编者按： 近年来世界光伏产业飞速发展，薄膜太阳电池作为太阳电池家族的重要成员也得到快速发展。为 进一步推动薄膜太阳电池的发展与应用，科学普及非常必要。南开大学光电子薄膜器件与技术研究所、 南开大学光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室、光电信息技术科学教育部重点实验室是我国薄膜 太阳电池领域知名的研究机构，本刊特邀在这些机构工作的张晓丹、熊绍珍、赵颖等专家就薄膜太阳 电池进行系列科普讲座，在上半月刊的“科普苑”栏日刊登，以飨读者。 减薄晶体硅太阳电池 给薄膜太阳电池的启示（上） 南开大学光电子薄膜器件与技术研究所 南开大学光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室 ■张晓丹熊绍珍赵颖 光电信息技术科学教育部重点实验室（南开大学，天津大学） 一引言 辐射能量流密度，地球向宇宙辐射的能流密度 为：ＪＥｅａｒｔｈ＝ｃｒｒ￣ ，其中 为Ｓｔｅｆａｎ—Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ常 ，随着国际社会越来越关注环境问题以及能源 技术不断进步，一个称之为“能源经济”的学说正 悄然兴起，述说着新能源的重要性以及如何发展 数，５．６７￣１０ Ｗ／（ｍ ・Ｋ ）。地球发射的总能量为 ，Ｆ，ｅｍｉｔ＝４／１；Ｒｅ４ＯＴｅ 。当吸收与发射达到动态平衡时， ＩＥａｂｓ＝， ，节能环保的新产品与新经济结构；为改造化石能 源利用，找寻突破口；建立生态城。 人类赖以生存的地球，主要从太阳得到能量 按此式计算，得到地球的温度 为２ ５ ８ Ｋ。这个数值显然与我们称之为室温的 ＲＴ＝３００Ｋ不相符。原因是我们未考虑地球得到能 量的其他来源。例如从其他星球，高度熔融的地心 能量使地球达到一定的本底温度等。另外，考虑到 地球外空间大气层的存在，它亦会从太阳和地球 处得到能量，相应也会向四周发射能量，此时地球 从大气层得到它相应辐射出的一半能量，亦会有 所温升。由大气层提供的能量正是“温室效应”的 而产生温升。地球自身作为黑体也向宇宙辐射能 量，获得能量与发射能量最终达到动态平衡，使地 球保持稳定平均的温度（当然在地球的不同地方， 温度也会有所不同，但这并不影响问题的讨论）。 太阳向宇宙辐射的能流密度为：是 ］＝１．３ｋＷ／ｍ２ｔ”， 其中约３０％被围绕地球周围的大气层反射回到外 层空间，地球真正能从太阳得到的能量密度只有 Ｅ，ｓｕｎ￣１．０ｋＷ／ｍ 。地球从太阳获得的总能量为： 来源。已知大气主要由Ｎ 和Ｏ 组成，只含有０．０３％ 的ＣＯ 。但倘若大量燃烧煤或石油等这类碳水化 合物，它们燃烧产生的ＣＯ ，相对于Ｃ、Ｏ或碳水 ＩＥ＿ａｂ ＝．－￣Ｒｅ２ ＿Ｅ ，其中 。是地球的半径，为６３７０ｋｍ。 根据斯蒂芬一波尔兹曼（Ｓｔｅｆａｎ—Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ）定 化合物的质量，将具有较高质量比。对Ｃ将增大 律，具有一定温度的地球以黑体形式向宇宙空间 ３．７倍（Ｃ＋２０￣ＣＯ２，ｍｃｏＪｍｃ＝４４／１ ２＝３．７）。也就是 ＳＯＬＡＲ ＥＮＥＲＧＹ １１／２０１１ 说每燃烧１ｔ煤（以Ｃ表征），就会产生３．７ｔ的ＣＯ，。 它的光谱吸收限处（或者说带隙对应的光波长）吸收 系数的倒数为准，亦即ｄｍ ＞（％ ）。以单晶硅 燃烧甲烷或碳水化合物的质量比也平均高出２．２ 倍。如是每燃烧ｌｔ石油相当于产生２．２ｔ的ＣＯ，。可 见重质量比的ＣＯ ，将会使大气层质量因ＣＯ 比重 的增大，而使温室效应变得更严重。 