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玻璃上的光芒--First Solar发展史

2013-12-05 10:47来源:坐下再说关键词:First Solar薄膜电池薄膜电池转换效率收藏点赞

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这个时候的美国已经发生了翻天覆地的变化。能源危机的步步紧逼已经深入美国人民的观念之中。油价一再的飙升,电力行业的不景气让太阳能发电的研究越来越热。西海岸斯坦福大学的Gerald Pearson作为第一批先驱者,提出基于半导体光生伏打效应收集电流获取电能的系列理论引起了Harold极大的兴趣。他先后拜访了美国最前沿的光伏研究中心:斯坦福大学和科罗拉多的新能源研究中心(NREL),有一件事情让他特别印象深刻:光伏电池是一层半导体夹在两块玻璃之间。玻璃的重量占整个终端产品的95%以上。

这时候他有了一个奇妙的想法:光伏产品本质上就是玻璃产品的延伸。这对Harold来说是一个惊天的发现。长期工作在工程开发第一线的他有着Gerald Pearson和Bob Swanson不具备的敏锐直觉:如果能将夹在玻璃中间的硅片的生产工艺简化成一层薄膜,那制造成本将指数降低(谁也比不过浮法玻璃的成本),光伏发电成本很快就会低于火电。

这一想法在当时并未受到主流学界的重视。Gerald那个时候已经是行业的泰山北斗,统领光伏行业各大门派。作为一个标准的半导体人,他认为光伏组件本质是一块半导体,玻璃和封胶只是保护半导体的封装结构而已。而Harold看来,他过去20年做的玻璃,不是镀增透膜就是镀反射膜,光伏组件只是镀了吸光膜的玻璃而已。事后的发展证明,Harold的观点更为贴切。因为半导体产品基本都放置在室内应用,而玻璃才需要在户外风吹雨淋,以做玻璃产品为出发点做太阳能产品似乎更为贴切。

在美国国家新能源实验室(NREL),Haroldlicense了他们研究最成熟的薄膜硅技术,融资1千2百万美金成立了GlassTechSolar公司。然而Gerald对基于薄膜不定型硅的PN结结构的评价一针见血:danglingbonds导致缺陷态太多,大大影响了光电转换效率,Harold本身对半导体器件工作原理又不太了解,以至于公司成立了几年,连一片像样的样品都做不出来。

然而,这个世界上,任何努力都不是白费的,哪怕是失败也是有收获的,Harold的收获,就是发现了一种新的光伏材料:碲化镉。

要说这碲化镉并不是什么新鲜事物。早在Gerald和Shockley60年代研究各种半导体光伏材料的时候就提出,单节光伏电池要想接近Shockley-Quessier极限,最好的能带间隙应该在1.5电子伏。经过研究,大家发现碲化镉最接近这一数字,从60年代GE就开始研究这种材料。一直以来,由于碲化镉n型掺杂的困难而进展缓慢。

这一切在1981年得到了解决。华裔科学家田元生博士在柯达北美研究所提交了自己的专利(US4207119 A),首先提出通过近距离升华法(CSS)在透明导电玻璃上沉积n型硫化镉和p型碲化镉得到高质量碲化镉光伏电池。这个解决方案在器件层面如此的优雅,一举解决了碲化镉n型掺杂的困难和高质量薄膜制备的困难。并且异质结的能级排列还可以进一步提高光电转换效率。果不其然的是,和过去大家得到的3-4%的效率不同,田博士一举获得10%的转换效率。不过可惜的是,田老兄限于CSS量产的困难并没有坚持下去,若干年后回中国大陆搞起了OLED。

然而,田博士的研究激励了更多的科学家,其中包括他的同胞,碲化镉泰山北斗级人物朱挺教授。朱教授在南佛罗里达大学教书,是科班半导体出身,很快发现了田博士方案的美中不足:硫化镉不透明而呈浅黄色,大大影响了转换效率。朱教授通过减小硫化镉厚度和优化透明电极的方法得到了16%以上的转换效率,至此,碲化镉光伏电池已经快追上传统晶硅电池的性能了。

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