Si太阳能电池达到万亿瓦级规模的技术途径-北极星太阳能光伏网

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到2050年全球的能量需求将达28TW，到2100年则为46TW。部署的光伏太阳能电池必须扩展到数十万亿峰瓦，以便满足这些需求令人注目的一部分。太阳能电池的输出随一天中的时段而改变。太阳能电池的时间平均输出是其峰值功率的15-20%;所以，50TWp的太阳能电池将产生7.5-10TW的平均输出，或2100年全球能量需求的～18%。

在现今几乎所有的硅片太阳能电池中，用Ag作为n型发射极上的指形电极，而Al用于作为p型基极上的背电极。硅片太阳能电池达到万亿瓦数量级的主要瓶颈之一是Ag的稀少。根据美国地质调查(U.S. Geological Survey)，地球上已知的Ag储量约为570,000公吨。众多分析估计，从硅片太阳能电池可能得到的最大功率受Ag储量的限制。他们得出相似的结论，即已知Ag储量将把硅片太阳能电池约束在小于1万亿瓦时间平均输出，这是我们2100年能量需求的很小部分。此外，Ag的价格自2010年夏季以来急速上涨，现在已经是电池成本的重要部分。若太阳能电池工业继续以现在的步伐增长(年均约50%)，对Ag的需求也将持续增加，肯定会使Ag价更高。因此，为使硅片太阳能电池成为未来能源的重要来源，必须用低成本地球富有金属替代Ag。

本文考察了多个地球富有金属，目的是确定Ag的合适替代品。结论是，Cu和Al是Ag的合适替代金属。讨论了Cu和Al替代Ag的一些挑战。给出了解决Al替代Ag时碰到的挑战的初步结果。

Ag的潜在替代品

确定Ag合适替代品的主要考虑因素是材料的丰度和电阻率。作为指形电极，替代金属的电阻率必须低且与Ag的电阻率相当。若采用较高电阻率的金属，为了保持同样的指形电阻，指形电极的宽度或高度就不得不增加。这样，或者电池效率受损，或者制造难度增加。

作为参考，Ag是所有金属中电阻率最低的之一，其电阻率为1.59×10-6Ω-cm。表1从低到高列出了不同金属的电阻率。根据电阻率，Cu是Ag的最佳替代品，其电阻率仅比Ag高6%。若用Al且指形宽度保持一样，指高度或高宽比必须增加77%才能保持同样的指电阻。这颇具挑战性，不过仍有潜在的可行性。Ca的电阻率高111%，但Ca与水气反应，故不适宜用作接触金属。Ca以上任何金属的电阻率太高，不宜用于指形电极。