专题 | 新湖专题:光伏技术发展简史(一)
（以下内容从新湖期货《专题 | 新湖专题:光伏技术发展简史(一)》研报附件原文摘录）
一、在碳中和背景下，光伏产业在我国能源结构中的地位愈发重要 在全球气候变暖大背景下，可再生能源开发利用日益受到国际社会的重视，大力发展可再生能源已成为世界各国的共识。 2020年12月12日，习近平总书记在气候雄心峰会上提出“3060”碳达峰碳中和目标，并强调：“到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比 2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，森林蓄积量将比2005年增加60亿立方米，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。” 2022全年光伏发电量为4276亿千瓦时，同比增长30.8%，约占全国全年总发电量的4.9%。 2022年全国新增光伏并网装机容量 87.41GW。累计光伏并网装机容量达到392.6GW，新增和累计装机容量均为全球第一。预计 2023 年光伏新增装机量超过 95GW，累计装机有望超过 487.6GW。 根据《“十四五”现代能源体系规划》，太阳能产业的发展将在这个五年计划内得到提速。我国将重点在中部与东部进行分布式光伏建设；在黄河上游、新疆、冀北等地大力发展多能互补清洁能源基地建设。同时提高光伏发电功率预测水平，开展光伏发电制氢示范，积极完善并网标准体系推广光伏发电与建设一体化应用。 进入“十四五”至今，国家能源局、国家发改委、财政部、住建部发布了一大波利好政策支持光伏产业发展，也给五年计划光伏产业后续的健康有序发展打下了良好的政策基调，更凸显了光伏发电产业在我国能源结构和战略中扮演着越来越重要的地位。 本文意在通过对光伏技术的梳理和回顾，来介绍光伏技术的历史沿革，便于让光伏相关大宗商品的业者更好地了解光伏行业的起源、演变和发展规律。 二、光伏发电的基本原理是利用半导体的光生伏特效应 光伏发电的工作原理是光伏技术的基石，了解光伏发电的原理更便于梳理光伏技术的发展和演变。 光伏发电的基本原理是利用半导体的光生伏特效应（Photovoltaic Effect，PV），其本质是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。 在该效应中，光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。有了电压，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。 在实际应用中，采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为P-N结。而太阳光照在半导体P-N结上，形成新的空穴-电子对，在P-N结电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后就形成电流。 三、根据最新的行业技术迭代分类，光伏可分为三代 关于目前主流的光伏的三代分类，不得不提及“太阳能之父”的马丁·格林（Martin Green）教授。 澳大利亚新南威尔士大学教授马丁·格林为澳大利亚科学院院士，在光伏领域做出了杰出贡献，是全球太阳能电池领域的权威，被誉为“太阳能之父”先后被授予多项国际奖项，曾获得2002年诺贝尔环境奖。 马丁·格林率先提出了“第3代太阳能电池”的概念。在此前，他已明确一代硅基太阳能电池性能的理论极限，并带领团队展示出了效率不断逼近该极限的电池装置，并作为先行者推动了以类卡诺循环太阳能转换效率为目标的“第三代”光伏的发展。 在格林的理论中，结晶硅型属于第1代太阳能电池，非晶硅型等薄膜太阳能电池属于第2代太阳能电池，而第三代光伏电池是有潜力克服单带隙太阳能电池功率效率 31-41% 的Shockley-Queisser辐射效率极限的太阳能电池。 本文在梳理光伏技术发展历史的同时，也将分不同代数介绍对应光伏技术的沿革。 四、从光生伏特效应的发现至今，光伏产业的技术发展已经历了近两百年时光 上文提及的光生伏特效应的发现，代表光伏技术的起点。该效应首先由法国科学家亚历山大·埃德蒙·贝克雷尔在1839年一场实验中意外发现。 实验中，贝克雷尔缓慢地将两片铂金属电极插入到氯化银酸性溶液中，在测量在这些电极之间流动的电流时，他发现，光线中的电流略大于黑暗中的电流；他将这种现象被命名为光生伏特效应。而学界普遍认为，贝克雷尔用于实验的装置是世上第一个光伏电池，而贝克雷尔是第一个发现光生伏特效应的人，因此光伏效应又被称为“贝克勒效应”（Becquerel Effect）。 1876年，英国国王学院的威廉·格里尔斯·亚当斯（William Grylls Adams）教授和他的学生理查德·埃文斯·戴（Richard Evans Day）发现硒在光照下可以发电。 后期他们对硒进行了几次实验，在其中一次试验中，他们点燃了一根蜡烛，距离硒条一英寸远。他们的测量装置上的指针立即做出反应。从光中筛选硒导致针瞬间下降到零。这些快速反应排除了蜡烛火焰的热量产生电流（称为热电）的可能性。在热电实验中施加或撤走热量时，监测针总是非常“缓慢”地上升或下降。当应用某种形式的光时，情况显然不是这样。因此，他们确信自己发现了一些全新的东西——光在固体材料中引起“电流”。他们将光产生的电流称为“光电”。 后来，现代科学家将这种现象称为“光伏效应”。它证明可以将太阳能直接转化为电能，而无需任何移动部件或热量。 随后亚当斯和戴发表了名为《The action of light on selenium》的文章，为未来太阳能模块的研发提供了一定理论基础。 1866 年，英国电器工程师威洛比·史密斯（Willoughby Smith）开发了一种在铺设水下电缆时连续测试的方法。对于他的测试电路，他需要一种具有高电阻的半导体材料，并为此选择了硒棒。在他初始研究的推导中，硒应该可以很好地完成这项工作，但在实际使用中，该设备给出了不一致的结果。经过史密斯的调查发现，硒棒在强光照射下的电导率较普通光照情况下明显增加。 