太瓦级太阳能光伏：绊脚石和机会.pdf

1、国际电气工程先进技术译丛太瓦级太阳能光伏：绊脚石和机会美陶萌（Meng Tao）著宋伟杰 译机 械 工 业 出 版 社本书体现了作者对于太瓦级太阳能光伏的一些绊脚石和瓶颈的观点。原材料的可获取性，太阳电池制造过程的能量消耗，太阳能电力的存储，到了寿命终点的太阳能组件的回收，都有可能阻止或者严重地延缓太阳能光伏的规模化。在简单地讨论当前太阳电池技术的现状、物理和制造之后，本书尽最大可能定量地分析了太瓦级太阳能光伏中的这些绊脚石和瓶颈。本书也讨论了一些解决上述绊脚石和瓶颈的令人深思的想法。本书面向的主要是对能源具有普遍的兴趣同时具有少量技术背景的读者。本书读者最好具有科学或者工程的本科学位，但并不

2、需要是太阳能光伏的专家。Translation from English language edition：Terawatt Solar Photovoltaics：Roadblocks and Opportunitiesby Meng TaoCopyright 2011 Springer LondonSpringer London is a part of Springer Science Business MediaAll Rights Reserved.本书中文简体字版由 Springer 授权机械工业出版社出版，未经出版者书面许可，不得以任何方式复制或发行本书的任何部分。版权所有，翻印

3、必究。北京市版权局著作权合同登记 图字：01-2015-1931 号。图书在版编目（CIP）数据太瓦级太阳能光伏：绊脚石和机会/（美）陶萌著；宋伟杰译.北京：机械工业出版社，2015.11（国际电气工程先进技术译丛）书名原文：Terawatt Solar Photovoltaics：Roadblocks and OpportunitiesISBN 978-7-111-52014-6.太.陶宋.太阳能发电-研究.TM615中国版本图书馆 CIP 数据核字（2015）第 259995 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：刘星宁 责任编辑：刘星宁责任校对：

4、刘怡丹 封面设计：马精明责任印制：李 洋三河市国英印务有限公司印刷2016 年 1 月第 1 版第 1 次印刷169mm 239mm6.5 印张110 千字0 0012500册标准书号：ISBN 978-7-111-52014-6定价：48.00元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务服务咨询热线：010-88361066读者购书热线：010-68326294 010-88379203封面无防伪标均为盗版网络服务机 工 官 网：机 工 官 博： 21 世纪的前 15 年，太阳能光伏是世界上发展速度最快的产业之一。从2000 年到 2014 年，全球光伏装机总容量从 1.4GW

5、 增长到 189GW，光伏组件平均价格从平均 3 美元/Wp 以上降至 0.6 美元/Wp 以下。光伏技术和光伏产业的发展受到全球瞩目。与此同时，我国光伏产业在全球光伏产业的快速发展中扮演了不可或缺的重要角色。2015 年，我国的光伏电池和组件制造已占全球 60%左右，我国企业占据了全球十大组件生产企业的六个席位。在光伏发电应用方面，我国光伏系统的安装量也已占全球三分之一左右。目前，根据国家能源局最近公布的数据，我国光伏发电系统投资成本已降至 8 元/W 以下，度电成本降至 0.6 0.9 元/kWh。可以说，我国光伏产业已经在全球占据了重要地位，同时也具备了更大规模发展的基础。尽管光伏产业在

6、短期内取得了举世瞩目的成就，但是光伏发电现有的规模距离全球主流能源来源还有较大的距离。迄今为止，光伏仅仅能提供全球 1%左右的电力，这对全球电力供应影响有限。仅从产业规模来看，光伏发电规模只有达到现在的几十倍以上才会对现有的能源结构产生显著的影响。这使得我们必须深入全面思考现有产业化光伏技术发展到更大规模时会遇到的问题。本书作者陶萌教授从现有产业化太阳电池技术的物理出发，采用跟常规教科书完全不同的思路诠释了光伏器件中关于光和电的技术原理。之后他从现有产业化太阳电池技术对自然资源和能源消耗两个大的方面深入讨论了现有光伏技术规模化会碰到的绊脚石和瓶颈问题，并就部分问题的解决提供了值得深入思考的研究

7、思路。本书对光伏物理的阐述深入浅出，对太瓦级光伏的分析数据翔实，值得广大研究人员认真阅读。我国是光伏产业的大国，但在光伏产业技术研究方面，我们距离世界最高水平仍有一定距离。期望本书中文版的出版，能够对我国光伏产业技术研究有所启发，在研究方向选择和研究目标设定方面有所受益。中国工程院院士原书前言 本书尝试提供太阳能光伏较为全面的图景。它超越了诸如太阳电池物理、制造、成本和效率等通常讨论的关于太阳能光伏的话题。本书想为“什么是阻碍太阳能光伏未来成为能源的重要组成部分”这一问题提供一些深入的思考。换句话说，太阳能光伏在我们未来的能源结构中会扮演多重要的角色？这当然不是一个简单的任务，特别是对于一个作

