摘 要
在今后的几十年内，预计美国和世界上其它国家，电的消耗会大幅度增加，但许多问题也将随之出现：我们能建立足够的发电能力吗？我们有足够的能量资源吗？我们能够适应集中和分散的要求、大型和小型的应用，以及世界上各部门多种多样的需求吗？我们能够增加消耗而又不加剧环境的恶化吗？光生伏打（以下简称光伏），通过固态技术把光能转变为电能，对满足这些能量需要可以作出重大贡献。从历史上看，光伏的缺点是在成本和技术上的成熟性方面，但经过十多年的研究，技术已大大改进，并已达到进入大型电力市场的地步。今后20年中的进展，应当使其有可能成为世界上电能生产的优先选用的技术之一。
除了收集器（太阳电池）的价格外（在继续稳定地下降），光伏技术最后广泛的利用已不存在技术上的障碍。过去几年里，光伏材料的进步与新器件设计相配合已经制出效率由22.8至31%的高效晶体硅和砷化镓太阳电池。在开发廉价的光伏材料方面，包括多晶硅、非晶硅、铜 - 铟二硒化物（CuInSe2）、碲化镉（CdTe），也取得了重大进展。同时，光伏技术的可靠性越来越高，光伏组件目前估计可使用20年或更长时间。自动化生产工艺的发展已使制造成本降低，分散的光伏电力系统的重要市场业已在全球发展起来。
这些成就意味着90年代后期光伏发电系统应在中心电站高峰电力生产方面有竞争力，此外，如果全球变暖的担心导致政府部门的政策不考虑价格问题而提出尽快取代矿物燃料的要求，也就是说，不顾正常的“自由市场”过程，那么，光伏发电系统在40 ~ 50年内，应有能力满足美国大部分的电力需求。
光伏技术的演变和现状
1839年Edmund Becquerel第一个记录了光伏效应，但直到本世纪40年代和50年代，在改进的掺杂技术和生长晶体的方法出现之前，这一领域处于休耕状态，此后不久（1954）贝尔实验室制成实用的硅光伏电池，其阳光 - 电的转化效率达到6%，1958年以后，光伏电池已作为美国多数空间卫星的动力。
然而由于它们太贵，没有考虑光伏系统在地面上的应用，1973年石油危机之后，国家科学基金会（NSF）在Cherry Hill，New Jersey组织了一次会议，建立了一个地面光伏系统国家研究与发展计划基金，从此，许多新光伏材料和新电池设计被开发出来，目的是发展价廉的地面应用的光伏系统。结果，光伏电的价格从每度15美元降到了约0.3美元，几十种新的效率记录不断建立和刷新，光伏组件寿命现在估计达到20年以上。
光伏器件的制造过程正向自动化和半连续发展。电池和组件设计现在引进了透明导电氧化物、柔性底层、激光合缝连接、微沟槽表面、点接触、多结以及光捕获技术。
光伏工业的销售额现已增长到每年近4亿美元，这个数字包括系统平衡设备。日本、欧洲各国、中国、印度和其他国家已经建立和扩大了他们的光伏计划，包括有制造和研究与发展在内的机构数目，已经认70年代初不足12个增长到今天的200多个。
组件货运量1988年比1987年增长23%，有些公司正在建立每年生产10兆瓦组件的新设备，这个生产规模可把光伏组件价格降至每瓦1.15美元，换算成电的价格约为每度0.15美元，其它二些公司正在做提供实用系统的生意。
这充分预示了光伏系统的未来。到2000年，制造商将把90年代的研究成果吸收到他们的设计中，这样得到的高效组件应有助于把光伏电的价格降到可与常规来源的基底负载（baseload）公用电力相竞争的水平。
光伏工艺的进步和希望