后来史密斯在1873年2月12日电报工程师协会会议上发表的一篇论文中将他的研究描述为“硒的电气特性和光对其的影响”，他的这一发现助推了光伏电池的发明。2017年，基于史密斯在硒研究方面的杰出贡献，美国国家电视艺术与科学学院给他颁发了光电转换概念领域的技术与工程艾美奖。 在前人研究的基础上，第一个“真正”工作的太阳能模块由美国发明家查尔斯·埃德加·弗里茨 (Charles Edgar Fritts) 于 1883 年建造。 弗里茨通过在一块宽铜板上涂上硒，然后在上面覆盖一层极薄的半透明金箔来构建模块，并将其安装在屋顶上。根据弗里茨的报告，该模块产生了“连续、恒定且具有相当大的力量”的电流。电流不仅对阳光有反应，而且对昏暗的日光甚至烛光也有反应。 在像硒这样的材料中，一些光子携带的能量足以将失去控制的电子从它们的原子轨道上撞击下来。当电线连接到硒条上时，释放的电子以电流的形式流过它们。由于硒的特性，所得模块的电转换效率仅为 1%。除了硒的成本外，黄金的高成本也使得这些早期的太阳能组件在商业上不可行。 然而，弗里茨将他的一块太阳能电池板寄给了世界著名的德国物理学家，维尔纳·冯·西门子（Ernst Werner von Siemens）。将面板置于光照下时的电力输出给西门子留下了深刻印象，并将 Fritts 的面板展示给了普鲁士皇家科学院。西门子向科学界宣称，美国的模块“首次向我们展示了将光能直接转换为电能”。 1887年，著名的德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）在研究紫外光的光电导性并发现了光电效应。当时，赫兹对光电效应以及电磁波的产生和接收进行了观察，发表在《Annalen der Physik》杂志上。 赫兹的实验使用一个由带有火花隙的线圈组成的接收器，因此在检测到电磁波时会看到火花。他把仪器放在一个黑暗的盒子里，以便更好地观察火花。他观察到在盒子中的最大火花长度减少了。放置在电磁波源和接收器之间的玻璃面板吸收了紫外线，帮助电子跳过间隙。移除后，火花长度会增加。当他用石英代替玻璃时，他观察到火花长度没有减少，因为石英不吸收紫外线辐射。虽然后续赫兹没有进一步研究这种效应，也没有试图解释观察到的现象是如何产生的，但是他的发现给未来阿尔伯特·爱因斯坦对该现象推导出正确理论机制提供了契机。 1887年，詹姆斯·摩泽尔（James Moser）将染料敏化效应用到卤化银电极上，通过使用染料赤藓红将染料增强的概念从摄影带到了光电化学电池。这一发现一直影响到了第三代光伏电池的发展，目前染料敏化太阳能电池(DSC) 已被考虑下一代太阳能电池的候选者之一。 1888年，德国的物理学家威廉·霍尔瓦克斯（Wilhelm Ludwig Franz Hallwachs）提出了一个假设，即在其上聚焦紫外线的导电板带有正电荷，因为在硒的强度更高时，电子被撞击出导电板。这种现象被称为“霍尔瓦克斯”，现在称为光电效应，对光电效应的研究为光电池、光电和爱因斯坦的量子光假说的发展奠定了基础。后来在1904年，霍尔瓦克斯用铜和氧化铜制造了半导体结太阳能电池。 俄罗斯物理学家、电气工程创始人亚历山大·斯托列托夫 (Alexander Stoletov)在同年发现外层光电效应的规律和原理，并基于赫兹的理论组建了第一个基于外光电效应的太阳能电池，并估算了光电电流的响应时间。 1901年德国物理学家菲利普·冯·莱纳德（Philipp von Lenard）观察到电子能量随光频率的变化。 莱纳德的窗管装置出现之前，阴极射线一般是通过原始的、部分抽空的玻璃管来产生的，这些玻璃管中有金属电极，可以在其上施加高压。使用这种布置很难研究阴极射线，因为它们位于密封的玻璃管内，难以接近，而且射线存在于空气分子中。莱纳德克服了这些问题，他设计了一种在玻璃上制作金属小窗的方法，这些小窗的厚度足以承受压力差，但又足够薄以允许光线通过。为光线制作了一个窗口，他可以将它们传递到实验室，或者，也可以传递到另一个完全抽空的房间。这些窗户后来被称莱纳德窗户。他能够通过涂有磷光材料的纸片方便地检测射线并测量它们的强度。 莱纳德观察到，阴极射线的吸收率与它们要通过的材料的密度成正比。这似乎与它们是某种电磁辐射的想法相矛盾。他还表明，射线可以穿过几英寸厚的正常密度的空气，并且看起来会被它散射，这意味着它们一定是比空气中的分子更小的粒子，最终得出这样的理解：阴极射线是带负电的高能粒子流。他表明在真空中用紫外线照射金属所产生的射线在许多方面与阴极射线相似。他最重要的观察是光线的能量与光强度无关，但对于较短波长的光来说能量更大。 1905年6月，爱因斯坦发表了他的重磅论文《关于光的产生和转化的一个启示性的观点》，成功地解释了光电效应，并写出了功函数方程来解释光电效应。1907年，爱因斯坦提供了基于他1905年的光子量子假设的光电效应的理论解释。爱因斯坦对光电效应的解释让他在1921年获得了当年的诺贝尔物理学奖。 爱因斯坦的研究成果给光伏领域提供了基础物理理论上的坚实支撑，并大大推动了光伏技术的快速发展。 1916年，波兰化学家扬·柴可拉斯基（Jan Czochralski）发现了提纯单晶硅的拉晶工艺。该工艺后来为第一代光伏技术的发展做出了巨大贡献。 当时正值第一次世界大战，柴可拉斯基迫切寻找一种方法来测量金属合金的结晶速度。在多轮实验无果后的休息期间，柴可拉斯基意外将钢笔蘸进了正在冷却的熔化锡罐中，并观察到了笔尖金属线的变化。 一系列迅速而系统的实验表明，他拔笔越快，金属线越短。为了不忘记这种有趣的现象，他迅速将这一观察简单记录下来。在接下来的几天里，他研究了一种装置，该装置有助于更客观地测试他的偶然观察是否暗示了有关材料特性的信息。 之前的研究中得知，结晶发生在细玻璃管的一个小孔中。柴可拉斯基笔尖上的切口就像一个开放的毛细管。必须用一种机械装置代替手，以选定的固定速度举起管子。通过该装置，柴可拉斯基发表了关于测量结晶速率方法的论文。 很快，结晶速度测量方法的另一个好处被观察到：获得的金属线是单一金属水晶。这提供了许多科学家梦寐以求的机会，因为他们知道只有在单晶上才能测试许多金属物理特性。在柴可拉斯基的发现之前，还没有一种简单且廉价的金属晶体提炼方法。