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太阳能光伏基础

1 全球一次能源消耗

      工业革命(18 世纪中叶)发生后的两百多年来,人类在改造物质世界方面所取得的成就远远高于过去数万年人类历史的总合。工业革命最具有代表性和决定性的发明,是瓦特的实用蒸汽机(如图1)。人类的生产能力借助机器的力量有了千百倍的提高,而机器的力量,则来自它的燃料。

图1: 瓦特发明的实用蒸汽机

      自实用蒸汽机发明之后,人们的生产、生活越来越彻底地依赖于化石燃料。瓦特的蒸汽机以煤为动力,后世涌现的内燃机、燃气轮机则以石油和天燃气为燃料。现在这些机器无处不在,它们被用来发电、驱动火车、汽车、轮船和飞机,构成了人类社会经济循环的最重要物质基础。如图2所示,煤、石油和天然气在全球一次能源消耗中所占的比例高达83.5%。

      人类社会对化石燃料(即煤、石油和天然气)的依赖程度还不止于此。除了用来燃烧产生动力,此三者还是最为重要的化工原料,是整个化学工业的基础。也就是说,如果化石燃料无法替代,那人类社会的前景注定是黯淡凄惨的。没有石油,不是开不了车那么简单,还意味着饭不够吃(因为没有化肥,生产不了足够的粮食),衣服不够穿(纺织衣服用的化纤也来自石化工业)。

图2: 2008 年全世界一次能源消耗比例

      1989 年,美国一位叫Richard C. Ducan 的工程师提出一个理论,认为工业文明在地球上只是一瞬间的事,就像一个脉冲一样。他自己将这个理论称为“奥杜瓦伊理论(Olduvai Theory)”, 因为坦桑尼亚的奥杜瓦伊山谷是迄今发现过最古老的人类化石的地方。如图3所示,Ducan 认为人类学会并大规模利用化石能源是一件很突然的事情,工业文明的繁荣离不开化石能源,随着化石能源的耗尽,人类只能回到石器时代去。Ducan 的理论不是科幻作家的信口胡说,他发表了正经的学术论文,仔细讨论了化石能源的储量、开采量和人类对能源的消耗速度。如果人们不能找到替代化石燃料的办法,他的理论就肯定是对的。

图3: Richard C. Ducan 的奥杜瓦伊理论:人类从石器时代进化过来,登上月
球,然后再回到石器时代

 

2 可再生能源

      若想避免这样的悲剧,我们一定要找到一种可以持续使用的能源形式,也就是大家耳熟能详的“可再生能源”。所谓“可再生”,意指在人类历史期间内不会耗尽的能源。比如太阳能,这个东西也是会耗尽的,恒星也有它的寿命(几十亿年的样子)。不过相对于恒星的寿命,人类作为一个物种的寿命就太短了,所以对于人类来说太阳能是绝对不会耗尽的,是真正的“可再生能源”。

      可再生能源有许多种类, 主要包括太阳能、风能、水能、生物质能等(如图4)。前三类大家肯定都见得多了,不再多说;生物质能则主要包括两种方式,即沼气和植物类燃料(如酒精和生物柴油)。追本溯源,风能、水能和生物质能都是太阳能在地球生态圈内的转化形式。太阳照射导致不同区域空气的温度差,从而引起空气的流动,是为风能;来自太阳的热量将海水蒸发,并通过大气循环将水汽搬运到地势较高的地方,形成降水,产生河流,是为水能;植物吸收太阳光,通过光合作用将二氧化碳中的碳转化为低价态的碳,是为生物质能。

图4: 四种主要的可再生能源形式:太阳能,风能,水能和生物质能

表1: 几种主要的可再生能源形式的年均总量(数据来自美国能源信息管理中心2008 年度报告)。

      很自然地,太阳能的总量也比风能、水能和生物质能都要大得多(如表1)。从应用角度来说,水力发电虽然清洁环保而且运行成本低廉,但水能的总量太小,不足以满足全球对能源的需求,开发潜力并不大。以我们国家为例,理论上我国可能开发的水能资源装机容量为3.78 亿千瓦,年可能发电量为19200 亿度。2009 年,我国的水力发电量已经达到5852 亿度,占可开发总量的30.4%。可以说,我国对水能的利用已经相当充分了(如图5)。要保证人类社会的能源供应,不可能以水能为主力。

