宽。为了能生长较宽的蹼，并提高生产率，必需非常精密地控制温度梯度分布。此种蹼带技术的主要问题是生产率低。因此，尽管枝蔓式蹼带技术是一项十分振奋人心的技术，但是Westinghouse公司仍然维持仅仅是小规模试验性的工厂生产。

—种较远目标的尝试是用陶瓷枝蔓式框架浸覆一层熔硅而成镀硅陶瓷框架，用它来制造蹼带硅。这项技术看来不贵，但是还要求其作更多的改进。

（3）非晶态硅

非晶态硅用于光 - 电转换始于1976年。从那时起，人们对它产生了巨大兴趣。如果转换效率能够提高到合适的水平，那么生产成本很低的a-Si太阳能电池组件能够很快地大规模地发展起来。a-Si层通常用硅烷辉光放电法，淀积在像玻璃或钢之类较便宜的衬底上。掺杂物质用同样方法，与a-Si同时淀积在衬底上，结果发现大量氢原子被结合在a-Si中，显然氢是饱和了悬挂键，减少带隙中态密度，导致转换效率极大地提高。

在a-Si太阳能电池方面，日本人是走在最前面的经营者。Sanyo公司用效率仅有3.2%的大面积a-Si太阳能电池做了不少买卖。因为非晶态硅的带隙宽，在荧光灯下，a-Si光电池之效率可以高达6%，这几乎与单晶硅光电池的效率相近，所以这种电池正用作为日本产的手表、计算器等的电源。

a-Si光电池发电装置的主要成本不在于生产a-Si上，而在于其他项目上，如组件封装、电池联接及组件装配、土地租用、电能量储存及电站设施。愈到将来，这些成本愈会变得更重要。在今后十年内，要求这些成本降低一个数量级或更多一些，至于a-Si光电池以外的其他种类的光电池发电装置，它们的成本组成情况与之相同，也要求降低除去光电池成本的其他部分总成本。人们期望1986年出现的有竞争力的光电池的转换效率必需超过10%，达到12%，否则这种系统将被认为是不经济的，尽管那时光电池的实际成本与其他部分总成本相比可以忽略不计。所以企图到1986年对光电池市场有强烈的冲击，a-Si光电池还要迈过某些坎坷道路。

但是，有一件十分振奋人心的消息，美国ARCO公司给能量转换器件公司的Ovshinsky研究所三年内拨款总数达2千5百万美元来发展氟化a-Si，这笔钱是以前基金的八倍，可能预示在a-Si领域内将会有新的突破，不过这也可能是一种冒险。

（4）其他衬底

最早制成光电池的材料是便宜的CdS，它证实了光电转换的理论设想。可是，接踵而来的不稳定性问题困扰着CdS光电池器件。然而，平面工艺以及CdS层中掺锌的工艺的引入，给这种器件的进一步改进展示出良好前景，可是报道的最大转换效率只有9.2%，而且原有的不稳定问题，仍需做许多工作。

薄膜GaAs光电池展示了中等价格下有非常高转换效率的光电池生产的美景。采用合宜的衬底（如锗）上外延生长几微米的GaAs的工艺技术，把成本高的问题解决了、并且也解决了镓保存率低的问题，转换效率已达到21%。另一种感兴趣的可能工艺是用激光再结晶把非晶态GaAs层转化为大晶粒多晶薄膜。这样技术要求激光来熔解非晶态GaAs层以及实现有控制的冷却。可是，所有这些工艺技术都是昂贵的，并且需要做许多探索性的工作。

现在，正在许多其他衬底（尤其是薄膜衬底）上进行研究，它们被认为是最有希望的远期技术。但是目前仅处于预备时期。

三、太阳能电池加工工艺

制造太阳能电池衬底的通用方法是分批加工，若是加工各步实现自动化，并且生产流水线是连续的，那么生产成本能够降低。Spiro Corporation在这方面取得了一个重要的进展。该公司采用离子束注入杂质原子，代替高温扩散。离子注入后再用炉子退火，取得转换效率15%高效光电池的良好结果。这种制造PN结石方法，如果用于大批量生产中，那它比较传统的扩散方法更能获得良好的控制，且更经得起大生产的考验。