因此，冶金学家获得了生产此类材料的绝佳工具，即直拉法。有趣的是，柴可拉斯基没有为这项技术申请专利，也没有从中获得经济利益。他当时可能没有意识到这种方法的重要性，因为后来其他科学家注意到它可以用来生长大晶体。这为后来硅和锗晶体的生长技术提供了重要参考和依据。 1939年美国科学家拉塞尔·奥尔（Russell Shoemaker Ohl）发现了P-N结，并且在1946年注册了最早的现代太阳能电池的专利“光敏装置”专利。 奥尔的专业研究领域是某些类型晶体的行为。在上世纪30年代，他在贝尔实验室从事材料研究工作，研究范围涵盖高频无线、广播和军用雷达的二极管检测器。 奥尔在研究晶体的过程中，对晶体中的杂质进行的观察和分析，最后发现了P-N结及其工作机制。当时奥尔已进入贝尔实验室，并负责硅样品的研究。他在观察样品时，发现其中一个样品中间有一条裂缝。他注意到，在这个特定的样本中，当样本暴露在光线下时，电流会流过该样本。这条裂缝可能是在制作样品时形成的，实际上标志着不同杂质含量区域之间的边界，所以一侧是正掺杂，另一侧是负掺杂。奥尔无意中制造了一个P-N结，这是太阳能电池的基础。过多的正电荷在P-N结的一侧积累，过多的负电荷在结的另一侧积累，从而产生电场。当电池接入电路时，然后，撞击电池的入射光子可以给电子一个冲击并开始电流流动。 在后续的研究中，他得出结论，正是这些杂质使晶体的某些部分比其他部分更能抵抗电流，因此正是这些不同纯度区域之间的“屏障”使晶体正常工作。奥尔后来发现超纯锗是制造可重复和可用的二极管半导体材料的关键，所有二极管（包括 LED、激光二极管等）都是他作品的后代。后来，他在基于自己原先在二极管方面的工作，开发出第一个硅基太阳能电池。奥尔为他的太阳能电池申请了专利，该电池的效率约为百分之一。 在拉塞尔·奥尔研究P-N结的两年后，苏联科学家瓦迪姆·拉什卡廖夫开发了热探针法。该方法被应用于研究氧化亚铜和硫化银光电池和硒整流器的阻挡层。通过一系列实验，拉什卡廖夫证明了势垒层的两侧是半导体，这些半导体中的载流子符号相反。提出了一种新的势垒层形成机制并进行了理论研究。在他的论文中，他展示了一系列直接实验，以证明阻挡层和相邻电极之间存在半导体并确定其导电特性。确定半导体导电特性的最简单方法是确定热电动势的符号：冷电极获得正极空穴传导时带电，电子传导时带负电。 五、自贝尔太阳能电池的开发起，光伏行业进入了快速发展阶段 在贝尔实验室开发出硅基太阳能电池之前，太阳能电池技术的发展长期裹足不前。当时技术发展的阻碍主要是早期的太阳能电池技术转换效率极其低下。比如当时率先被发明的硒电池，其转换效率仅为0.5%，根本不具备应用基础，而提高转换效率则成为行业主攻的方向。然而，先驱者们进行了无数的试验，但最终都无功而返。直到贝尔实验室将硅投入太阳能电池的应用，才最终打破了太阳能转换效率的桎梏。 在1948年，贝尔实验室的晶体管专家戈登·基德·蒂尔（Gordon Kidd Teal）和约翰·B·利特尔（John B. Little）通过切克劳斯基法生长法生产出单晶锗。而后在晶体管技术发展过程中，蒂尔意识到如果使用单晶而不是当时使用的多晶材料制造该器件将会带来重大改进，并将克劳斯基法生长法改良用于生产单晶硅，使得贝尔实验室拥有了成熟的单晶硅生产技术。 而进入50年代初期，在贝尔实验室，美国物理化学家卡尔文·富勒（Calvin Fuller）和杰拉尔德·皮尔逊（Gerald Pearson）开创性地将硅晶体管从理论发展为实际工作设备。富勒被描述为实验家，而化学家富勒则学会了如何控制将硅转化为良好半导体器件的杂质的添加。 在他们对掺杂镓的硅进行的一项实验中，他们通过锂浴处理，无意中开发了一种非常好的太阳能电池。在阳光下，电线连接到P-N结，皮尔逊记录到一个显着的电流。 当富勒和皮尔逊继续致力于改进晶体管设备时，贝尔实验室的另一位同事达里尔·查宾（Daryl Chapin）开始致力于在潮湿条件下提供少量电力，因为他们难以在潮湿的地方保持干电池的能量。查宾在他的工作中对太阳能电池进行调查，他首先测试了商用硒电池，但发现它的能源效率仅为0.5%左右。 当皮尔逊听说查宾令人失望的硒太阳能电池时，他建议改用硅，并给了查宾一个他一直在测试的硅太阳能电池。查宾测得其效率为2.3%。由于它比硒好得多，查宾放弃了硒并专注于改进硅电池，当时的目标是达到 5.7% 的效率。经过数月的工作，他未能改进皮尔逊给他的第一个硅电池。一个问题是如何让硅形成良好的电接触，另一个问题是锂会在室温下进一步迁移到电池中，因此会使P-N结远离表面。 查宾随后猜测P-N结应该在表面附近，并向富勒寻求建议。两年前，富勒制造了一种结点靠近表面的装置，并制作了一些样品，他将磷蒸发到硅的正极。然而，经过一个月的工作，查宾发现效果不佳，他有一种预感，即闪亮的表面反射了阳光，而不是吸收了阳光。因此，他给电池涂上了无光泽的塑料涂层，并获得了大约 4% 的能量转换效率。 大约在这个时候，美国无线电公司在媒体上发布了一个重大声明，称它已经开发出一种核动力硅电池，以配合艾森豪威尔总统发起的和平原子能计划。它使用来自锶90的光子来激活流过P-N结的电流。这引起了贝尔实验室管理层的注意，并给太阳能电池研究团队施加了压力，要求他们取得成果。随后，富勒以查宾性能最好的电池为蓝本，通过切割长条，设计出了更好的电池。然后他用砷给硅带上负电荷，并用硼制造薄的正顶层。三个样品用无光泽的塑料涂层进行了处理并进行了测试，其中一个在 1954年初实现了近 6% 的能源效率。 1954年4月25日，贝尔公司的高管向公众展示了“贝尔太阳能电池”，展示了仅使用太阳能就能驱动21英寸摩天轮的电池。当时，媒体曾报道，将贝尔太阳能电池连接在一起可以以每平方码50瓦的速率提供电力，而RCA原子电池在同一面积上只能提供百万分之一瓦，效率相差近5千万倍。 至此，《纽约时报》评论道，硅太阳能电池“可能标志着新时代的开始，最终会实现人类最渴望的梦想之一，即将几乎无限量的太阳能应用于人类文明”。贝尔太阳能电池的出现正式代表了结晶硅型电池的崛起。 当贝尔实验室在向世人介绍太阳能电池时，人们的好奇心已被激发。虽然当时硅基太阳能电池技术已有了长足的发展，但商用光伏电池光电转换效率依然偏低，仅为2%，而且非常脆弱且制造成本高昂。 