太阳能光伏材料要求及制备过程能源利用率和碳排放量的需求

表5.1列出了一些太瓦级太阳电池技术所需要的和理想的材料特性。太阳能光伏独有的其他材料要求包括制备过程能源利用率高、碳排放量低，这两个要求有些许共同之处。这两个要求也会独立存在。对于从溶液中合成的低成本硅材料，电学缺陷的密度将会高到材料性能恶化以至于无法用于太阳电池。由于这一原因，可以通过多种溶液方法来合成具有良好的电学性能的氧化物或硫化物多晶薄膜；因此，采用溶液法合成此类材料的太阳电池是有可能的。

理论教育 2023-06-23

太阳能光伏的成本计算方法对比及趋势分析

表2.2 太阳能光伏的三种成本计算方法对比注：规模电站系统需要达到吉瓦级峰值才能对我们未来的能源系统产生明显的贡献。图2.3显示了1998～2012年间美国住宅及商用太阳能发电系统安装成本[9]。组件价格从2005年的3.8美元/Wp到2012年的0.85美元/Wp下降了4倍。与此同时，安装完成的住宅发电系统成本从2005年的8.8美元/Wp到2012年的5.3美元/Wp下降了1.7倍，说明太阳能发电系统的安装成本下降速度相对缓慢得多。

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太阳电池器件特性及要求分析

表5.2给出了太瓦级太阳电池技术所需要的和理想的器件特性。表5.1所示的对材料方面的要求主要着重于电池技术的规模和成本两方面，而表5.2则着重于电池技术的效率。其中有些要求已经在第3章中有所讨论。对于单结太阳电池，合适的可以最大限度地利用太阳光谱的带隙为1.1～1.5eV。其他表5.2中的要求如第3章所述。如果太瓦级太阳电池采用当今产业化电池技术，即采用p-n结对载流子进行分离，那么我们就需要选择n型和p型的半导体材料。

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晶体硅太阳电池银资源限制及前景分析

在AM1.5和效率16.8%的条件下，受限于银原料供给的单晶硅组件最大可能瓦数约为10.3TWp，这等效于1～2TW的时均电力输出，或者大约2100年预期能源需求的3.3%。根据银的储量540000吨来估算，晶体硅太阳电池能达到的最大瓦数约为5.4TWp。基于银资源限制的晶体硅太阳电池的前景要好于碲化镉和铜铟镓硒。银资源的不足显示出对晶体硅组件进行回收利用的重要性。

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太阳能的光化学、光电和光热转换过程

图1.4是在空气质量1.5的情况下标准太阳光谱，也就是说太阳与天顶成48°角时的太阳光谱。AM1.5的太阳光强度大约为1000W/m2。图1.4 AM1.5的参考太阳光谱[9]。换句话说，光化学转换把太阳能产生和存储合并为一步，因此与其他两个转换过程相比具有先发优势。总的来说，有三种令人感兴趣把太阳能直接转换为其他形式能源的转换过程：1）光电转换；2）光化学转换；3）光热转换。

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太阳能电池分离电荷的工作原理剖析

目前大多数商业太阳电池仍采用p-n结进行电荷分离。在太阳电池中若使用常规掺杂浓度，p-n结中的电势梯度的宽度大约为微米级。在有机太阳电池异质结界面处进行能级对准便能提供有效激子分离的驱动力。图3.5 无机太阳电池中同质p-n结（图a）、异质p-n结（图b）、肖特基结（图c）的电荷分离。为达到更高的效率，有机太阳电池中的两种半导体最好制成三维纳米结构，用于同时、有效地吸收太阳光和电荷分离。

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多晶硅原料制备：从石英到高纯度多晶硅的西门子反应

人们常说硅来源于沙子，然而制造晶体硅太阳电池真正的原材料却是石英，因为其纯度远高于沙子。三氯氢硅的沸点是31.8℃，可以在室温下精馏提纯。此外，氯化氢和三氯氢硅会腐蚀不锈钢，导致精馏容器需经常更换，从而增加了成本。西门子反应完成后，硅棒被粉碎成块，作为太阳电池产业的原料。上述西门子过程所制造的多晶硅纯度达到9N级，这超过了太阳能级硅的要求。图4.2 将三氯氢硅还原为高纯多晶硅的西门子反应示意图。