即将成为世界上最大的太阳能电池制造公司之一的ARCO公司，在太阳能电池工艺上作了有意义的贡献。该公司采用屏蔽印刷制成金属接触，这是一种连续加工工艺，很容易实现自动化。电池由传送带送到，在机器内自动地屏蔽印刷好背面接触及正面栅金属，然后不需要操作员，直接由传送带送出机器。

为了提高电池的开路电压，利用背面表面电场，这个方法很快得到普遍采用，转换效率可以提高十分之一。

因为银的成本高，通常它用在太阳能电池上只是作为另一种可以择用的金属。而铝具有现成可用、低成本、低电阻率以及有相对的腐蚀电阻等各种优点，它比镍、铜更适用于光电池。

四、太阳能电池封装

太阳能电池组件生产范围内，一直是强调总体组件的效率。这是因为组件组装、场地准备等成本在总成本中变得越来越重要，同时光电池的成本却在不断降低。

为此目的，许多制造商正用带硅或方锭硅上切留的正方形电池，甚至把圆锭切成方锭，以达到较高装配密度。Applied Solar Energy公司采用结构玻璃来减少反射损耗，以及中央接触的太阳能电池，生产出190瓦的单组件，总面积（包括金属栅电极下面积）转换效率超过10%。该电池金属栅图形是中央金属接触条联接在两侧散开的稀细条，容许60%的光线通过，减少金属条影造成的能量损失。

在不久将来，看来聚丁酸乙烯封装材料会换成另一种便宜的醋酸乙烯，不过尚待最后试验的成功。在组件正面，玻璃涂敷几乎被普遍采用，以此代替透明的硅酮（或有机硅）材料的涂敷，因为玻璃有较高的稳定性及自净能力（雨水容易冲洗掉其上的灰尘）。

Spire Corporation公司正在做实验，用静电焊接法把两块玻璃结合在一起。此法使组件有较长工作寿命，因为被封装在二片玻璃中的太阳能电池与外界环境完全密封隔绝起来。

目前，组件装配需要大量劳工，如果实现生产线自动化，就能节省大量劳力。现在有些工厂正重视这个问题。

五、高转换效率太阳能电池

太阳能电池的转换效率用下式来定义：

η=填充因子×Voc×Isc

在双层抗反射覆盖层并采用结构表面的条件下，在AM1照射下硅光电池的短路电流Isc已达39 mA/cm2，此值已近极限，即几乎没有什么余地可以对此进一步改进。与此相似，因子已经达81%，也已接近理论极限。在硅光电池上，改进转换效率的主要方面在Voc上。该理论极限是840 mv，而实际极限是720 mv左右，可是通常产品Voc低于600 mv。佛罗里达大学某一试制组采用仔细控制掺杂分布，在照射下，达到635 mv。然而迄今为止最好的结果是由新南威尔士大学太阳能电池实验室获得的，他们采用MIS结构，达到660 mv。

更高转换效率的取得，不是用硅衬底，而是用物理及光学特性都比硅为好的GaAs衬底，而且采用特定的结构来实现。这种器件在1000倍正常太阳光照射下，其串接起来的热光电系统的理论计算的转换效率可高达40%。可是该类光电池成本太贵，以至于它们主要被限制用在聚集光能的系统上。因为只有在这种系统里，光电池的高成本与反射板的成本及系统其他部分的成本比较起来还是小的。

六、聚能技术

近来，在太阳能聚能系统方面，无论是从楔形玻璃内反射型的，聚能率为5：1的低成本的小系统，或是到5兆瓦热能的试验性发电塔的大工程，一直都有所改革。后者是在一块相当大的场地上，布放着许多反射镜，且把反射的太阳光全部都对准一座大塔，在高聚能率的条件下，加热某种流体或照射高效GaAs光电池来获得太阳能。