到1954年，包括霍夫曼电气公司（Hoffman Electronics Corporation）在内的几家制造商设法将效率提高到4.5%，但无法大范围实际应用。霍夫曼电气公司在使太阳能电池成为实用且有用的可再生能源方面取得了长足进步。从1957年到1960年，霍夫曼电气公司将其效率从 4.5% 提高到 14%，并降低了生产成本，使其成为能够广泛被推广的成功商业产品。霍夫曼电气公司的伟大成就之一是1958年发射的第一颗由太阳能电池供电的卫星先驱者1号，其太阳能电池板和面板就是霍夫曼光伏电池。 同样在1958年，美国信号兵团实验室的T·曼德尔科恩（T.Mandelkorn）制造了n-on-p硅光伏电池，这种电池更能抵抗辐射损伤，更适合太空。 短短几年间，太阳能电池的发电效率出现了翻倍增长，而表面钝化工艺的出现功不可没。1957年埃及裔美国工程师、物理学家、密码学家、发明家和企业家穆罕默德·阿塔拉（Mohamed M. Atalla）在贝尔实验室通过热氧化开发了硅表面钝化工艺。 阿塔拉最初的研究重点是解决硅表面态的问题。当时，锗和硅等半导体材料的导电性受到不稳定量子表面态的限制，由于表面存在不饱和键而产生悬空键，因此电子被困在表面。这阻止了电流可靠地穿透表面到达半导体硅层。由于表面状态问题，锗是早期半导体工业中晶体管和其他半导体器件的主要半导体材料选择，因为锗具有更高的载流子迁移率。 阿塔拉通过开发表面钝化工艺取得了突破。表面钝化工艺是半导体表面呈现惰性的过程，并且不会由于与空气或与晶体表面或边缘接触的其他材料相互作用而改变半导体特性。表面钝化工艺最早由阿塔拉在20世纪50年代后期开发。当时，他发现热生长二氧化硅层的形成大大降低了硅表面的电子态浓度，并发现了二氧化硅薄膜的重要特性，它可以保持P-N结的电气特性并防止这些电气特性因周围气体环境而变化。于是阿塔拉发现氧化硅层可用于电稳定硅表面，他开发了表面钝化工艺，这是一种新的半导体器件制造方法，涉及在硅晶片上涂上一层氧化硅绝缘层，以便电流可以可靠地渗透到下面的导电硅中。通过生长一层二氧化硅在硅晶片的顶部，能够阻止电流到达半导体层的表面状态。 阿塔拉的表面钝化方法是使硅集成电路无处不在成为可能的关键步骤，后来成为半导体行业的关键。对于表面钝化工艺，他开发了热氧化法，这是硅半导体技术的突破，因为它使硅的导电性和性能超越了锗，并且是导致硅取代锗成为主要半导体材料的突破。该工艺也为单片集成电路芯片奠定了基础，因为这是第一次在硅表面热生长高质量的二氧化硅绝缘膜，以保护下面的硅P-N结二极管和晶体管。集成电路芯片发展前，分立二极管和晶体管表现出相对较高的反向偏压结泄漏和较低的击穿电压，这是由单晶硅表面的高密度陷阱引起的。阿塔拉的表面钝化工艺成为解决这个问题的方法。他发现当在硅表面生长一层薄薄的二氧化硅时，P-N结截断表面，结的漏电流从10倍减少到100倍。这表明氧化物减少并稳定了许多界面和氧化物缺陷。硅表面的氧化物钝化允许制造具有显着改善的器件特性的二极管和晶体管，同时也有效地切断了沿硅表面的泄漏路径。他的表面氧化方法提供了一种对环境不敏感的半导体表面。这成为面板技术和集成电路芯片所必需的基本P-N结隔离能力。 前文提到霍夫曼电气公司在上世纪50年代末期实现了14%的高效商用光伏电池，其栅极接触技术起到了重大贡献。 使用了栅极技术的太阳能电池表面镀敷了金属栅线。电池在光照下，电子向正面集中，正电荷向背面集中，并分别被正面和背面的金属栅线所收集。在栅线将电流收集后，再集中输送到外电路。 主流商用太阳能电池通常采用丝网印刷的方式将金属浆料印刷在电池片表面，并烧结后形成栅线。该技术能显著降低串联电阻，从而提高光伏电池的效率。 霍夫曼电气公司的栅极接触技术在随后的几十年持续被发扬光大，逐步发展出LGBC激光刻槽埋栅电极(Laser groove bury contact)工艺、MWT金属穿孔卷绕(metallization wrap-through)技术、EWT发射极环绕穿通（emitter-wrap-through）技术以及OECO倾斜蒸发金属接触(Obliquely evaporated contact)工艺等等。栅极接触技术给后续光伏电池的其他增效降本方式提供了极具参考价值的思路，为后期光伏效率的持续提高提供了基础。 在1930至1960年的30年间，光伏技术得到了快速的飞跃，不论是基础的理论的进步，还是关键材料的发现，亦或是加工工艺革新，都大大提高了光伏电池的转换效率，使光伏电池的实用价值大大提高，让更多其能够在更多的场景得到应用。 在后续的60年间，光伏的技术发展至第三代，光伏行业不但追求高转换效率，也将绿色的思想纳入其中，同时关注低制造成本、环保、高效、长寿命，在生产过程中也逐渐注重对生态环境的友好。在下一期光伏技术简史中，我们将继续介绍光伏近一个甲子的技术沿革。 新湖期货黑色组 姜秋宇 执业资格号：F3007164 投资咨询资格号：Z0011553 审核人：李明玉 免责声明 本报告由新湖期货股份有限公司（以下简称新湖期货，投资咨询业务许可证号32090000）提供，无意针对或打算违反任何地区、国家、城市或其他法律管辖区域内的法律法规。除非另有说明，所有本报告的版权属于新湖期货。未经新湖期货事先书面授权许可，任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制、发布。如引用、刊发，须注明出处为新湖期货股份有限公司，且不得对本报告进行有悖原意的引用、删节和修改。本报告的信息均来源于公开资料和/或调研资料，所载的全部内容及观点公正，但不保证其内容的准确性和完整性。投资者不应单纯依靠本报告而取代个人的独立判断。本报告所载内容反映的是新湖期货在最初发表本报告日期当日的判断，新湖期货可发出其他与本报告所载内容不一致或有不同结论的报告，但新湖期货没有义务和责任去及时更新本报告涉及的内容并通知更新情况。新湖期货不对因投资者使用本报告而导致的损失负任何责任。新湖期货不需要采取任何行动以确保本报告涉及的内容适合于投资者，新湖期货建议投资者独自进行投资判断。本报告并不构成投资、法律、会计、税务建议或担保任何内容适合投资者，本报告不构成给予投资者投资咨询建议。