8、者来说。读者将会发现，本书包含的问题多于答案。太阳能电力要成为我们生活中的重要的能源来源，光伏的使用规模必须达到几十乃至几百太瓦（峰值）。太阳能光伏所需要的规模产生了许多在其他半导体技术中未曾遇到的绊脚石和瓶颈。本书中绊脚石是指那些如果不解决将会阻止太阳能光伏达到太瓦级水平的问题。瓶颈是指在太阳能光伏中我们希望克服但是在无法解决的情况下可以容忍的困难。效率和成本是瓶颈问题，采用现有产业化太阳电池技术要达到太瓦级水平还存在着更多的基本限制。本书体现了作者对于太瓦级太阳能光伏的一些绊脚石和瓶颈的观点。原材料的可获取性，太阳电池制造过程中的能量消耗，太阳能电力的存储，到了寿命终点的太阳能组件的回收，

9、都有可能阻止或者严重地延缓太阳能光伏的规模化。在简单地讨论当前太阳电池技术的现状、物理和制造之后，本书尽最大可能定量地分析了太瓦级太阳能光伏中的这些绊脚石和瓶颈。本书也讨论了一些解决上述绊脚石和瓶颈的令人深思的想法。作者有意地避开了为创新思想提供了许多可能的太阳能光伏“第三代概念”。取而代之的是，本书集中已知的太阳能光伏物理以及探讨今天的太阳能光伏如何能够发展到太瓦级水平。预测未来总是困难的。在许多太阳能光伏第三代概念存在许多不确定性的情况下预测未来实际上是做不到的。本书分为 7 章。第 1 章回答了为什么需要太阳能光伏这一问题。第 2 章综述了太阳能光伏的现状，包括电池技术及其成本、效率和市

10、场。第 3 章采用全面而又少用数学表述的方式概述了太阳电池的物理。第 4 章聚焦于晶体硅太阳电池和组件的制造过程、成本和能量消耗。第 5 章分析了采用现有产业化太阳电池技术发展到太瓦级的一些绊脚石和瓶颈。第 6 章讨论了太阳电池技术和太阳能电力存储中解决一些绊脚石和瓶颈的想法。第 7 章总结了有望达到太瓦级的太阳电池技术的主要绊脚石和瓶颈。本书面向的主要是对能源问题有兴趣同时具有少量技术背景的读者。基于这一原因，用于理解太阳电池物理的数学被有意地降到最低。尽管如此，本书仍然包含了科学和工程的诸多领域，特别是半导体物理、半导体工艺和材料化学。作者假定本书读者具有一定的技术基础，可能具有科学或者工

11、程的本科学位，但并不需要是太阳能光伏的专家。本书也体现了太阳能光伏涉及多领域的本质，通读本书需要广泛的知识基础。作者是在帮助在纽约奥尔巴尼（Albany）的 SEMATECH 建立美国光伏制造联盟的过程中偶然地对太阳能光伏的这些长期远景问题产生了兴趣。2006 年夏天，当 SEMATECH 在寻找新的研究方向时，作者建议了太阳能光伏。在随后的5 年里，作者帮助当时 SEMATECH 负责长远战略的 Dan Holladay 先生推动了这一想法。到 2009 年初，Dan 与美国能源部接洽成立全国范围内的SEMATECH模式的光伏制造联盟。当这一想法上升到国家层面时，它促使作者思考太阳能光伏的长

12、期的、全景的、国家层面的和全球性的问题。在 2009 年夏，作者到香港科技大学做短期学术休假，这提供了更多的自由时间仔细思考这些问题，并完成了太瓦级太阳能光伏的自然资源制约的初步分析。作者的这一分析在 2010 年 1 月华盛顿特区举办的美国光伏制造联盟研讨会上首次展示。之后这一分析经过了多次的修正和扩展，形成了在本书中现在的形态。对本书的完成作者必须感谢许多人。SEMATECH 的 Dan Holladay 先生是把作者引入这一主题的人。为了美国太阳电池产业的繁荣，他致力于推动产业界和学术界的合作。他的决断和执着长期鼓舞着作者。德克萨斯大学阿灵顿分校的Qiming Zhang 教授是作者的长

13、期合作者。他关于地球上高丰度太阳能光伏材料的第一性原理计算指导了作者及其学生相关的实验工作。亚利桑那州立大学的Ellen Stechel 教授和作者曾就太阳能电解用于太阳能电力存储有过深入的讨论。这些讨论形成了金属作为固体燃料用于封闭的可持续的能量循环的思想。作者也要感谢这些年跟他共事的学生和博士后。特别是作者指导毕业的Xiaofei Han 博士，他对作者研究组在太瓦级晶体硅和硅之后太阳能光伏的研究做出了多项重要的原创性的贡献。许多在亚利桑那州立大学、德克萨斯大学阿灵顿分校和香港科技大学听过作者关于太阳能光伏课的研究生和本科生也通过他们敏锐直觉的评论和提问对本书做出了贡献。最后但并非最不重要