基础工艺 一个光伏系统的基础电力元件是太阳电池，每个电池有两个或两个以上的特殊制备的半导体材料层，材料的原子吸收光产生承载电流的电子和空穴，每个电池在两个不相同的半导体材料之间有一个结，它产生一个电压，驱动电子穿过电路，太阳电池可由几种半导体材料制造，且这些材料可以多种物理状态——单晶、多晶（许多小晶体），或无定形（非晶体）利用。
把许多电池连接起来成为一个组件（光伏系统的结构单元），可获得更大的功率输出并使电池得到保护性装配，组件亦可在一个大面积上沉积非晶或多晶半导体层，然后把半导体层封装在保护涂层中制得。组件分为两大类：（1）平板组件，它们在普通太阳光下使用；（2）聚光组件，包括把阳光聚焦到太阳电池上的一些透镜。为满足六功率需要，组件可集中起来形成阵列。
效率和成本 光伏的研究和开发是受光伏系统的制造成本低廉和在公开+场上竞争的需要所推动，为实现这一点，有三种选择：制造高效率的器件，制造便宜的器件，或两者都要做到。每一种情况，组件都必须可靠地使用20 ~ 30年。
器件效率（电输出功率对入射光功率的比值）由光吸收和光能损失机制所限定，最大的限制因素是不能有效地利用太阳光谱中的全部波长的光，其它限制因素包括材料的质量和类型，载流子在结和界面、表面、接点以及在材料体相中的再结合，光在表面的反射，网格的遮挡、串连和接触电阻。
光伏器件的成本还受几个因素决定，它们有：所用材料的种类和需用量，底材的选择，器件设计和制造工艺。
光伏材料 在高效和低制作成本之间的选择经常归结为在晶体和薄膜材料之间的选择。晶体器件通常效率高，而薄膜器件成本低。许多材料正在研究中，重点放在晶体硅、非晶硅、多晶薄膜以及Ⅲ-V族单晶材料上。
晶体硅长期来作为光伏工艺的主要对象，它具有最长的历史和最广泛的工艺基础，仍然控制着许多市场，特别是电力组件。这是了解最充分的光伏材料，其工艺仍在迅速改进，制造技术已经半自动化，一些生产纯的、高质量的晶体硅的方法已经发展起来。
对器件物理性质的新认识，导致了一些设计革新。一个直观的例子是被称为“点接触”的电池，为晶体硅器件创下了许多最新的记录。由Swanson等所设计的这种电池用了一个金字塔构形的顶面把光散射后，以近乎任意的角度进入电池，这对光的捕集是必需的。一个背面镜以全内反射的角度反射90%以上的未被吸收的光。该设计也结合极小的点接触（10 ~ 30 μm），在P型和n型之间交错，在背面形成一圆点花纹。把点接触放在背面上，任何遮挡或再结合就消除了，否则放在正面，它们就会发生。点接触做得如此之小，降低了再结合和接触电阻。与这个及其它设计一样，想法是，设计人员相信，通过：把电池做得薄一些，降低电阻，使结构表面和载流子寿命最佳化，以及引进其它革新，可以改进电池的效率。
新近改进的结果给人留下深刻的印象。以前电池要求吸收材料300—400 μm厚，现在制成的高效电池只有100-150 μm厚。通过器件的研究和生产，效率的记录不断刷新。在普通太阳光下，试验性电池的效率已达22.8%，在聚光下，可达28.2%，有人声称，材料和设计的进一步改进，可把效率提高到30%（普通阳光）和36%（聚光）。但是这些说法是基于理想的极限，并没有考虑那些在实用电池中似乎是不可避免的某些损失，如带 - 带俄歇再结合，有的发射子再结合，和电阻性压降。然而，即使有这些损失，在聚光下，单结硅电池的效率最终可高到31%。
高效率不是晶体硅可采取的唯一途径。另一条路是牺牲效率换取较低的生产成本。有两个主要方法：带状工艺（生产完整的硅板），和铸硅（用简单的铸造工艺生产方形铸锭，再锯成薄片）。虽然两种方法得到的多晶硅都效率较低，但它们对提高生产率和降低生产费用都有潜力，且可使用纯度较低和价格较便宜的硅。由于矩形多晶硅电池装配成组件的密度比圆形的单晶硅高，多晶硅组件的效率可接近平板的单晶硅组件。