一、在碳中和背景下，光伏产业在我国能源结构中的地位愈发重要 在全球气候变暖大背景下，可再生能源开发利用日益受到国际社会的重视，大力发展可再生能源已成为世界各国的共识。 2020年12月12日，习近平总书记在气候雄心峰会上提出“3060”碳达峰碳中和目标，并强调：“到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比 2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，森林蓄积量将比2005年增加60亿立方米，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。” 2022全年光伏发电量为4276亿千瓦时，同比增长30.8%，约占全国全年总发电量的4.9%。 2022年全国新增光伏并网装机容量 87.41GW。累计光伏并网装机容量达到392.6GW，新增和累计装机容量均为全球第一。预计 2023 年光伏新增装机量超过 95GW，累计装机有望超过 487.6GW。 根据《“十四五”现代能源体系规划》，太阳能产业的发展将在这个五年计划内得到提速。我国将重点在中部与东部进行分布式光伏建设；在黄河上游、新疆、冀北等地大力发展多能互补清洁能源基地建设。同时提高光伏发电功率预测水平，开展光伏发电制氢示范，积极完善并网标准体系推广光伏发电与建设一体化应用。 进入“十四五”至今，国家能源局、国家发改委、财政部、住建部发布了一大波利好政策支持光伏产业发展，也给五年计划光伏产业后续的健康有序发展打下了良好的政策基调，更凸显了光伏发电产业在我国能源结构和战略中扮演着越来越重要的地位。 本文意在通过对光伏技术的梳理和回顾，来介绍光伏技术的历史沿革，便于让光伏相关大宗商品的业者更好地了解光伏行业的起源、演变和发展规律。 二、光伏发电的基本原理是利用半导体的光生伏特效应 光伏发电的工作原理是光伏技术的基石，了解光伏发电的原理更便于梳理光伏技术的发展和演变。 光伏发电的基本原理是利用半导体的光生伏特效应（Photovoltaic Effect，PV），其本质是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。 在该效应中，光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。有了电压，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。 在实际应用中，采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为P-N结。而太阳光照在半导体P-N结上，形成新的空穴-电子对，在P-N结电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后就形成电流。 三、根据最新的行业技术迭代分类，光伏可分为三代 关于目前主流的光伏的三代分类，不得不提及“太阳能之父”的马丁·格林（Martin Green）教授。 澳大利亚新南威尔士大学教授马丁·格林为澳大利亚科学院院士，在光伏领域做出了杰出贡献，是全球太阳能电池领域的权威，被誉为“太阳能之父”先后被授予多项国际奖项，曾获得2002年诺贝尔环境奖。 马丁·格林率先提出了“第3代太阳能电池”的概念。在此前，他已明确一代硅基太阳能电池性能的理论极限，并带领团队展示出了效率不断逼近该极限的电池装置，并作为先行者推动了以类卡诺循环太阳能转换效率为目标的“第三代”光伏的发展。 在格林的理论中，结晶硅型属于第1代太阳能电池，非晶硅型等薄膜太阳能电池属于第2代太阳能电池，而第三代光伏电池是有潜力克服单带隙太阳能电池功率效率 31-41% 的Shockley-Queisser辐射效率极限的太阳能电池。 本文在梳理光伏技术发展历史的同时，也将分不同代数介绍对应光伏技术的沿革。 四、从光生伏特效应的发现至今，光伏产业的技术发展已经历了近两百年时光 上文提及的光生伏特效应的发现，代表光伏技术的起点。该效应首先由法国科学家亚历山大·埃德蒙·贝克雷尔在1839年一场实验中意外发现。 实验中，贝克雷尔缓慢地将两片铂金属电极插入到氯化银酸性溶液中，在测量在这些电极之间流动的电流时，他发现，光线中的电流略大于黑暗中的电流；他将这种现象被命名为光生伏特效应。而学界普遍认为，贝克雷尔用于实验的装置是世上第一个光伏电池，而贝克雷尔是第一个发现光生伏特效应的人，因此光伏效应又被称为“贝克勒效应”（Becquerel Effect）。 1876年，英国国王学院的威廉·格里尔斯·亚当斯（William Grylls Adams）教授和他的学生理查德·埃文斯·戴（Richard Evans Day）发现硒在光照下可以发电。 后期他们对硒进行了几次实验，在其中一次试验中，他们点燃了一根蜡烛，距离硒条一英寸远。他们的测量装置上的指针立即做出反应。从光中筛选硒导致针瞬间下降到零。这些快速反应排除了蜡烛火焰的热量产生电流（称为热电）的可能性。在热电实验中施加或撤走热量时，监测针总是非常“缓慢”地上升或下降。当应用某种形式的光时，情况显然不是这样。因此，他们确信自己发现了一些全新的东西——光在固体材料中引起“电流”。他们将光产生的电流称为“光电”。 后来，现代科学家将这种现象称为“光伏效应”。它证明可以将太阳能直接转化为电能，而无需任何移动部件或热量。 随后亚当斯和戴发表了名为《The action of light on selenium》的文章，为未来太阳能模块的研发提供了一定理论基础。 1866 年，英国电器工程师威洛比·史密斯（Willoughby Smith）开发了一种在铺设水下电缆时连续测试的方法。对于他的测试电路，他需要一种具有高电阻的半导体材料，并为此选择了硒棒。在他初始研究的推导中，硒应该可以很好地完成这项工作，但在实际使用中，该设备给出了不一致的结果。经过史密斯的调查发现，硒棒在强光照射下的电导率较普通光照情况下明显增加。 后来史密斯在1873年2月12日电报工程师协会会议上发表的一篇论文中将他的研究描述为“硒的电气特性和光对其的影响”，他的这一发现助推了光伏电池的发明。