14、的是感谢作者的家庭成员 Lilly、Coby 和 Della 对作者无条件的爱和支持。作者的儿子 Coby 在 2009 2010 年之间还是高中十一年级的时候，就太瓦级光伏资源限制的初始分析做了所有的计算工作。现在他在大学读化学工程专业。陶萌2014 年 1 月于斯科茨代尔原 书 前 言关于作者 陶萌博士现在是亚利桑那州立大学电子、计算机和能源工程学院的教授。他在江西冶金学院获得冶金本科学位，在浙江大学获得材料科学与工程硕士学位，在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校获得材料科学与工程博士学位。他的职业生涯中有 9 年在浙江大学硅材料国家重点实验室工作，并且在德克萨斯大学阿灵顿分校电子工程系担任教授

15、 10 年。他现在的研究涵盖了在太瓦级太阳能光伏中的许多课题，包括地球中高丰度的材料作为薄膜电池中的光吸收层和透明电极；采用地球中高丰度的铝替代晶体硅太阳电池中的银电极；太阳能级硅和晶体硅组件回收中高能效的电化学提纯；用于太阳能电力存储的太阳能电力电解。他的研究工作展示了无表面态的 Si（100）表面，从而实现了硅上创纪录的低和高的肖特基势垒。他的研究工作也为多种化学气相沉积过程的生长行为开发了一致的可预测的模型。他在位于纽约奥尔巴尼的 SEMATECH 下的美国光伏制造联盟的建立中起了重要作用。自 2006 年以来他一直是美国电化学学会 21 世纪光伏研讨会的组织者。关于译者 宋伟杰博士现在

16、是中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员，他在清华大学化学系获得化学本科和物理化学博士学位。在日本物质材料研究机构从事四年半博士后研究后进入中国科学院工作。他现在的研究涵盖了薄膜太阳电池和太阳电池共性技术中的许多课题，包括低成本薄膜电池原材料；高效薄膜电池光管理；透明导电薄膜电极技术；光伏玻璃减反射膜技术；光伏分布式和离网式应用技术。迄今为止他在国际期刊发表研究论文 110 多篇，授权中国发明专利 30多项。目录推荐序原书前言关于作者关于译者第 1 章 重大的能源挑战1 1.1 太阳能3 1.2 本书范围5 参考文献6第 2 章 太阳能光伏现状7 2.1 转换效率7 2.2 成本10 2.3

17、 市场14 参考文献17第 3 章 太阳电池的物理19 3.1 太阳电池的分类19 3.2 太阳电池的工作原理21 3.2.1 太阳电池中的光吸收21 3.2.2 太阳电池中的电荷分离24 3.3 太阳电池中的损耗机制27 3.3.1 光学损耗28 3.3.2 复合损耗31 3.3.3 电阻损耗35 3.4 太阳电池参数38 参考文献40第 4 章 晶体硅太阳电池和组件的制造41 4.1 多晶硅原料41 4.2 单晶硅片43 4.3 晶体硅太阳电池和组件45 4.4 硅片制造的替代工艺48 4.5 太阳能光伏的主要问题初探50 参考文献52第 5 章 太瓦级太阳能光伏的绊脚石53 5.1 太瓦

18、级太阳能光伏的要求53 5.1.1 材料要求54 5.1.2 器件要求56 5.1.3 现有电池技术的缺点56 5.2 原材料的可获取性57 5.2.1 碲化镉58 5.2.2 铜铟镓硒59 5.2.3 晶体硅59 5.2.4 薄膜硅60 5.2.5 材料可获取性总结61 5.3 原材料的年产量62 5.4 晶体硅太阳电池和组件的能量消耗63 5.5 太瓦级太阳能光伏的其他绊脚石66 5.5.1 太阳能电力的存储66 5.5.2 太阳能组件的回收67 参考文献69第 6 章 太瓦级太阳能光伏之路70 6.1 太瓦级晶体硅太阳能光伏70 6.1.1 银前电极的替代71 6.1.2 硅片的低能耗生

19、产74 6.1.3 硅锭的快速低损耗切割77 6.2 太瓦级薄膜太阳能光伏78 6.2.1 薄膜硅太阳能光伏79 6.2.2 硅之后的薄膜太阳能光伏80 6.3 太阳能电力的太瓦级存储84 参考文献88第 7 章 结语90 参考文献92目 录第 1 章重大的能源挑战21 世纪里人类面临的最大的挑战无可置疑是我们必须对过去 200 多年已知的能源基础结构进行根本的改变。这一根本改变由来自化石能源的燃烧释放到地球大气层的二氧化碳（CO2）所导致的全球气候变化所驱动。自从工业革命以来，煤炭、石油和天然气已经成为我们主要的能源来源。它们不得不被消减和补充，也将迟早被无碳排放的能源所取代。我们所面临挑战