太阳电池为例，室温下带隙为１．１２ｅＶ，其光谱吸 收限位于波长１．１ ｌＢｍ，所对应的吸收系数约为 １ ４ｃｍ～，按（ 。 。）一计算，能够尽可能多地吸收 太阳光能量的硅片厚度约为７００ｐｍ。 图１给出了单晶硅太阳电池随硅吸收层厚度 增长，其光生电流密度增长的趋势图『２Ｊ。利用光伏 光学软件（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｏｐｔｉｃｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ）计算，计算 中排除各类其他损失（尤其是反射损失），在ＡＭ１．５ 光照条件下，厚度７００ｐｍ硅材料，最大可转换的 光生电流密度（Ｍａｘｉｍｕｍ ａｃｈｉｅｖａｂｌｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ， ＭＡＣＤ），将接近３７．８ｍＡ／ｃｍ ［２１。由图１可知，选 用厚３００ｇｍ的硅片，可获得的光电流与７００ｇｍ下 所达最大值之差仅在５％以内。从可加工性或成本 角度，以及降低材料生长能耗的角度来考虑，生产 用硅片厚度以约１８０Ｂｍ为最优候选厚度。但若减 薄到１００ｐｍ以下，电流将下降１０％以上，其影响 就不可忽视了。 ３８ 以下的几个数据简单地给出了现代电力与传 统化石能源（如煤、石油）之间的对应关系＿１］，方便 我们了解日常生活所消耗的燃料以及由这些燃料 燃烧所带来的影响。 １度电（ｋＷｈ）等于３．６￣１０ Ｊ的热量； １ｔ煤可产生相当于２９ｘ１０９Ｊ的热量，可发电 ８２００ｋＷｈ； ｌｋｇ石油相当于１．４ｋｇ煤，可发电１２ｋＷｈ； １桶石油相当于１９５ｋｇ煤，可发电１６７０ｋＷｈ； ｌｍ。天然气相当于１．１ｋｇ煤，可发电９ｋＷｈ； 据不完全统计，２００２年世界主要能源消耗状 况如表１所示…。 表１ 世界主要的能源消耗状况（以２００２年为例）［ ■稚嘲 嘲ｉ罨黜 囝＿ 嚣眦强国■圄撕晶醐Ｉ鄹 ■瞰 聪ｌ ■ 四 日强 ■秘圈融强＿ 雕固■—冈■■■睦期瑚Ⅱ蛐匝辋啊＿强碉啊 石油 天然气 煤 ４．９３ ３．１９ ３．３６ ０．８２ ０．５３ ０．５６ ２ｌ０ １７０ ６６０ ４３ ５４ １９７ ３７ ５ ３６ ● 《 核能 其他 总计 ０．８６ ０．８６ １３．２ ０．１４ ０．１４ ２．１９ 一 一 １０４０ 一 一 一 Ｅ ３５ Ｕ 《 芝 ３４ ３３ 作为可再生能源的太阳电池，可实际应用的 考察标准是，应达到光伏发电平价上网，其出售给 电网的电价应可以与当时常规能源的价格相比拟， 即以与电网相等价格“平价上网”。如此，太阳电 厚厦／ 图１ 晶体硅太阳电池的最大可达光电流的密度随硅吸收层 厚度而增长的趋势 在目前工艺水平下厚约】８０ｇｍ的硅片大部分 也起到“衬底”的作用，对原材料成本原本就很高 的单晶硅而言，若希望用加大厚度来提高效率，将 会更增加材料成本所占总成本的比例，这对作为 池的成本、效率就成为人们开发太阳电池生产技 术时放在首位的奋斗目标。提高效率就是要尽量 多地吸收太阳光，只有吸收太阳光的能量越多，才 有可能转换得多。问题的关键是如何达到这个目 的。为了有效地吸收太阳光，最简单方法一般是尽 量加大太阳电池吸收层材料的厚度，以利于尽可 能多地吸收太阳光。考虑到有源层厚度，应以大于 ——— 新能源利用的光伏器件非常不划算。如何在高效 率前提下，大幅降低厚度以实现低成本目标的设 计研究，是２０世纪７０～８０年代光伏发展的重要课 题之一。 （待续见第１３期） 一 ＳＯＬＡＲ ＥＮＥＲＧＹ １１『２０１１