2017年，基于史密斯在硒研究方面的杰出贡献，美国国家电视艺术与科学学院给他颁发了光电转换概念领域的技术与工程艾美奖。 在前人研究的基础上，第一个“真正”工作的太阳能模块由美国发明家查尔斯·埃德加·弗里茨 (Charles Edgar Fritts) 于 1883 年建造。 弗里茨通过在一块宽铜板上涂上硒，然后在上面覆盖一层极薄的半透明金箔来构建模块，并将其安装在屋顶上。根据弗里茨的报告，该模块产生了“连续、恒定且具有相当大的力量”的电流。电流不仅对阳光有反应，而且对昏暗的日光甚至烛光也有反应。 在像硒这样的材料中，一些光子携带的能量足以将失去控制的电子从它们的原子轨道上撞击下来。当电线连接到硒条上时，释放的电子以电流的形式流过它们。由于硒的特性，所得模块的电转换效率仅为 1%。除了硒的成本外，黄金的高成本也使得这些早期的太阳能组件在商业上不可行。 然而，弗里茨将他的一块太阳能电池板寄给了世界著名的德国物理学家，维尔纳·冯·西门子（Ernst Werner von Siemens）。将面板置于光照下时的电力输出给西门子留下了深刻印象，并将 Fritts 的面板展示给了普鲁士皇家科学院。西门子向科学界宣称，美国的模块“首次向我们展示了将光能直接转换为电能”。 1887年，著名的德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）在研究紫外光的光电导性并发现了光电效应。当时，赫兹对光电效应以及电磁波的产生和接收进行了观察，发表在《Annalen der Physik》杂志上。 赫兹的实验使用一个由带有火花隙的线圈组成的接收器，因此在检测到电磁波时会看到火花。他把仪器放在一个黑暗的盒子里，以便更好地观察火花。他观察到在盒子中的最大火花长度减少了。放置在电磁波源和接收器之间的玻璃面板吸收了紫外线，帮助电子跳过间隙。移除后，火花长度会增加。当他用石英代替玻璃时，他观察到火花长度没有减少，因为石英不吸收紫外线辐射。虽然后续赫兹没有进一步研究这种效应，也没有试图解释观察到的现象是如何产生的，但是他的发现给未来阿尔伯特·爱因斯坦对该现象推导出正确理论机制提供了契机。 1887年，詹姆斯·摩泽尔（James Moser）将染料敏化效应用到卤化银电极上，通过使用染料赤藓红将染料增强的概念从摄影带到了光电化学电池。这一发现一直影响到了第三代光伏电池的发展，目前染料敏化太阳能电池(DSC) 已被考虑下一代太阳能电池的候选者之一。 1888年，德国的物理学家威廉·霍尔瓦克斯（Wilhelm Ludwig Franz Hallwachs）提出了一个假设，即在其上聚焦紫外线的导电板带有正电荷，因为在硒的强度更高时，电子被撞击出导电板。这种现象被称为“霍尔瓦克斯”，现在称为光电效应，对光电效应的研究为光电池、光电和爱因斯坦的量子光假说的发展奠定了基础。后来在1904年，霍尔瓦克斯用铜和氧化铜制造了半导体结太阳能电池。 俄罗斯物理学家、电气工程创始人亚历山大·斯托列托夫 (Alexander Stoletov)在同年发现外层光电效应的规律和原理，并基于赫兹的理论组建了第一个基于外光电效应的太阳能电池，并估算了光电电流的响应时间。 1901年德国物理学家菲利普·冯·莱纳德（Philipp von Lenard）观察到电子能量随光频率的变化。 莱纳德的窗管装置出现之前，阴极射线一般是通过原始的、部分抽空的玻璃管来产生的，这些玻璃管中有金属电极，可以在其上施加高压。使用这种布置很难研究阴极射线，因为它们位于密封的玻璃管内，难以接近，而且射线存在于空气分子中。莱纳德克服了这些问题，他设计了一种在玻璃上制作金属小窗的方法，这些小窗的厚度足以承受压力差，但又足够薄以允许光线通过。为光线制作了一个窗口，他可以将它们传递到实验室，或者，也可以传递到另一个完全抽空的房间。这些窗户后来被称莱纳德窗户。他能够通过涂有磷光材料的纸片方便地检测射线并测量它们的强度。 莱纳德观察到，阴极射线的吸收率与它们要通过的材料的密度成正比。这似乎与它们是某种电磁辐射的想法相矛盾。他还表明，射线可以穿过几英寸厚的正常密度的空气，并且看起来会被它散射，这意味着它们一定是比空气中的分子更小的粒子，最终得出这样的理解：阴极射线是带负电的高能粒子流。他表明在真空中用紫外线照射金属所产生的射线在许多方面与阴极射线相似。他最重要的观察是光线的能量与光强度无关，但对于较短波长的光来说能量更大。 1905年6月，爱因斯坦发表了他的重磅论文《关于光的产生和转化的一个启示性的观点》，成功地解释了光电效应，并写出了功函数方程来解释光电效应。1907年，爱因斯坦提供了基于他1905年的光子量子假设的光电效应的理论解释。爱因斯坦对光电效应的解释让他在1921年获得了当年的诺贝尔物理学奖。 爱因斯坦的研究成果给光伏领域提供了基础物理理论上的坚实支撑，并大大推动了光伏技术的快速发展。 1916年，波兰化学家扬·柴可拉斯基（Jan Czochralski）发现了提纯单晶硅的拉晶工艺。该工艺后来为第一代光伏技术的发展做出了巨大贡献。 当时正值第一次世界大战，柴可拉斯基迫切寻找一种方法来测量金属合金的结晶速度。在多轮实验无果后的休息期间，柴可拉斯基意外将钢笔蘸进了正在冷却的熔化锡罐中，并观察到了笔尖金属线的变化。 一系列迅速而系统的实验表明，他拔笔越快，金属线越短。为了不忘记这种有趣的现象，他迅速将这一观察简单记录下来。在接下来的几天里，他研究了一种装置，该装置有助于更客观地测试他的偶然观察是否暗示了有关材料特性的信息。 之前的研究中得知，结晶发生在细玻璃管的一个小孔中。柴可拉斯基笔尖上的切口就像一个开放的毛细管。必须用一种机械装置代替手，以选定的固定速度举起管子。通过该装置，柴可拉斯基发表了关于测量结晶速率方法的论文。 很快，结晶速度测量方法的另一个好处被观察到：获得的金属线是单一金属水晶。这提供了许多科学家梦寐以求的机会，因为他们知道只有在单晶上才能测试许多金属物理特性。在柴可拉斯基的发现之前，还没有一种简单且廉价的金属晶体提炼方法。因此，冶金学家获得了生产此类材料的绝佳工具，即直拉法。有趣的是，柴可拉斯基没有为这项技术申请专利，也没有从中获得经济利益。