20、的规模是巨大的。图1.1 给出了 Hoffert 等人1对未来全球能源需求的预测。最上面的曲线表明我们当前（2013 年）在全球正以大约 18TW（或1012W）的平均速度消耗能源。到2050 年，能源需求预期将达到30TW，到2100 年将达到46TW。图1.1 中不同的颜色代表不同能源按照一如往常的预估对未来能源需求的贡献。图 1.1 中曲线上标有的“WRE”代表把大气层中二氧化碳浓度稳定在350ppm、450ppm、550ppm、650ppm 和750ppm原子比所对应的最大允许的化石燃料能源。这个预测是根据 Wigley、Richels 和 Edmonds2提出的模型。举个例子，对20

21、50 年大气中450ppm 的二氧化碳浓度所能允许的最大化石燃料能约为8TW，也就是说清洁能源不得不提供22TW 来满足总的30TW 的能源需求。图 1.1 到 2100 年全球能源预期需求1。经 Macmillan Publishers Ltd 允许转载。不同的颜色代表不同能源按照一如往常的预估对未来能源需求的贡献。曲线上标有的“WRE”代表稳定大气层中目标二氧化碳浓度所允许的最大化石燃料能 ppm：parts permillion，百万分之一。如图 1.2 所示，在约从 1800 年开始的工业革命3之前的数千年里，大气中二氧化碳浓度始终稳定在约 280ppm。在 2013 年 5 月，据美

22、国国家海洋与大气管理局的数据，大气中二氧化碳浓度超过 400ppm4。大气中二氧化碳浓度的快速升高改变了到达地球的太阳辐照与反射出的热辐射间脆弱的能量平衡。二氧化碳的其中一个吸收峰位于红外光区约 15m 附近。这与地球热辐射光谱的峰位一致5，因此可以留住大气层中的热量，使得地表温度上升，如图 1.3 所示6。从 1880 2012 年间，地表平均温度几乎上升了 1。在过去 30 年的上升速度为每 10 年 0.15。图 1.2 过去两千年间大气中二氧化碳浓度3。经联合国政府间气候变化专门委员会允许转载。其他两种温室气体也包括在内。据美国国家海洋与大气管理局发布，2013 年 5 月大气中二氧化

23、碳浓度超过 400ppm4由于能源基础设施的巨大惯性，也许已经太迟而不能将大气中二氧化碳浓度稳定在 450ppm。图 1.1 表明如果大气中二氧化碳允许的最大目标浓度为750ppm，清洁能源到 2050 年不得不提供 30TW 总需求中的 11TW，或者说约占总需求的 37%。当今每个核能或火力发电站输出约 1GW（或 109W）。如果我们要建造的清洁发电站容量为 1GW，那么为了将清洁能源到 2050 年累积到 11TW的容量，我们不得不在下面 37 年里每天建造一个电站。如果这些无碳排放发电站的标价能减少到与核能发电站相似的水平，即约每瓦 5 美元，那么 11TW 容量大约需要 55 万亿

24、美元投资。取决于系统的规模和当地的太阳光强度，目前基于按时间平均的太阳能光伏的价格为 15 30 美元/W。按照当前价格 11TW 太阳能光伏将需要 165 330 万亿美元的投资。如果我们展望到 2100 年并且大气中二氧化碳的目标仍然是 750ppm，那么在 2050 2100 年之间需要额外增加 17TW 的清2太瓦级太阳能光伏：绊脚石和机会图 1.3 以 1951 1980 年为基准的从 1880 2012 年全球平均表面温度的异常6。在 1880 2012 年之间表面温度升高了几乎 1，其中过去 30 年中平均增长速度为每 10 年约 0.15洁能源。我们将不得不每天建造一个 1GW

25、 清洁能源发电厂直到 21 世纪结束，其建造总成本按照每瓦5 美元为150 万亿美元，或按照每瓦15 30 美元计为450 900 万亿美元。这些粗略的计算仅包括新能源基础设施的一部分，也就是能源的产生。新能源的基础设施不仅包括能源的产生，也包括能源的存储、输运和使用。更远一些的相关事物还包括能源基础设施改变带来的经济、地域政治、社会、行为学和环境影响，这是因为廉价的可靠的能源已经成为我们现代社会的基础。对于作者一个人来说，提供关于新能源基础设施的综合分析是不可能的。上述讨论的目的是想说明，我们努力去结束对化石能源的依赖并留给我们子女一个宜居的星球，这一任务是非常艰巨的。1.1 太阳能在我们开