在制造多晶硅器件中，设计人员采用了某些已在单晶硅中应用的相同新技术，如：内反射、背面反射层和抗反射涂层。把原子氢引入多晶硅以减少由于缺陷和晶粒边界产生的载流子再结合，也给器件带来效益。
各种改进的结果，由枝状薄晶带工艺（dendritic web ribbon process）制得的试验性电池效率已提高到近17%，某些生产规模的电池效率（由此工艺和限边薄膜馈送带生长方法）正接近15%，同时，生产率正大大提高，通过枝状薄带工艺，1984年以来，生产量获得5倍的增长。
然而，多晶硅带只是在小批量生产，工业上要有生 · 存能力，这一工艺至少必须克服两个相关联的困难，第一，生产能力必须大幅度提高，第二，由于薄硅带冷却不均匀，产生应力和晶体缺陷，造成硅带有皱纹或裂缝，限制了电池的产率和性能。这些困难正在借助专门的生长模型和计算机辅助生产来解决，在生产过程中，不断取硅带生长的样品，并把信息反馈到生产过程中以实行调节。
铸硅工艺比带硅工艺成熟，几个兆瓦的组件，已经运送到消费者手中。某些铸硅生产的电池效率超过15%，大面积电池的效率接近14%。工业方面也开发了有希望把太阳电池级硅（SGS）的价格降低50%或更多的工艺过程。实现这一目标，将大大降低多晶硅组件的成本。最后，通过光捕集和其它技术，有可能把多晶硅电池做到5 μm薄，效率大于19%。
氢化非晶硅（a-Si : H）是晶体硅或多晶硅的主要替代物。非晶硅显示有高的光吸收、掺杂能力和高光电导，这至迟在1969年就已了解，但第一个氢化非晶硅光伏电池在1973年制出时，效率尚＜1%，对许多人来说仍是一种稀有珍品。然而从那时以后，单结电池效率已达12%，多结器件效率为13.3%，大的子组件（submodules）效率超过9%。
非晶硅是高效的光吸收剂，吸收高于材料带宽1.7 eV入射光的99%，只需l ~ 2 μm厚的材料，薄的非晶硅层可以沉积在各种便宜的底材上，如钢、玻璃或塑料。
非晶硅有两个基本缺点，一是氢化非晶硅器件开始曝光后，效率要损失，早期器件的效率损失高至50%。此后，研究人员发现这个效应的一个原因是光诱发内层缺陷（称为悬挂键，dangling bonds）。因此，有些制造厂家正在制造内层十分薄的组件，另一些厂家则用两个堆积氢化非晶硅电池，每一个有一极薄的内层。这些方法已使组件劣化小于15%，对电池则小于10%。
另一缺点是效率相对较低，但通过改进装配和设计，以及使内层中的再结合和透明导体对电流的电阻效应最小化，小面积电池的效率应达到15%，大面积子组件的效率应在10 ~ 12%之间。
在多结器件中，采用非晶硅合金以获得更高的效率是可能的。在这些器件中，不同材料（因而带宽不同）的电池按带宽下降的次序逐一堆积（即带宽低的在下面、然后在上面堆积带宽高的），每一个电池“调到”太阳光谱的不同部分。这种结构更有效地利用了太阳光，从而使效率提高。虽然非晶硅多结器件的理论效率极限的计算有一个很宽的范围，但两结电池效率最终应达到17%，三结电池应达到约24%（有些人认为两结和三结氢化非晶硅电池的理论效率极限分别可高至29%和34%）。
制造多结非晶硅配偶器件的一般方法是加入高带宽的碳和低带宽的锗，加入合适时，这种方法制得的电池能满意地工作，加锗或碳超过临界值时，电池质量降低，造成微结构中的缺陷和空位。例如：氢化非晶硅锗（a-SiGe : H）电池带宽在1.5 eV以上，一般是高质量的，一旦带宽低到1.4 ~ 1.5 eV之间，材料的质量开始变坏。研究人员正试图了解和防止这种劣化，如果成功，应有可能生产出便宜的、效率在15 ~ 20%的组件。