他当时可能没有意识到这种方法的重要性，因为后来其他科学家注意到它可以用来生长大晶体。这为后来硅和锗晶体的生长技术提供了重要参考和依据。 1939年美国科学家拉塞尔·奥尔（Russell Shoemaker Ohl）发现了P-N结，并且在1946年注册了最早的现代太阳能电池的专利“光敏装置”专利。 奥尔的专业研究领域是某些类型晶体的行为。在上世纪30年代，他在贝尔实验室从事材料研究工作，研究范围涵盖高频无线、广播和军用雷达的二极管检测器。 奥尔在研究晶体的过程中，对晶体中的杂质进行的观察和分析，最后发现了P-N结及其工作机制。当时奥尔已进入贝尔实验室，并负责硅样品的研究。他在观察样品时，发现其中一个样品中间有一条裂缝。他注意到，在这个特定的样本中，当样本暴露在光线下时，电流会流过该样本。这条裂缝可能是在制作样品时形成的，实际上标志着不同杂质含量区域之间的边界，所以一侧是正掺杂，另一侧是负掺杂。奥尔无意中制造了一个P-N结，这是太阳能电池的基础。过多的正电荷在P-N结的一侧积累，过多的负电荷在结的另一侧积累，从而产生电场。当电池接入电路时，然后，撞击电池的入射光子可以给电子一个冲击并开始电流流动。 在后续的研究中，他得出结论，正是这些杂质使晶体的某些部分比其他部分更能抵抗电流，因此正是这些不同纯度区域之间的“屏障”使晶体正常工作。奥尔后来发现超纯锗是制造可重复和可用的二极管半导体材料的关键，所有二极管（包括 LED、激光二极管等）都是他作品的后代。后来，他在基于自己原先在二极管方面的工作，开发出第一个硅基太阳能电池。奥尔为他的太阳能电池申请了专利，该电池的效率约为百分之一。 在拉塞尔·奥尔研究P-N结的两年后，苏联科学家瓦迪姆·拉什卡廖夫开发了热探针法。该方法被应用于研究氧化亚铜和硫化银光电池和硒整流器的阻挡层。通过一系列实验，拉什卡廖夫证明了势垒层的两侧是半导体，这些半导体中的载流子符号相反。提出了一种新的势垒层形成机制并进行了理论研究。在他的论文中，他展示了一系列直接实验，以证明阻挡层和相邻电极之间存在半导体并确定其导电特性。确定半导体导电特性的最简单方法是确定热电动势的符号：冷电极获得正极空穴传导时带电，电子传导时带负电。 五、自贝尔太阳能电池的开发起，光伏行业进入了快速发展阶段 在贝尔实验室开发出硅基太阳能电池之前，太阳能电池技术的发展长期裹足不前。当时技术发展的阻碍主要是早期的太阳能电池技术转换效率极其低下。比如当时率先被发明的硒电池，其转换效率仅为0.5%，根本不具备应用基础，而提高转换效率则成为行业主攻的方向。然而，先驱者们进行了无数的试验，但最终都无功而返。直到贝尔实验室将硅投入太阳能电池的应用，才最终打破了太阳能转换效率的桎梏。 在1948年，贝尔实验室的晶体管专家戈登·基德·蒂尔（Gordon Kidd Teal）和约翰·B·利特尔（John B. Little）通过切克劳斯基法生长法生产出单晶锗。而后在晶体管技术发展过程中，蒂尔意识到如果使用单晶而不是当时使用的多晶材料制造该器件将会带来重大改进，并将克劳斯基法生长法改良用于生产单晶硅，使得贝尔实验室拥有了成熟的单晶硅生产技术。 而进入50年代初期，在贝尔实验室，美国物理化学家卡尔文·富勒（Calvin Fuller）和杰拉尔德·皮尔逊（Gerald Pearson）开创性地将硅晶体管从理论发展为实际工作设备。富勒被描述为实验家，而化学家富勒则学会了如何控制将硅转化为良好半导体器件的杂质的添加。 在他们对掺杂镓的硅进行的一项实验中，他们通过锂浴处理，无意中开发了一种非常好的太阳能电池。在阳光下，电线连接到P-N结，皮尔逊记录到一个显着的电流。 当富勒和皮尔逊继续致力于改进晶体管设备时，贝尔实验室的另一位同事达里尔·查宾（Daryl Chapin）开始致力于在潮湿条件下提供少量电力，因为他们难以在潮湿的地方保持干电池的能量。查宾在他的工作中对太阳能电池进行调查，他首先测试了商用硒电池，但发现它的能源效率仅为0.5%左右。 当皮尔逊听说查宾令人失望的硒太阳能电池时，他建议改用硅，并给了查宾一个他一直在测试的硅太阳能电池。查宾测得其效率为2.3%。由于它比硒好得多，查宾放弃了硒并专注于改进硅电池，当时的目标是达到 5.7% 的效率。经过数月的工作，他未能改进皮尔逊给他的第一个硅电池。一个问题是如何让硅形成良好的电接触，另一个问题是锂会在室温下进一步迁移到电池中，因此会使P-N结远离表面。 查宾随后猜测P-N结应该在表面附近，并向富勒寻求建议。两年前，富勒制造了一种结点靠近表面的装置，并制作了一些样品，他将磷蒸发到硅的正极。然而，经过一个月的工作，查宾发现效果不佳，他有一种预感，即闪亮的表面反射了阳光，而不是吸收了阳光。因此，他给电池涂上了无光泽的塑料涂层，并获得了大约 4% 的能量转换效率。 大约在这个时候，美国无线电公司在媒体上发布了一个重大声明，称它已经开发出一种核动力硅电池，以配合艾森豪威尔总统发起的和平原子能计划。它使用来自锶90的光子来激活流过P-N结的电流。这引起了贝尔实验室管理层的注意，并给太阳能电池研究团队施加了压力，要求他们取得成果。随后，富勒以查宾性能最好的电池为蓝本，通过切割长条，设计出了更好的电池。然后他用砷给硅带上负电荷，并用硼制造薄的正顶层。三个样品用无光泽的塑料涂层进行了处理并进行了测试，其中一个在 1954年初实现了近 6% 的能源效率。 1954年4月25日，贝尔公司的高管向公众展示了“贝尔太阳能电池”，展示了仅使用太阳能就能驱动21英寸摩天轮的电池。当时，媒体曾报道，将贝尔太阳能电池连接在一起可以以每平方码50瓦的速率提供电力，而RCA原子电池在同一面积上只能提供百万分之一瓦，效率相差近5千万倍。 至此，《纽约时报》评论道，硅太阳能电池“可能标志着新时代的开始，最终会实现人类最渴望的梦想之一，即将几乎无限量的太阳能应用于人类文明”。贝尔太阳能电池的出现正式代表了结晶硅型电池的崛起。 当贝尔实验室在向世人介绍太阳能电池时，人们的好奇心已被激发。虽然当时硅基太阳能电池技术已有了长足的发展，但商用光伏电池光电转换效率依然偏低，仅为2%，而且非常脆弱且制造成本高昂。 到1954年，包括霍夫曼电气公司（Hoffman Electronics Corporation）在内的几家制造商设法将效率提高到4.5%，但无法大范围实际应用。