21世纪的能源—太阳能电池

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１９ 年 第 ３期 ９９
问 ： 晶 硅 这 样 好 ， 什 么 没 有 取 而 代 之 把 非 为 晶体 硅 驱 逐 出 市 场 ？ 答 ： 晶 硅 有 ２个 致 命 缺 点 ： 是 寿 命 短 ， 非 一 在 光 的 不 断 照 射 下 会 发 生 所 谓 Ｓａｂｅ— ｒｎｋ ｔｅｌ Ｗ ｏ ｓｉ ｒ 效 应 ， 电转 化 效 率 会 下 降 到 原 来 的 ２ ， 光 ５ 这
本质上正是非晶硅 中有太 多的以悬键 为代表的 缺 陷 ， 使 结 构 不 稳 定 ｝ 是 它 的 光 电转 化 效 率 致 二
远 比晶体 硅 低 。现 今 市 场 上 的 晶体 硅 的 光 电转 化 效 率 为 １ ， 近 面 世 的 晶 体 硅 的 光 电转 化 ２ 最 效 率 已经 提 高 到 １ ， 实 验 室 里 ， 至 可 以 ８ 在 甚 达 到 ２ （ 比 ： 色 植 物 的 叶 绿 体 的 光 电转 ９ 对 绿 化 效 率 小 于 １ ！ ， 而 非 晶 硅 的 光 电 转 化 效 ）然 率 一 直 没有 超 过 ｌ 。但 是 ， 们 对 非 晶 硅 的 ０ 人 热 情 未 减 。 近 的 一 则 报 道 说 ， 美 国密 执 根 的 最 在 联 合 太 阳能 系统 公 司 刚 刚 发 明 了一 种 “ 结 ” 三 非
到光 照 射 时 ，ｕ 离子 从 基 态变 成 激 发 态 ， Ｒ 激 发 态 钉 释 放 出能 量 时 从 Ｒｕ 氧 化 为 Ｒｕ ， 放 。 释 出 的 电 子 进 入 二 氧 化 钛 晶 格 ， 钛 从 Ｔ 还 原 使 为 Ｔ ， 是 二 氧 化 钛 发 生 如 同 在 叶 绿 素 里 发 于
镓 光 电池 ， 它 来 做 太 阳 能 电 池 价 格太 贵 ， 可 用 不
能 用 在 地 面 装 置 上 ， 国 渡 半 日公 司 已经 把 美
透 光又能导 电的高分子 薄 ｝ 在高分 子薄 膜 中 夹 间 的 是 含 碘 离 子 的 水 溶 液 ， 液 的 底 部 则 是 纳 溶 米级 的 二 氧 化 钛 晶 体 。在 二 氧 化 钛 晶 体 表 面 上 有 一种钉的配合物 ， 是光 繁 化 剂 。 莱 泽 电池 受 格
成 键 的 电 子 ， 些 电子 在 电 场 作 用 下 就 可 以产 这
● ／
么材 料制 作的？
答： 目前市场 上最 大量 生产 的太 阳能 电池
的主要材料是 由晶体硅制作的半导体材 料 。这
种 太 阳 能 电池 的结 构 如 附 图的 上 图所 示 。图 中 的 Ａ是 表 层 金属 导 线 ； Ｂ层 是 吸 光 材 料 ， 常 是 通 黑 色涂层 ， 以保 证 射 入 太 阳 能 电池 的 光 不 从 电 池表 面 因 反 射 而 逃 逸 Ｅ是 金 属 电极 。 Ｆ是 底 层 材 料 。Ｃ和 Ｄ 都 是 晶 体 硅 半 导 体 ， Ｃ是 ｎ型 但 一
池吗？
太 阳 能 电池 的 是位 于瑞 士 Ｌ ｕａ ｎ ａｓｎ ｅ的瑞 士 联 邦 技 术研 究 所 的 Ｍｉ ｅ ￣ ｅ。 在 １９ ｃ ｌ ｔ ｌ他 ｈ Ｇｒ ｚ ９ １年 仿 照 叶 绿 素 的 光 合 作 用原 理 制 作 了 这 种 电池 ， 后 人称 为格 莱泽 电 池 。附 图 的 下 图 是 改 进 的 格 莱
生的所 谓 电子弛豫 ， 电子 传递到 与之接 触 的 把
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１９ ９ ９年 第 ３期
Hale Waihona Puke Baidu
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导 电高 分 子 （ 电池 的 负极 ） 与 此 同时 ， 光 ， 溶液 里