26、始建设清洁能源工厂之前，我们必须找到清洁能源的来源。在全球的能源需求达到数十太瓦的时候，我们的选择仅限于一种或者两种清洁能源，这就是太阳能和核聚变。地球接收到的太阳能大约为 1.2 1017W，或者 1.2 105TW，这超过我们目前消耗能源速率的大约 7 000 倍。地球一小时接收的太阳能超过我们整个行星一年的总能量消耗。在可预见的未来之内，只有太阳能具有满足整个星球能源需求的能力。除了核聚变之外，没有其他的我们目前已知的清洁能源具有这样的规模，在未来的能源结构中，这些其他已知的清洁能源只能成为补充的3第 1 章 重大的能源挑战能源来源。Lewis 给出的关于清洁能源来源及其规模的更详细的分

27、析可以在参考文献 7 中找到。除了太阳能和核聚变之外，其他的清洁能源包括风能、水能、生物质能、洋流、潮汐能、地热能和核裂变。有趣的是，除了海洋潮汐、地热能和核能之外，许多清洁能源也是源自太阳能的。太阳能利用所需要的土地也不是很大。把地球表面 1%的面积铺上 10%转换效率的太阳能转换装置就可以产生大约 120TW 的能量8，这远远高于所预测的到 2100 年地球上的能量需求。图 1.4 是在空气质量 1.5（AM1.5）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。这一光谱包含了从 300 2500nm 光谱范围的直射和散射的太阳光。AM1.5 的太阳光强度大约为 1 000

28、W/m2。太阳电池的效率通常是在这一光谱下测量的。图中的数据被转换为光子束流，也就是单位面积单位时间和单位波长下的光子数。这对于太阳能光伏来说比单位波长单位面积的以瓦特为单位的光谱辐照能量更实用，因为它代表了光子的数目而不需要是能量数。它决定太阳光所产生的载流子的数目。图 1.4 AM1.5 的参考太阳光谱9。也就是说太阳大约是在天顶约 48。这一光谱包含了直射和散射的太阳光，其总功率大约为 1 000W/m2。数据是以光子流为单位给出的，因为光子数决定了太阳光所能产生的载流子数。目前核聚变还没有被证明为可控的和可靠的产生能源的方法，而多种太阳能利用技术已经获得产业应用。美国能源部的一个题为“

29、太阳能利用基础研究需求”的报告提供了把太阳能从光能转换为其他多种更便于应用的能量形式的技术介绍8。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；4太瓦级太阳能光伏：绊脚石和机会3）光热转换。我们日常生活中最常见的两种能源形式是电力和石油。光电和光化学转换可以为化石能源以及化石能源产生的电力提供替代。虽然不如光电和光化学流行，热能也以热空气或者热水集中供热的方式在城市里出现。与核能和燃煤发电工厂等受控的能量产生方式相比，太阳能是一种难以预测的能量来源。在给定的时刻，太阳与地球上任何位置的相对位置可以相当精确地预测，这确定了对这一给定位置当时太阳

30、光强度的最大可能值。与这一数值相比，天气和人类活动诸如污染的影响更加难以预测。此外，我们的能量需求经常与通常在中午达到峰值的太阳能产生的周期不匹配。一旦太阳能转换为电能、化学能或者热能，经常需要为以后或者其他地域的需求进行能量的存储和输送。太阳能到电能的转换采用光伏器件，包括光电化学器件。本书将提供太阳能光伏达到太瓦级的主要绊脚石和几个瓶颈问题的分析。特别是，本书将提供一个关于太瓦级太阳能光伏的自然资源限制的定量分析。光化学转换把太阳能转化存储在化学键里。产生的太阳能燃料可以采用与石油输运相似的方法运输。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。

31、光化学转换的一个例子是光解水，即太阳能把水分子（H2O）分解为燃料氢气（H2）和副产物氧气（O2）。另一个可能是太阳能驱动的二氧化碳光化学还原为一氧化碳（CO），可以用于合成燃料的制备。一种今天常见的光热转换技术是屋顶上的太阳能热水器。它为数百万家庭提供低于 100 的热水。人们也开发了集成两种转换过程到同一个系统的更为复杂的技术。这在聚光太阳能系统中体现的更明显，他们采用镜子或者透镜把大面积的太阳光聚焦到一个很小的面积上。在这样的系统的焦点上，液体被加热到约 1 000。所产生的蒸汽可以用于驱动传统的汽轮发电机。从原理上讲，高温同样也可以用于进行热化学还原把 CO2转化为 CO 用于合成燃料

