展望太阳能发电的未来

发布时间：90年11月25日

高桥清编译连真然

前言

最近，由于对原子能发电的争论，地球温室效应现象引起的不安，所以要重新认识代用能源——太阳能发电，它既清洁而又取之不尽、用之不竭，贾新开始重视其重要性。

太阳能发电用的电子设备是太阳电池。太阳电池作为电子计算器、手表等日用品的电源，已进入我们的日常生活中。

虽然太阳电池的基本原理是100多年前发现的，但现在的硅太阳电池的基本构造在1954年才研制出来。那时，皮尔逊（Pearson）等人获得的变换效率仅为6%。可是，太阳电池当时并未受到重视，可以说完全没有去努力提高变换效率及性能。

过了20年后，在1974年，以石油危机为契机，太阳能发电作为新能源开始引人注目。同年，日本制订了“太阳能计划”，举国上下迅速进行太阳电池的技术开发。其技术开发的大部分项目是：

必须降低太阳电池的生产成本，才能降低太阳电池的发电成本；必须提高变换效率。

太阳电池同其他电子产品一样，其价格主要依靠生产规模。现在，太阳电池的总产量不大（1988年，世界的总产S约35兆瓦），成本约500日元/WP。将来要达到K用电源竞争水平（ ~ 100日元/Wp），必须实现低成本。

迄今，对以太阳能发电为中心的新能源开发，抱有很大的期望。因为石油价格上涨需要有代替石油的新能源，防止二氧化碳等引起的地球温室效应现象也需要有清洁的新能源。

新能源太阳电池的研究和开发现状是：

降低太阳电池的生产成本这是研究和开发的主要方面。太阳电池作为日用品获得了成功，但作为电力用，只降低生产成本是不可能的。

提高太阳电池的变换效率这是必不可少的。因此，提高太阳电池的变换效率为目的的研究最近十分活跃。

太阳电池的种类及其特征

太阳电池的种类很多。按使用半导体材料的厚薄可分为两种：①厚实型太阳电池；②薄膜型太阳电池。

厚实型太阳电池有单晶硅太阳电池和高效率太阳电池。薄膜的代表是非晶硅（Si，a-Si）太阳电池和Cu In Se2（CIS）太阳电池等。薄膜型是否可行，取决于使用半导体材料的吸收系数的大小。如果a-Si和CIS可见范围的吸收系数大，就可以说这种半导体是适用于薄膜化的材料。

按现在的技术水平，如果考虑应用，就应该集中力量进行下列几方面的研究和开发：

单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池：主要适用于功率高、可靠性大的独立电源系统和中型发电站；

非晶硅太阳电池：成本低主要适用于重要民用电器的电源；

化合物半导体太阳电池：适用于聚光系统和宇宙用电源。

另一方面，将来无论哪种材料都有可能用于大型发电厂发电，一般认为，廉价的薄膜型太阳电池会有很大的市场。

太阳电池的研究和开发目标

太阳电池技术研究和开发的最终目标是代替现在的商用电源。太阳能发电的成本高低取决于太阳电池的生产成本高低和变换效率的高低。如果变换效率低，边际成本就高，发电成本也商；反之，如果变换效率高。

边际成本就低，发电成本也低。美国建立了集中发电厂，其2000年的目标是：

模块化效率：15—20%；

模块化价格：45-80美元/m²

如果发电成本达到这种价格，就有可能同现在的商用电源竞争。

如果日本屋盖瓦发电等开始应用，那就不适用于美国的那种目标。例如，日本的模块化效率为10%，太阳电池的价格达到100日元/Wp，就能同商用电源竞争。因此，日本国内的低成本是大有希望的。