     图5: 2009 年,中国的水力发电量为5852 亿度,总发电量为26300 亿度,而全国可开发的水电总量(年可发电量)仅为19200 亿度。中国2009 年的总发电量已经超过了全国水电的蕴藏总量。

      生物质能则不能过度开发,因为在现有技术条件下,生物燃料的主要原料是粮食作物。在全球人口暴涨,粮食日趋紧张的背景下,将大量的粮食作物拿去制成生物燃料,确实是有反人类的嫌疑的。

      风能的总量足够大,建设所需投入较小,在我国的开发程度也比较低,确实是一个值得大力投入的领域。中国的业界经过多年的努力,已经在这一领域取得了长足的进步。中国现在是世界上最大的风力发电市场,并拥有世界上最大的风力涡轮机制造行业。风力发电的主要缺点是,风能资源的地域分布非常不均,受季节和天气的影响亦很显著,体型庞大的风力涡轮机也不适合城市以及家庭使用。

      要实现能源生产的可持续化,最根本、最可靠的解决方案莫过于利用太阳能。

 

 3 太阳能的利用

      太阳能的利用包括很多种技术手段,例如太阳能热水器、光解水制氢气、太阳能热发电以及光伏发电。前二者的应用水平较低,要想大规模地提供能源,主要得靠后两种技术。

      太阳能热发电目前主要有三种实现方式,即塔式、槽式和碟式(如图6)。这三种技术的基本原理都是通过将太阳光聚焦,加热水或者其他工质(例如热熔盐和空气),通过热循环驱动发电机组来发电。

      太阳能热发电技术以较为成熟的机械工艺为基础,在规模足够大之后可望实现经济运行。但是这样的热电站也兼具传统热电站的缺点,即建设成本高,机械损耗大,维护成本高,而且只能在专用地上建设,无法与已有城乡建筑物进行集成。在太阳能热发电领域,我国起步较晚,技术积累较少,目前尚不具备对外的竞争优势。

      图6: 三种主要的太阳能热发电技术:塔式(左上)、槽式(左下)和碟式(右)。另外一种太阳能发电方式,即光伏技术,将在下一节详述。

 

 4 光伏技术

      “光伏”这个词译自“Photovoltaic”,即“光”和“伏特”的组合。这个词最早是用来描述一些材料在光照下形成电压的现象,后来人们认识到光电压的形成是由于材料中的电子被入射的光子激发而形成了电势差,从而形成对外的电流电压输出。采用光伏原理发电的设备,我们称之为“太阳能电池”。

 

图7: 贝尔实验室发明的第一个实用太阳能电池(1954 年)

      最早的光伏效应是Edmund Bequerel 在1839 年发现的,一百多年后(1954年),随着硅半导体工业的发展,第一个能用于实际发电的太阳能电池才在贝尔实验室问世(如图7)。这个太阳能电池以硅半导体的p􀀀n 结为基础,光电转化效率为6%。

      半导体p 􀀀 n 结的结构及原理如图8所示。当p 型和n 型的半导体相互接触时,由于浓度差的存在, p 型半导体中的空穴会向n 型半导体扩散, n 型半导体中的电子也会向p 型半导体扩散,造成接触面双侧的电荷不平衡,从而形成由n 型区指向p 型区的空间电场。反映在能级图上,即p 型区和n 型区的费米能级一致化后,两个区域间形成了一个能级差,这个能级差即是内建电场(Ebi)。p 型区和n 型区之间的过渡区域,称为p􀀀n 结的结区。在结区内,内建电场会驱使电荷进行定向传输。

图8: p 􀀀 n 结型太阳能电池的工作原理

      光照下,半导体中的电子会从价带跌迁到导带,于是在p 型区中就产生了额外的电子,在n 型区中则产生了额外的空穴,我们称此类载流子为“少数载流子”(p 型区的多数载流子为空穴, n 型区的多数载流子为电子)。这些少数载流子如果能扩散到p 􀀀 n 结区内,就会在内建电场的驱使下定向移动到p 􀀀 n 结的另一侧,完成电荷分离;而扩散不到结区的载流子,则会失去能量回到基态,也就是“复合”了。

      显然,只有实现分离的电荷能被导出到外电路,从而实现光电转化;复合的那部分电子所吸收的能量就转化成热,浪费掉了。要提高太阳能电池的光电转化效率,就要提高半导体材料中少数载流子的扩散距离,减少少数载流子复合的几率。因此,这种p 􀀀 n 结型的太阳能电池对半导体材料的纯度要求很高,例如在晶体硅太阳能电池中,硅材料的纯度通常要达到99.9999% 以上。