32、。聚光太阳能电力系统需要跟踪太阳的追踪系统，并且必须被安装在干燥的对直射太阳光没有遮挡的气候环境下。1.2 本书范围上面所讨论的太阳能利用技术正处于成熟度不同的阶段。从产业化来看，今天最成功的技术可能是太阳能热水器。虽然它们技术上成熟而且经济上具有竞争力，但是它们并不能制造电力或者燃料。太阳能光伏组件和聚光太阳能系统与化石燃料和核裂变相比发电成本仍然偏高，但是它们已经在吉瓦级水平上得到了产业化应用。光化学转换和光电化学器件很大程度上仍然处于实验室开发的不同阶段。本书将聚焦于已经准备大规模产业化应用的技术，也就是说太阳能光伏。我们将应用太阳能光伏电池或者更简单的太阳电池这一术语来体现这项技术利用

33、光5第 1 章 重大的能源挑战伏效应把太阳光转换为电力这一事实。在作者心目中，到 21 世纪末太阳能将成为我们生活中能源的主要来源是没有疑问的。然而，在新的能源基础结构中光伏能够扮演多重要的角色呢？除了效率和成本之外，有没有其他的绊脚石和瓶颈阻碍太阳能光伏发挥其全部的潜力？正如图 1.1 所表明的那样，太阳能光伏需要达到数十太瓦峰值功率的规模，否则它将不会对我们未来能源体系产生显著的贡献。有许多绊脚石如果不被克服的话，采用现有产业化的太阳电池技术实现太瓦级应用将被阻止。此外，还有一些阻碍现有产业化太阳电池技术应用的瓶颈问题。在本书中我们将更详细地讨论这其中的一些绊脚石和瓶颈问题。我们将分析由于

34、原材料和电力有限的可获取性对太瓦级太阳能光伏的自然资源限制。我们也将解释太瓦级太阳能电力的存储和太瓦级废弃光伏组件回收问题中的绊脚石。本书也将给出太瓦级太阳电池技术的一些所需要的理想的特性，它们将为我们开发低成本、高效率的可实现太瓦级太阳电池技术的努力提供指导。为了实现太瓦级太阳能光伏的终极目标，本书将给出几个战略性的研究方向，这将涵盖太瓦级晶体硅太阳能光伏、太瓦级薄膜硅太阳能光伏和硅之后的太瓦级薄膜太阳能光伏。最后本书将提出一个可持续的太阳能电力存储和输运的能量循环，它将可以实现太阳能的按需输送和使用。对于太阳能光伏的未来来说，本书中的分析第一眼看上去可能有些令人失望。作者的目的不是为了让读

35、者失望，而是为了量化挑战，无论它看上去有多令人望而生畏。更重要的是，作者希望大家意识到这一巨大的挑战给科学家和工程师带来的机会有多大。对希望自己的研究能产生长期持久影响力的所有人来说，这是一生中只有一次的机会。这也是我们对文明、地球以及我们孩子的责任。参 考 文 献6太瓦级太阳能光伏：绊脚石和机会第 2 章太阳能光伏现状在讨论太阳能光伏的技术之前，我们先综述一下它的现状。这一章将从综述现有太阳电池技术及其效率开始。随后是关于太阳能光伏大规模应用众所周知的障碍即太阳电池成本的讨论。第三部分将讨论太阳能光伏的市场，包括年度和累计的安装量，不同电池技术的市场份额以及它们的历史趋势。本章将有一个充满希

36、望的结束，即采用光伏技术利用太阳能的潜力和需要填补的空隙都是巨大的。2.1 转换效率光伏的概念是指光生电压。它是由法国物理学家 Becqurel 在 1839 年发现的1。他的实验采用了一个酸性溶液中以氯化银（AgCl）电极和铂（Pt）电极构成的电化学池。当光照射在 AgCl 电极上的时候，两个电极之间观察到了一个电压。美国发明家 Fritts2在 1883 年展示了一个全固态的光伏器件。他在半导体硒（Se）上沉积了一层超薄的对入射光透明的金（Au）。这个器件的能量转换效率小于 1%。采用半导体 p-n 结的现代太阳电池是在 1946 年由贝尔实验室的Ohl3发明。贝尔实验室的 Chapin

37、等人4在 1954 年展示了第一个现代的硅太阳电池。他们的电池采用了一个单晶的硅片，在 n 型硅片上形成了一个2.5m 的 p层，其转换效率大约为 6%。虽然现代的硅太阳电池已经达到了 25%的效率5，但是在几个关键的方面它们仍类似于第一个硅电池，也就是说，它们都采用单晶或者多晶的硅片进行太阳光吸收，以及它们都采用 p-n 结进行电荷分离。自从 1954 年的第一块晶体硅太阳电池发明之后，太阳电池领域取得了持续不断的进步。图2.1 给出了2013 年美国国家可再生能源实验室（NREL）编辑的不同太阳电池技术在过去 37 年以来最好实验室效率的变化。太阳电池的能量转换效率，是指最大的电力输出与入