为了提高变换效率，日本当前研究的技术课题是：薄膜型太阳电池的模块化效率10%以上（100 日元/Wp）；晶系太阳电池的模块化效率20%以上（150日元/WP）。

晶系硅太阳电池

最近，硅太阳电池高效率化的试验很多。例如，通过钻研电极结构和表面钝化而采用减少表面反射的凹凸结构，以达到提高性能的目的。

另一方面，为了实现晶系硅太阳电池的低成本，一直在进行各种各样的技术开发。例如生产成本低廉的多晶硅片的开发就是其中的一项。现在用铸造法生产的多晶硅太阳电池，其效率可达15%（10 cm角）。此外，还采用自旋法等不断开发高速而廉价地生产多晶硅片的技术。晶系硅太阳电池的效率高，而且可靠性也高。它使用寿命很长，可以保证用20年。因此，现在正由小型系统转向中型系统1000 kWp。

非晶系硅太阳电池

在变换效率方面，再没有比单晶硅太阳电池获得的性能更高了。但是，目前正在开发薄膜结构的太阳电池，要求成本低，大批量生产。薄膜结构的太阳电池，其代表是非晶系硅太阳电池。从1976年提出a-Si太阳电池以来，集中力量进行了研究，它已用于民用电器的电源，如电子计算器、手表、收音机等。但是，要把a-Si太阳电池作为电力用，就有很多要研究的课题。例如：提高变换效率；提高可靠性；开发低成本大批量'生产技术等。

非晶系硅太阳电池从1988 ~ 1989年所达到的变换效率是：1 cm²的小面积太阳电池的效率为12 ~ 13%；模块化效率为8 ~ 9%。

目前，由于异质结和凹凸透明导电膜存储板的采用，i层的高质量化，P/i界面控制技术的进步，已达到了高效率化。

今后，为了进一步提高a-Si太阳电池的变换效率，必须研究串列式太阳电池。由于串列化，小面积的变换效率可望达到15%以上。而现在a-Si/a-Si/a-Si Ge三层串列式太阳电池，其变换效率才达到13.7%

对于非晶系太阳电池的应用，最大的问题是长年累月地变化，就是说要劣化。例如，如果光照射到a-Si太阳电池上，过2 ~ 3个月，输出功率就降低，为10 ~ 20%。这叫做初期劣化。通过热烈讨论，现在阐明了初期劣化的原因。假定是非晶系固有的问题，那么劣化就与杂质有关。另一方面，为了不产生初期劣化，要下功夫对电子设备的结构进行反复多次的研究。特别是通过串列化。劣化显著减少。迄今，由于采用了a-Si/a-Si双层串列结构，太阳电池的初期劣化就只有百分之几。

化合物半导体高效率太阳电池

在高效率这点上，GaAs太阳电池和InP太阳电池大有发展前途。GaAs太阳电池，按206倍聚光作为聚光用，效率可达到29.2%，而作为宇宙用，效率可达到22.5%。

最近，这方面研究的课题，是在基底上形成GaAs薄膜型太阳电池和InP厚实型太阳电池。前者的效率达到18%，它以重量轻、成本低引人注目。后者比Si和GaAs的耐放射性强，而且效率高达20多以上，这也引人注目。目前，这方面讨论的题目是串列化产生的高效率。一般认为，单接型太阳电池的效率，一天最高可达25%。

此外，GaAs太阳电池和Si太阳电池相互竞争，采用串列结构，聚光347倍，效率高达31%。在迄今为止的所有太阳电池中，这是最高的变换效率。

CuInSe₂薄膜型太阳电池

新型薄膜太阳电池材料CuInSe2（简称CIS），次于非晶系Si，也开始引人注目。该材料引人注目有以下两个原因：

①没有非晶系Si那种劣化，是一种稳定材料；

②吸收系数大，而且禁带宽很小，适用于串列式太阳电池的底部电池。

现在，CIS太阳电池是用喷溅法，蒸镀法，喷镀法等形成的。3.5 cm²的太阳电池，其变换效率为14.1%。据ARCO太阳能杂志报道，将非晶系太阳电池和CIS太阳电池组合而构成串列式，大面积约900 cm²模块化效率为12.3%。这是薄膜型太阳电池中的最高值。

太阳电池的高效率化

以上是有关太阳电池现状的一瞥。为了太阳电池的实用化，“提高变换效率”是今后极其重要的研究课题。高效率化必须研究的课题是：

① 尽量吸收太阳能

……材料的选择

② 产生效率高的电子 - 空穴对

……接型结构的最佳化