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如何回收太阳能组件？

太阳能组件的回收特别是硅组件回收受到的关注较少。然而晶体硅组件占据了大约90%的市场份额，目前仍没有建立相关的回收利用技术。现在留下的晶体硅太阳电池仍保留焊接的铜线，焊料通常含有锡和铅。如图3.1a所示，晶体硅太阳电池硅片的厚度为180～200μm，采用几十微米厚的银和铝作前栅极和背电极。报废晶体硅太阳电池经过该处理以后仍然是完好的。发展一种更为有效的过程从废弃的晶体硅太阳电池中回收更多的硅是值得的。

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太阳能电力的存储优化方案

太阳能电力的存储常被要求向以后或其他地区的需求输送电力。要使太阳能光伏成为我们生活中重要的能源来源需要太阳能电力的存储。由于储能系统需要提供的功率很可能高于5TW，因此电网中每个储能系统的存储容量需要达到吉瓦量级。吉瓦级容量的电池存储系统将是未来重点发展的技术。抽水蓄能和压缩空气是目前两个具有吉瓦级容量的蓄电技术[19]，但这两种技术却受到地理条件的影响。

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探究太阳能光伏的主要问题

研发高性价比的从冶金级硅到6N太阳能级硅的提纯法，将会对太阳电池产业产生重大的影响。比如同一根硅锭以及相同工艺条件制造的多晶硅太阳电池的效率会在10%～18%之间变化，这会导致组件制造和系统安装中产生严重问题。所有这些将会导致晶体硅太阳电池系统成本的显著下降。在线检测的一大挑战是为了配合太阳电池产能，单位时间处理硅片的数量需要超过1000片/h。

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银前电极替代方案

表6.1由低到高比较了前10种低电阻率金属。从电阻率来看，铜是银的最佳替代品，其电阻率仅比银高6%。这引起了人们对钙电极组件可靠性和寿命的担忧。表6.2 表6.1中列出的10种金属的储量和年产量[1] 注：铜与银的电阻率相似，铝比银的电阻率高约77%。使用铜前电极的商业尺寸晶体硅太阳电池效率已超过20%[2]。这确保银在空气中约750℃烧结后形成金属、低阻的前电极。此外，铜电极的烧结需要在无氧条件下进行。

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原材料可获取性分析

我们等价于假设：1）所有的原材料储量都可以被开采提炼；2）所有的原材料均仅用于太阳电池产业；3）电池和组件制造过程中没有材料损耗；4）组件具有无限长的使用寿命。关于原材料的储量和年产量的最新数据取自于美国地质调查局[4]。需要指出，资源的储量是一种估算，将来有可能发现新的储量。

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太阳能电池的损耗机制解析

图3.7给出了一个单结太阳电池的理论效率随禁带宽度的变化曲线。对其他无机太阳电池均是如此，仅仅理论最大效率和实际最大效率的差值不同而已。对于太阳电池中实际效率和理论效率值之间的差异，有各种损耗机制来进行解释。在过去30年间，太阳电池研究的一个主要方向便是将各种损耗最小化，从而不断刷新电池的效率纪录。用经济有效的方式将各种损耗最小化，是工程师们在推动太阳电池技术发展中可以起到的重要作用。

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现有电池技术存在的缺点优化

我们将在下文总结现有产业化太阳电池技术的不足，包括晶体硅、碲化镉、薄膜硅和铜铟镓硒等。尽管硅是地球上储量最丰富的元素之一，然而目前的晶体硅太阳电池技术采用了银作为前电极；而银是一种昂贵的且有限的资源，这也使得在发展太瓦级晶体硅太阳电池技术时，必须寻找银的替代品。除了原材料地球储量丰富和低健康与环境影响之外，碲化镉满足表5.1和表5.2中的大部分要求。

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如何优化碲化镉组件的年产量限制？

相比当前碲化镉组件约为2GWp的实际年产量，碲化镉未来增长的空间不是无限的。以碲原料当前500～550吨的年产量计算，碲化镉将会在46年后达到其最大瓦数并且碲的储量将消耗殆尽。太阳电池产业目前消耗了约全球10%的银产量。基于原材料现在的年产量，碲化镉和铜铟镓硒组件的生产速率被限制在每年几十吉峰瓦的水平。这与2.4TWp的年安装量需求相去甚远。表5.4 基于当前各种技术限制材料的年产量估计的当前产业化太阳电池技术最理想的最大年产量[6]

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太阳电池参数及等效电路分析

图3.16示意性地说明了太阳电池的电流-电压关系，其中定义了一些太阳电池的参数。高效太阳电池要求高的填充因子、大的短路电流和大的开路电压。图3.17为真实的p-n结太阳电池的等效电路。

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