38、射太阳光能量之间的比值：（%）最大电力输出/入射太阳光能量图 2.1 中不同的产业化的太阳电池技术包括：1）晶体硅太阳电池，单晶或者多晶；2）薄膜碲化镉（CdTe）太阳电池；3）薄膜硅太阳电池，非晶或者微晶；8太瓦级太阳能光伏：绊脚石和机会图 2.1 在 1976 2013 年之间实验室太阳电池最高转换效率的变化6。目前规模产业化的太阳电池技术包括晶体硅、碲化镉、薄膜硅和铜铟镓硒。正在发展的太阳电池技术包括三-五族、染料敏化、钙钛矿、有机和铜锌锡硫硒4）薄膜铜铟镓硒（CuInxGa1-xSe2或者 CIGS）太阳电池。当前正在发展的太阳电池技术包括：1）三-五族半导体多结叠层太阳电池；2）染料

39、敏化太阳电池；3）钙钛矿太阳电池；4）有机太阳电池；5）薄膜铜锌锡硫硒（Cu2ZnSnSe4-xSx或者 CZTSS）太阳电池；6）砷化镓（GaAs）单结太阳电池。单晶硅太阳电池的效率已经达到了 25%，而多晶硅太阳电池的效率为20.4%。所有太阳电池技术的转换效率纪录 44.4%是由一种三结叠层电池保持的。这个电池是由铟镓砷（GaxIn1-xAs）、砷化镓和铟镓磷（GayIn1-yP）三层p-n结堆积而成。每个结都具有不同的能带负责吸收太阳光谱一个特定部分的光。这个转换效率是在 302 个太阳的聚光器下测量的。有意思的是，对于三-五族叠层电池，在太阳光聚光器下从 1 个太阳到 300 个以上

40、的太阳其效率从大约37%增加到超过 44%，绝对转换效率增加了 6%7%。聚光带来的效率提升在晶体硅太阳电池中则不那么引人注意，在太阳光聚光器下从 1 个太阳到大约 100个太阳其效率从 25%增加到不足 28%，绝对转换效率增加了 2%3%。除了晶体硅之外，还有几种薄膜太阳电池技术已经产业化，包括非晶或者微晶硅以及两种金属硫族化合物 碲化镉和铜铟镓硒。它们的转换效率纪录分别是铜铟镓硒 20.4%、碲化镉 19.6%和薄膜硅 13.4%。在图 2.1 中也包括了染料敏化太阳电池、钙钛矿太阳电池、有机太阳电池和铜锌锡硫硒等几种正在发展的太阳电池技术。它们的转换效率大都处于 7%11%之间，不过有

41、一个例外。在短短几年时间里，钙钛矿太阳电池以 14.1%的转换效率突出重围7，其发展步伐远快于其他正在发展的薄膜太阳电池技术。虽然这些实验室太阳电池在多年研究中积累的转换效率提升引人瞩目，但产业化电池的转换效率通常是这些实验室效率的三分之二左右。产业化电池的尺寸通常远远大于实验室电池，两者转换效率的差距部分是由于在材料和工艺中的不均匀性造成的。实验室电池的尺寸通常是几个平方厘米。产业化的多晶硅太阳电池是采用 156 156mm2的硅片制造的，而产业化的薄膜电池可以更大。另一个原因是，实验室电池可以用更为复杂因而也更昂贵的工艺制造，而产业化电池必须在工艺成本和电池效率之间权衡。比如：实验室电池的

42、制作可以采用蒸发和溅射沉积等基于真空技术的金属电极制作技术，而在产业化电池中就比较少见。在从电池到组件的过程中也有 1%2%的绝对效率损失。组件中的效率损失也来自几个因素的影响。其中之一是来自前板玻璃和层压材料 通常是乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）的吸收和反射等光学损失。虽然组件中只使用效率相近的9第 2 章 太阳能光伏现状匹配电池，转换效率的小差异也会导致不匹配损失。在组件内部相互的连接中也存在着电阻损失。总的来说，单晶硅组件可以达到超过 20%的转换效率，多晶硅和铜铟镓硒组件大约为15%，碲化镉组件大约为13%，薄膜硅组件大约为10%。2.2 成本成本是太阳能光伏大规模应用最广为人知的瓶颈

43、。太阳能电力的成本随许多因素的影响变化很大，比如所安装系统的规模，系统越大单位成本越低。由于太阳能光伏的目标是实现太瓦级应用，我们将聚焦于现在最大的兆瓦级峰值（兆峰瓦，MWp）的规模系统的成本。几个千瓦峰值（kWp）的小型住宅屋顶电站系统以美元每峰瓦（美元/Wp）计的成本可以达到大型系统的2 倍。系统规模的第三类是在数十到数百千瓦峰值的商用系统。表 2.1 列出了现在太阳能光伏系统典型的规模。表 2.1 今天的太阳能光伏系统的典型规模和它们预期的未来规模分类当前规模未来规模住宅系统10kWp10kWp商用系统10kWp 1MWp10kWp 1GWp规模电站1MWp1GWp注：规模电站系统需要达