的碘离子 跟 Ｒ ”氧化 态的钉配 合物反 应 ， 电 ｕ 把 子 传递给 钌 ， 钌恢 复 到 Ｒ ， 离子 氧化 为 使 ｕ 碘 碘 原 子 （ 为 Ｉ 离 子 ）， 者 从 光 电池 的 正 极 接 实 后 受一个 电子 还 原为碘 离子 ， 成一个 电子传 递 完 的循 环 。 个 循 环 在 飞 秒 级 的时 限 内 便 完 成 了 。 这 据 说 循 环进 行 １亿 次 系 统 运 转 仍 然正 常 。这 种 太 阳能 电池 估计可 以使用 ２ 年 。在 阳光直 射 ０ 时， 格莱泽 电池的光 电转化 效率为 １ ％。这 种 ０ 电池 最 人 惊 讶 处 是 ， 阴 天 ， 的 效 率 更 高 ， 在 它 达 到 １ 。这是 硅太阳能电池望尘莫及之处 。作 ５ 为 对 比， 然 晶 体 硅 可 以 吸 收 从 ３ ０ ｍ 到 虽 ５ｒ ａ １１ｍ 的 光 子 ， 吸 收 蓝 光 的 光 电转 化 效 率 是 ． 但 很低的 。 阴天 的散 射 光 是 蓝 光 ， 太 阳 能 电池 效 硅
半导体 ， 在 光的 照射下 产 生 电子 （ 它 图中 用 ｅ 一
表 示 ） 而 Ｄ是 ｐ型 半 导 体 ， 在 Ｃ产 生 电子 的 ， － 它
同时产 生带正 电的空穴 （ 图中用 ｈ 表 示） Ｃ和 ＋ 。
Ｄ合 在 一 起 叫做 ｎＰ结 。 晶体 硅制 成 ｎ 型 和 Ｐ — 一 一 型 半 导 体 的 主 要 方 法 是 在 晶 体 硅 中 掺 杂 。ｎ型 一 硅 半 导 体 掺 入 的 杂 质 是 电子 比硅 原 子 多 的 原 子 ， 磷 原子 ，一 硅 半 导 体 掺 入 的 杂 质 是 电子 如 ｐ型 比硅原 子 少 的 原 子 ， 硼原 子 。 杂 会 大 大 提 高 如 掺
池吗 ？
答 ； 是 一 种 值 得 称 赞 的 联 想 。 氧 化 钛 确 这 二 实可 以制 作太 阳 能 电池 。第 一 个 制 作 二 氧 化 钛
问 ： 式 的照 相 机 不 能 自动 测 光 ， 相 测 光 老 照 要 用一种 小型 测光器 ， 我记 得 它 的 光 电转 化 材 料 是 Ｃ Ｓ， 今 的 照 相 机 都 带 自动 测 光 ， 里 面 ｄ 现 它 装 的 是 什 么 光 电材 料 ？ 它 们 也 能做 成 太 阳 能 电
极少量 Ｇ ａ的 ＣＳ 效率 竞选到 ｌ 。１９ Ｉ， ８ ９ ７年 ， 现 合 并 到 西 门子 太 阳能 公 司 的 原 阿 克 罗太 阳 能
公 司 曾 经 制 成 一 块 选 ０ ５ 面 积 的 ＣＳ模 块 ， ． ｍ Ｉ 效 率 达 到 １ 。长 远 地 看 ， 族 化 合 物 太 阳 能 １ 硫 电池 具 有 与 晶体 硅太 阳 能 电池 竞 争 的实 力 。 它
问： ７ 在 Ｏ年 代 就 有 过 报 道 ， 体 硅 将 被 非 晶
晶硅所代 替 ， 非晶硅是 什么？
答 ： ７ 年代确实有过制备 非晶硅的沸沸 在 Ｏ
场 扬的高潮 。 事实上 ， 非晶硅光 电池 已经广为使
用 ， 如许多 太 阳能计算 器、 阳能手表 、 例 太 园林 路 灯和 汽车太阳能顶罩等就是用 非晶硅作 为光 电池的基本材料的 。但是 目前市场 上最大量 使
从美 国西海 岸加里福尼亚圣地亚哥 飞到 东海岸 北 卡 罗林 那 州 的 凯 提 堆 克 。这 说 明 非 晶 体 硅 的 前途 仍然 是 光明的 ， 只要克 服寿 命短和 效率 欠
佳 的 缺 点 ， 来 还 是 会 占据 相 当 大 的 市 场 分 额 将
的。
们与晶体硅不 同而与非晶硅相 同之处 是可以造 得很薄 ， 这是 这类半导体的基本性 质决 定的 ， 因 而用材很 省。 问 ：０ ８ 年代初报道过 二 氧化钛是 一种 光 电 材 料 ， 可 能 用 来 光 解 水 ， 也 能 制 作 太 阳 能 电 有 它
用 的 太 能 能 电池 （ 别 是 屋 顶 太 阳能 电池 ） 然 特 仍
是晶体 硅光 电池而 不是非 晶硅 光 电池 ， 尽管 非
晶 硅 有 许 多 优 点 ： 如 ， 可 以 自由 裁 剪 ， 而 例 它 因
可 以充分利 用合 成 的产晶 ， 不像 晶体 硅不能 自
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晶硅 光 电池 ， 以同时接受 蓝 、 可 绿和 红／ 外 辐 红