霍夫曼电气公司在使太阳能电池成为实用且有用的可再生能源方面取得了长足进步。从1957年到1960年，霍夫曼电气公司将其效率从 4.5% 提高到 14%，并降低了生产成本，使其成为能够广泛被推广的成功商业产品。霍夫曼电气公司的伟大成就之一是1958年发射的第一颗由太阳能电池供电的卫星先驱者1号，其太阳能电池板和面板就是霍夫曼光伏电池。 同样在1958年，美国信号兵团实验室的T·曼德尔科恩（T.Mandelkorn）制造了n-on-p硅光伏电池，这种电池更能抵抗辐射损伤，更适合太空。 短短几年间，太阳能电池的发电效率出现了翻倍增长，而表面钝化工艺的出现功不可没。1957年埃及裔美国工程师、物理学家、密码学家、发明家和企业家穆罕默德·阿塔拉（Mohamed M. Atalla）在贝尔实验室通过热氧化开发了硅表面钝化工艺。 阿塔拉最初的研究重点是解决硅表面态的问题。当时，锗和硅等半导体材料的导电性受到不稳定量子表面态的限制，由于表面存在不饱和键而产生悬空键，因此电子被困在表面。这阻止了电流可靠地穿透表面到达半导体硅层。由于表面状态问题，锗是早期半导体工业中晶体管和其他半导体器件的主要半导体材料选择，因为锗具有更高的载流子迁移率。 阿塔拉通过开发表面钝化工艺取得了突破。表面钝化工艺是半导体表面呈现惰性的过程，并且不会由于与空气或与晶体表面或边缘接触的其他材料相互作用而改变半导体特性。表面钝化工艺最早由阿塔拉在20世纪50年代后期开发。当时，他发现热生长二氧化硅层的形成大大降低了硅表面的电子态浓度，并发现了二氧化硅薄膜的重要特性，它可以保持P-N结的电气特性并防止这些电气特性因周围气体环境而变化。于是阿塔拉发现氧化硅层可用于电稳定硅表面，他开发了表面钝化工艺，这是一种新的半导体器件制造方法，涉及在硅晶片上涂上一层氧化硅绝缘层，以便电流可以可靠地渗透到下面的导电硅中。通过生长一层二氧化硅在硅晶片的顶部，能够阻止电流到达半导体层的表面状态。 阿塔拉的表面钝化方法是使硅集成电路无处不在成为可能的关键步骤，后来成为半导体行业的关键。对于表面钝化工艺，他开发了热氧化法，这是硅半导体技术的突破，因为它使硅的导电性和性能超越了锗，并且是导致硅取代锗成为主要半导体材料的突破。该工艺也为单片集成电路芯片奠定了基础，因为这是第一次在硅表面热生长高质量的二氧化硅绝缘膜，以保护下面的硅P-N结二极管和晶体管。集成电路芯片发展前，分立二极管和晶体管表现出相对较高的反向偏压结泄漏和较低的击穿电压，这是由单晶硅表面的高密度陷阱引起的。阿塔拉的表面钝化工艺成为解决这个问题的方法。他发现当在硅表面生长一层薄薄的二氧化硅时，P-N结截断表面，结的漏电流从10倍减少到100倍。这表明氧化物减少并稳定了许多界面和氧化物缺陷。硅表面的氧化物钝化允许制造具有显着改善的器件特性的二极管和晶体管，同时也有效地切断了沿硅表面的泄漏路径。他的表面氧化方法提供了一种对环境不敏感的半导体表面。这成为面板技术和集成电路芯片所必需的基本P-N结隔离能力。 前文提到霍夫曼电气公司在上世纪50年代末期实现了14%的高效商用光伏电池，其栅极接触技术起到了重大贡献。 使用了栅极技术的太阳能电池表面镀敷了金属栅线。电池在光照下，电子向正面集中，正电荷向背面集中，并分别被正面和背面的金属栅线所收集。在栅线将电流收集后，再集中输送到外电路。 主流商用太阳能电池通常采用丝网印刷的方式将金属浆料印刷在电池片表面，并烧结后形成栅线。该技术能显著降低串联电阻，从而提高光伏电池的效率。 霍夫曼电气公司的栅极接触技术在随后的几十年持续被发扬光大，逐步发展出LGBC激光刻槽埋栅电极(Laser groove bury contact)工艺、MWT金属穿孔卷绕(metallization wrap-through)技术、EWT发射极环绕穿通（emitter-wrap-through）技术以及OECO倾斜蒸发金属接触(Obliquely evaporated contact)工艺等等。栅极接触技术给后续光伏电池的其他增效降本方式提供了极具参考价值的思路，为后期光伏效率的持续提高提供了基础。 在1930至1960年的30年间，光伏技术得到了快速的飞跃，不论是基础的理论的进步，还是关键材料的发现，亦或是加工工艺革新，都大大提高了光伏电池的转换效率，使光伏电池的实用价值大大提高，让更多其能够在更多的场景得到应用。 在后续的60年间，光伏的技术发展至第三代，光伏行业不但追求高转换效率，也将绿色的思想纳入其中，同时关注低制造成本、环保、高效、长寿命，在生产过程中也逐渐注重对生态环境的友好。在下一期光伏技术简史中，我们将继续介绍光伏近一个甲子的技术沿革。 新湖期货黑色组 姜秋宇 执业资格号：F3007164 投资咨询资格号：Z0011553 审核人：李明玉 免责声明 本报告由新湖期货股份有限公司（以下简称新湖期货，投资咨询业务许可证号32090000）提供，无意针对或打算违反任何地区、国家、城市或其他法律管辖区域内的法律法规。除非另有说明，所有本报告的版权属于新湖期货。未经新湖期货事先书面授权许可，任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制、发布。如引用、刊发，须注明出处为新湖期货股份有限公司，且不得对本报告进行有悖原意的引用、删节和修改。本报告的信息均来源于公开资料和/或调研资料，所载的全部内容及观点公正，但不保证其内容的准确性和完整性。投资者不应单纯依靠本报告而取代个人的独立判断。本报告所载内容反映的是新湖期货在最初发表本报告日期当日的判断，新湖期货可发出其他与本报告所载内容不一致或有不同结论的报告，但新湖期货没有义务和责任去及时更新本报告涉及的内容并通知更新情况。新湖期货不对因投资者使用本报告而导致的损失负任何责任。新湖期货不需要采取任何行动以确保本报告涉及的内容适合于投资者，新湖期货建议投资者独自进行投资判断。本报告并不构成投资、法律、会计、税务建议或担保任何内容适合投资者，本报告不构成给予投资者投资咨询建议。
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