      在材料的界面上,通常结构的缺陷和化学杂质会比材料内部更多一些,所以太阳能电池的结构往往设计成如图9所示。在这样的结构中,基区比发射区厚得多,光吸收主要由基区完成。基区(通常为p 型)吸收光子后,电子被由价带激发到导,产生一对相互分离的电子和空穴(1);在基区中,电子为少数载流子,经过扩散后抵达p 􀀀 n 结区,在内建电场的作用下进入发射区,实现电荷分离(2);空穴则为基区中的多数载流子,被直接传导到背电极(3)。经过这样的过程,正电荷与负电荷分别在背电极和正面电极上积累,形成对外电路的电压,太阳光的能量也从而被转化为电能。

图9: 晶体硅太阳能电池的基本结构

      1954 年之后,以无机半导体材料为基础的太阳能电池,其基本结构与工作原理都大体如此,进步都只是工艺上,细节上的。

 

5 太阳能电池的生产工艺

从大尺度上看,晶体硅太阳能电池的生产工艺主要分为以下步骤:
1. 开采硅石。
2. 用焦炭从硅石中提炼金属硅。
3. 用化学方法由金属硅提纯高纯硅。具体地说,就是把金属硅在氯气中“燃烧”掉,形成氯硅烷气体,将气体提纯后再还原成单质硅。
4. 将高纯硅料熔化后制成硅棒。如果要制造单晶硅太阳能电池,则还需要提拉出硅单晶。
5. 将硅棒切割成硅片。
6. 在硅片上进行扩散以形成p􀀀n 结,并制作正面电极和背电极,制成太阳能电池片。
7. 将电池片组装成组件。

图10: 晶体硅太阳能电池的生产工艺

      第二步(提炼金属硅)消耗大量焦炭,产生大量废水、废气和温室气体(如图11);第三步产生剧毒氯硅烷废气,并需要消耗大量电能;第四步需要持续高温。由此可见,晶体硅太阳能电池的生产工艺不但长,而且能耗高,污染严重。正因为如此,晶体硅太阳能电池的发电成本至今远远高于火力发电成本,温家宝总理也才会有出口太阳能电池是“把清洁出口给欧美,把污染留在中国”的感慨。

图11: 污染严重的金属硅工厂

      为降低太阳能电池的生产成本,科学家和工程师开发了“第二代”太阳能电池技术,即薄膜太阳能电池技术。依采用材料的不同,薄膜电池包括非晶硅、铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)等数种。薄膜太阳能电池的生产方法是,通过真空沉积工艺将几种不同的半导体材料薄膜沉积到透明导电基片上,以形成作用类似于p 􀀀 n 结的半导体民异质结,光电转化则以此异结为基础来完成。

      以碲化镉太阳能电池为例,薄膜太阳能电池的典型结构如图12所示。其中CdTe 层相当于晶体硅电池中的基区,CdS(硫化镉)层相当于晶体硅电池中的发射区,光吸收主要由CdTe 层完成,而电荷分离则在CdTe 与CdS 的界面上实现。

图12: 碲化镉太阳能电池的基本结构

      目前在商业上最为成功的薄膜太阳能电池是碲化镉太阳能电池,主营CdTe电池生产的美国First Solar 已经成为全球最大的太阳能电池制造商。真空沉积法显著降低了半导体材料的用量,从而降低了太阳能电池的生产成本。然而,真空生产工艺的复杂性也导致了薄膜太阳能电池的生产设备非常昂贵。与晶体硅太阳能电池一样,薄膜太阳能电池也要求少数载流子在材料中能有较长的扩散距离,因而对半导体材料的纯度也有一样的高要求。因此,非真空的成膜方法难以在薄膜太阳能电池的生产工艺中应用,薄膜太阳能电池的生成成本也就遭遇了一个瓶颈。

      另一个不能忽视的方面是,薄膜太阳能电池中大量采用了稀有的以及有毒的原材料。例如CIGS 电池中的铟元素,CdTe 电池中的碲元素,在地表的含量都非常稀少,无法支持大规模的生产。再如CIGS 和CdTe 电池中都必须采用的镉元素,是一种对人体毒性很大的重金属元素。如果太阳能电池在使用过程中发生破损而导致镉泄露,会对周边人群的身体健康造成严重影响。
 

 
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