44、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。计算太阳能电力的成本有多种方法。对于太阳电池和组件的制造商来说，最方便的方法是按照组件每峰瓦多少美元的售价来计算。在 2012 年，晶体硅和薄膜碲化镉组件的价格大约是 0.85 美元/Wp。这个价格与 2011 年的大约 1.5 美元/Wp相比有了明显的降低。一种更好的计算太阳能光伏前置成本的方法是仍然以美元/Wp 为单位计算安装完的系统成本，这包括了太阳能组件的成本和安装成本。安装费用包括安装材料（支架和电缆）、逆变器、劳动力、许可费用、融资费用和安装者的支出（管理费、税、广告费用和利润）。这些费用，特别是非硬件的成本，随地域的变化非常大且

45、非常难以总结。在 2012 年，大型电站系统的安装成本平均大约为 2.5 美元/Wp。对于电力公司或者消费者来说，太阳能光伏的平准化电力成本（Levelized Cost of Electricity，LCOE）更为重要，它的定义是：LCOE（美分/kWh）寿命周期总成本/寿命周期电力总输出寿命期成本不仅包括太阳能系统的安装成本，还包括其运行及维护成本。这种方法有利于对比太阳能电力与其他电力来源如煤、石油、天然气、水力、核能或风力发电的成本。太阳能光伏系统无需燃料和固定劳动力，因此具有低运行及维护成本的优点。但组件长时间积累的灰尘会降低电力输出，因此需要临时工进01太瓦级太阳能光伏：绊脚石和机

46、会行组件的维护及清理。表 2.2 对比了不同的成本计算方法。表 2.2 中的第二种方法，系统安装成本，可用于对比不同发电技术的前期成本。2012 年，规模太阳能发电系统约为 3.3 美元/Wp。太阳能发电系统在夜间没有发电量，在早晨和傍晚的发电量极少。太阳能发电与当地太阳光强度、气候、空气质量和地形有关，时均电力输出介于峰值输出的 10%20%之间。为了对比，太阳能发电系统安装成本需要从美元/Wp 转化为美元/W。一个时均电力输出为10%20%峰值输出的太阳能发电系统3 美元/Wp 相当于15 30 美元/W，比核电站或燃煤发电站的前期成本要高出好几倍。表 2.2 太阳能光伏的三种成本计算方法

47、对比方法单位优点缺点太阳组件成本美元/Wp 一种计算组件成本的简单方法 不能计算安装、运行及维护成本系统安装成本美元/Wp 一种计算预支成本的好方法 不能计算运行及维护成本平准化电力成本美分/kWh 一种对比其他电力来源的好方法 很难估计未来劳动力及燃料来源成本 注：每种方法都有其优缺点，但最终太阳能电力的平准化成本不得不与其他电力来源相竞争。图 2.2 给出了太阳能组件在 2005 2012 年间的年均出厂价格8。图 2.3 显示了 1998 2012 年间美国住宅（100kWp）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/W

48、p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 到图 2.2 2005 2012 年间太阳能组件的年均出厂价格8。经 NPD Solarbuzz 许可转载。2005 2012年间组件价格下降 4 倍。2005 2008 年间的价格反弹是由于组件的高需求量及有限的产量11第 2 章 太阳能光伏现状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。在 2005 2008 年间有短暂的价格反弹。当时石油价格飞涨，导致了对太阳能组件的高需求量。而太阳电池产业的扩张速度赶不上组件的市场需求量，导致太阳能组件价

49、格上涨。图 2.3 1998 2012 年间美国安装完成的住宅（100kWp）太阳能发电系统成本9。住宅太阳能发电系统成本从 2005 年的8.8 美元/Wp 下降到 2012 年的 5.3 美元/Wp图 2.4 所示为 2007 2012 年间美国规模太阳能发电系统安装容量加权平图 2.4 2007 2012 年间美国规模太阳能发电系统安装容量加权平均成本9。由于少量的规模发电系统，2007 2009 年间的系统成本得以合并计算。2012 年的规模发电系统成本大约为 3.3 美元/Wp21太瓦级太阳能光伏：绊脚石和机会均成本9。在 2007 2009 年间仅有 11 个规模发电系统，安装数量

50、并不多。因此，计算了这 11 个规模发电系统的容量加权成本。图中显示 2010 年有 18 个安装完成的系统，2011 年有 53 个系统，2012 年有 106 个安装系统。规模硅基太阳能发电系统占有市场的 90%，其成本从 2007 2009 年间的 6.25 美元/Wp 下降到 2012 年的 3.4 美元/Wp。对比图 2.3 和图 2.4 可以发现规模经济对太阳能发电系统的作用是非常明显的。其中，2012 年住宅发电系统（小于 10kWp）成本为5.3 美元/Wp；相比之下，每个规模发电系统（大于1MWp）成本为3.3 美元/Wp。太阳能发电系统的成本分解值得讨论，如图 2.5 所示