多晶薄膜，如铜 - 铟二硒化物和碲化镉，呈现非晶硅的全部优点。它们是高吸光剂、材料用量极少，且适于以自动化过程生产。
它们还有另一些优点：不会受到光诱导劣化，有希望用沉积技术制作。例如：CuInSe2的制备，通常是用各种物理气相沉积，这些方法比非晶硅所用的辉光放电或等离子体化学气相沉积方法快10倍，用于沉积CdTe和CuInSe2的两种方法 - 电沉积和喷雾热解，按设备投资，有可能是最便宜的，并具有很高的生产率。
多晶薄膜也受一些问题困扰。例如CdTe，由于p - 型CdTe接触上的困难，性能变坏。幸好，研究人，员通过利用一个n - 型CdS窗口、一个内CdTe层和一个p - 型ZnTe层组成的p-i-n器件结构，可能解决与CdTe接触的难题，（不能用n-CdS/p-CdTe异质结，因为它要求对P - 型CdTe以金属化接触）。这一改进加上其它一些改进，已经导致一些新的高效率记录。在过去几个月，大面积CdTe组件的效率提高到7%以上，小面积电池超过11%。
CuInSe2的低开路电压，加镓后已经得到改善。引进更透明的窗口材料（如在薄CdS上的ZnO），池电流也提高了。这些和其它一些改进已导致子组件的效率超过11%。从所报道的新电池效率高于14%的情况看来，好像单结组件不久就可能突破15%的组件效率屏障（module efficiency barrier）。有一个机构报道，顶部电池用氢化非晶硅，底部电池用CuInSe2的一种多结器件的效率达到15.6%。其他一些机构正在做两结器件，所用材料与CdTe和CuInSe2有关，认为其效率有达到20%以上的可能。
采用Ⅲ-V族材料有可能获得最高的效率。最值得重视的是砷化镓（GaAs）及其合金，如Al GaAs和In GaAs。从多方面看，GaAs是理想的光伏材料，它在单结电池中具有最佳的带宽（1.45 eV），和高吸收性，1理论效率最高（单结电池在日光聚光1000倍条件下约为39%），且能和许多不同材料形成合金而变化带宽，这正是高效率多结结构所要求的。此外，不像这里所讨论的其它材料，GaAs可用来制造单晶薄膜电池。
这最后一个特性，已使GaAs最近创下了薄膜电池的记录：效率达22.4%。这种器件生长在一个可再使用的单晶GaAs底材上，从而提高了这样一种可能性，即GaAs器件可兼备高效和价廉。在此之前，单晶GaAs电池只能生长在厚的单晶GaAs底材上，这种底材不能再使用，因而十分昂贵。不过，现在研究人员正在可以再使用的底材上制作单晶薄膜，这种底材的晶格结构使晶体的外延生长可有合适的取向，他们现在甚至能把GaAs生长在可以再使用的锗（Ge）上，Ge的晶格结构与GaAs十分接近。
这仅是GaAs基电池在开发过程中取得进展的一个例子。去年，GaAs单结电池也已建立了这样的效率记录：在普通阳光辐照下，为24.3%，在聚焦阳光下，为29.2%，还有全部电池的全时记录（all-time record）。 GaAs/Si双结电池，在聚焦阳光下，得到了31.0%的效率。
GaAs和以Ⅲ-V族材料为基础的四元合金，可以在许多有前途的多结设计中采用，如，GaAs的带宽作为三结器件中的中间一个电池是理想的。最佳的配偶物是GaAs合金，如AlGaAs（高带宽）和InGaAs（低带宽），这样一种组合，晶格常数匹配好，可允许整体装配，同时，增加获取高效率的能力（在35 ~ 40%范围内）。
