太瓦级太阳能光伏：绊脚石和机会

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，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**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*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。本书读者好具有科学或者工程的本科学位，但并不需要是太阳能光伏的专家。

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。宋伟杰博士现在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。

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

推荐序在21世纪的前15年，太阳能光伏是世界上发展速度快的产业之一。从2000年到2014年，全球光伏装机总容量从14GW增长到189GW，光伏组件平均价格从平均3美元/Wp以上降至06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06~09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。
太瓦级太阳能光伏：绊脚石和机会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，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。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。
原 书 前 言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教授是作者的长期合作者。他关于地球上高丰度太阳能光伏材料的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。后但并非不重要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
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。