射 ， 电转 化 效 率 达 到 １ ． 。 由于 非 晶硅 的 光 ２１ 成 本 低 ，９ ０年 用 光 电转 化 效 率 只有 ４ ６ 的 １９ ～ 非 晶 硅 太 阳 能 电 池 ， 把 一 架 飞 机 飞行 ４ ０ｍ 就 ０ｋ
化合 物制 作的光 电池 品种很 多 ， 中有 一些光 其 电转 化 效 率 甚 高 ， 为 太 阳 能 电 池 的 材 料 的 前 作 景也看好 ， 例如 ， 迄今 光 电转化效率最高的光 电 材 料 是 Ｇ Ａ － Ｓ ， 的 转 化 率 可 以 达 到 ａ ｓＧａ ｂ 它 ３ 。许 多 价 格 不 斐 的照 相 机 里 装 的 就 是 砷 化 ３
泽 电池 的 示 意 图 。 中 Ａ 是 透 光 的 玻 璃 ； 既 图 Ｂ是
答： 测光 所需 的 光 电转 化 率 不 需 要 很 高 。 硫 化 镉 就 属 于 这 类 光 电池 。 实不 止是 硫化 物 ， 其 许 多 硒 化 物 和 碲 化 物 也 是 光 电转 化 材 料 。 用这 类
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２ 世 纪 的能 源 —— 太 阳能电 池 ｌ
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（ 京 师 范 大 学 化 学 系 １ Ｄ ７ ） 北 ０ ８ ５
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问： 目前市 场 上的太 阳能 电池 主要是 由什 由裁剪 ， 作 成器件时材 料磨下好多碎末 ， 制 浪费 很 大 ； 的制 作 过 程 是 气 相 沉 积 （ ９ ６ Ｓ ｅｒ 它 １７ ，ｐ ａ 法） —— 硅化氢热 分解 ， 分解时可 以根据需 要掺 杂， 如掺 入磷 化氢 或硼 化氢 ， 由于 是气相 沉积 ， 制 作工艺 条件容 易进 行 自动 化控 制 ； 还可 以 它 制成很 薄很薄 的 薄膜 ， 晶体硅 却至 少要达 到 而 几百微 米的厚度 。这是 由于 晶体硅是一 种间接 能带 半导体 ， 单靠 光子并 不能把 电子激 发到 导 带 中去产 生 电流 ， 而要靠 所谓 声子 的帮助 ， 这种 所谓 的声子 来源于晶格振动 ， 晶体做得太薄 ， 产 生 的声 子就 太 少 ， 电 转 化 率就 太 低 。 非 晶硅 光 而 却 是一种 直接能 带 半导体 ， 的结 构 内部 有许 它 多所 谓 的 “ 键 ” 也 就 是 没 有 和 周 围的 硅 原 子 悬 ，
生电流 ， 并不需要 声子的帮助 ， 因而 非晶硅可 以 做得 很薄 ， 还有 制作 成本 低的优点
硅 释放 电子 的能力 ， 如 ． 例 只要掺杂百 万分 之一
的磷 ， 体 硅 的 电子 流 会提 高 １ 倍 掺 杂 是 晶 ０万
在 由二 氧化硅还 原 成硅制 作 晶体 硅时 进行 的 。 事实上 ｎＰ — 结硅半导体是制成单 片的 。
Ｇａ ｓＧａ ｈ太 阳能 电 池 装 在 航 天 飞 机 上 。 有 ， Ａ— Ｓ 还 几年 前有 一种 用 Ｃ Ｔ ｄ ｅ制 作 的 太 阳 能 电池 已 经 问世 。这 种 太 阳能 电池 的实 验 室 转 化 效 率 达 到 １ ， 于 市 场 的 则 达 ８ ６ 见 它 比 非 晶 硅 寿 命 长 ， 率 稳 定 ， 作 也 较 简 单 ， 有 前 途 。 人担 效 制 很 有 心 这种 太 阳 能 电池 因含 致 癌 元 素 镉 而 有 害 。但 专 家 们认 为 完 全 不 必 担 心 ， 为 太 阳 能 电池 是 因 密 封 的 。 相 比之 下 ， 目前 已经 广 泛 使 用 的 镉 一 镍 可 充 电电 池 要 危 险 得 多 ， 电池 经 常 被 到处 扔 。 废 这 里 ， 还 要 特 别 提 到 所 谓 Ｃ Ｓ， 是 Ｃ ｌＳ 我 Ｉ 它 ｕｎ ｅ 的 缩 写 ， 一 种极 有 前 途 的 太 阳能 电池 ， 格 相 是 价 对于 ＣＴ ｄ ｅ要 便宜 。最 近 报 道 说 ， 国科 罗 拉 多 美 国 立 可 更 新 能 源 实 验 室 （ ＲＥ ） 发 了一 种 掺 Ｎ Ｌ开