Ⅲ-V族器件仍然面临着价格的难题，然而在效率和价格之间，由于其它系统价格的原因，不是成线性的关系，如一个效率25%的平板组件价格可以为效率15%的组件的3 ~ 4倍，在多数市场上，25%效率的仍有竞争力，高效组件在日照不强的地理区域，还是特别吸引人的。
未来趋势
在光伏这样一个迅速发展变化的领域预测未来，带有一定程度的冒险性，尽管如此，根据积极推行的政策（集中在工业 - 政府合作进行光伏发电的技术和市场开发）看来在2000年的美国可能形成总光伏发电部署超过100万千瓦，不会有不合理的资本和研究与开发投入。
光伏发电部署进展能有多快？光伏发电有这样一个优点，一个大型发电厂（100万千瓦），建成投产的周期相对而言时间短（只需1 ~ 2年），按照这一速度Chronar公司的研究人员曾乐观地估计在1990至1995年期间，约有200亿美元的投入，到1995年每年光伏制造能力达到约1千万千瓦可能是相称的，这样到2000年安装的光伏发电能力就达到4千万千瓦。这一巨大的尝试，很有可能因材料和工艺设备不能及时提供而受阻，从而使工业能力成为在线的生产力受到限制。
10年的研究已把陆地发电应用的光伏技术建立在一个坚实的基础之上。光伏半导体材料的理论知识以及候补电池材料的鉴别和开发方面的进展，向电池设计人员提供了广阔的选择，使他们有机会把电池和组件制作成适合专门的用途和市场。毫无疑问的是，为了使光伏能够发挥预期的作用（即成为电力的主要供应者）科学和技术知识基础在这里是必需的，但持续不断的研究使电池材料、电池设计和光伏系统尽可能地完善也是必然要进行的。
光伏系统现在有了一个值得重视的市场，今后几十年将变成几十亿美元的全球市场，这也是没有什么疑问的。激烈的国际竞争决定谁将供应这一市场。当前是美国和日本领先，欧洲紧随在后。日本在供应消费产品用的电池方面领先，而美国在发电组件的销售方面领先。除美国外，光伏生产领先的国家，过去2年保持或增加了在光伏研究方面的经费。西德和日本在光伏研究上投资比美国多，1989年意大利的投资可能也超过了美国。
过去10年，美国的大部分光伏研究是通过或者配合国家光伏计划进行的，在工业界合作下由能源部（DOE）进行计划和管理，工作是在工业的和大学的实验室及能源部支持的实验室（太阳能研究所和Sandia国家实验室）开展的。这一计划已成为工业和政府有效合作的一种模式。
计划有两个主要战略以适合于向公用电网提供经济的电力：（1）建立在高效晶体电池和组件观念之上的、聚光器和平板光伏系统的开发；（2）建立在薄膜电池和组件技术基础上（强调低的材料和加工成本）的平板系统的开发。这些战略将通过固态材料、先进表征技术的发展和太阳辐照源的不断表征等方面的定向基础研究（directed basic research）得到补充和完善。这些努力将密切配合工业专卖权的开发进展和市场需求的了解进行。
光伏发电系统推广的速度可通过强有力的、持续的研究与发展努力来加快，但首先通过经济和政策的考虑将是有决定意义的。很明显，光伏发电不久将向美国公用事业提供一种现实的替代的高峰电力的生产源，它的环境影响最小，建设时间相对较短。全球变暖的考虑会加快光伏在高峰以及基础公用事业需要方面的利用速度。以光伏作动力器件的消费者市场预期会继续增长。且光伏发电系统在发展中国家很可能找到支持，但还不是用于国家电网。贯穿在所有这些发展中的一个事实是：一旦设备安装好，光伏就是一个操作和维护费用均低的发电系统，它不受供应中断和燃料价格逐步上升的影响。光伏发电具有光明的未来！
[Science，244（4902），1989]
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* 美国太阳能所所长