聚能技术上一件有意义的创造是发光管。其作用原理是：太阳光致使某种染料发出荧光，该发光管镜面一样的内反射层把此荧光集中照到太阳能电池上。这样，不用跟踪太阳就能传导阳光，达到高聚能率。但是所选的染料要求与光电池的光吸收特性达到光谱偶合。

最近，聚能器上可能是最成功的设计是Martin Marietta公司的2300瓦的Fresnel棱镜聚能器组件。它的聚能率约是40倍。其框架表面稍有细皱，便于安装。在这种组件的基础上，Martin Marietta公司已经签署了一个合同，给沙特阿拉伯提供一套350千瓦的发电装备。

尽管近年来聚能器技术上取得了不少进展，但是它的成本仍然高于平板系统。幸好，聚能器发展计划比平板计划更加着眼于长远的时期，所以它的主要优点是热光能收集起来集中照射，发挥出如GaAs光电池之类的非常高的转换效率的特点。

七、光电能量的储存

储能技术是另一个需要特别注意的领域，尤其是对那些孤独的系统。铅蓄电池的成本是贵的，目前正在进行的工作是降低其成本，并改进其放电特性及循环使用率。NASA-Lewis and Ionics公司发明一种Redox flow电池是十分有希望的革新。这种电池具有非常好的放电特性，且比常用电池成本低廉。

大规模电能储存可能是并不如先前所考虑那样严重的一个问题。因为当达到光电转换或其他太阳能能够大量供电给电网时，所要求的电能储存及储能手段，像回抽水能发电站、飞轮及压缩空气法等将成为成熟的技术。

八、光电转换应用的现在和将来

美国有一项世界上最大的光电转换科研计划，美国能源部把它分成三大部分。Jet Propulsion实验室执行平板硅计划，这是在短期规划中一项重要的计划。Sandia公司执行聚能器计划，这可能在九十年代可以实现的。而由太阳能研究所执行的第三个计划——先进材料和器件计划是着手发展那些尚未很好研究发展的，却甚有希望的新技术。

目前，单平板组件的成本约是15美元/峰值瓦特，而多平板组件能够便宜到7 ～ 12美元/峰值瓦特，这取决于组件的制造。这种价格对边远地区用电，如微波中间站，是经济合算的；对第三世界国家中孤立地区的谷物碾压，用水抽取等援助项目也具有吸引力的。

美国能源部在1979年后半年开始执行一项住宅计划，这将为第一次大规模使用光电转换铺平道路。房主在白天将电卖给公用电力公司，晚上再买回来用。也可能把光电池发的电储存在电池库里来满足电网高峰用电的需要。希望1986年能有更多的人接受这种住宅所用的光电转换设施，到那时，其目标价格将达到70美分/峰值瓦特。

在九十年代里，许多人将相信：生产低成本、长寿命组件在技术上是可行的，如果有合适的储能方法的话，每度电将值2 ～ 3美分，这个价格可与煤火力发电厂及核电厂相匹敌。

可是，为了达到这些目标，必须进行许多创新。例如像60千瓦Mt Laguna平板系统那种大规模演示性的工程；像体现ARCO公司首创精神的3兆瓦/年的生产设施正在建设，像Solarex公司的富有想象力的想法，准备用所生产的一种光电池组件来给它的公司的生产厂供电；像ARCO公司那种富有冒险精神的投资2千5百万美元给Dvshinsky去实施硅研究计划；以及像美国政府领导以大规模购买此种组件及大量拨款研究费用的形式给予的巨大支持。但是对全面使用太阳能电池生产的电能的最重要的要求是公众理解它，接受它以及公众对它的需求。

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* 本文译自：“Current Solar Cell Research and Development in the U. S. A.”，Solar Progress，1981年4月2卷2期。