淺談太陽能電池的發(fā)展和趨勢

葉鑫

（長江大學物理與光電工程學院 湖北荊州 434020）

摘要：隨著社會的飛速發(fā)展，能源是影響當今社會進步的重要因素，但是現(xiàn)階段人類社會發(fā)展大部分還是依靠化石能源提供能量?？墒腔茉捶植紭O不均衡，并且不可再生，而且燃燒化石能源帶來的環(huán)境污染、霧霾氣候和溫室效應(yīng)嚴重影響到了人類社會的可持續(xù)發(fā)展。然而太陽能是一種可再生清潔能源，可以提供充足的能量供人類使用，因此開發(fā)新能源，是人類社會薪火相傳，世代相傳的重要保證。相對于風能、地熱能、生物能和潮汐能等新能源，太陽能以污染小、可利用率高、資源分布廣泛和使用安全可靠等優(yōu)點，成為最具有發(fā)展前景的能源之一。目前，隨著太陽能電池制備技術(shù)的不斷完善，其技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用已經(jīng)走向商業(yè)化、大眾化，特別是一些小功率、小器件的太陽能電池在一些地區(qū)都已經(jīng)大量生產(chǎn)而且廣泛使用。所以誰先開發(fā)光電轉(zhuǎn)換效率高、制備成本低的太陽能電池就能在將來的市場搶占先機。

關(guān)鍵詞：太陽能；薄膜電池；趨勢

不可再生能源的過快消耗對當今的環(huán)境形勢提出了新的挑戰(zhàn)。例如如何解決溫室效應(yīng)，臭氧空洞等問題。有限的化石能源以及在開發(fā)利用不可再生能源的過程中出現(xiàn)的負面影響，不僅阻礙了人類經(jīng)濟的飛速發(fā)展，而且還嚴重影響到社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，發(fā)展一種新型能源已然成為世界各國提升自己綜合國力和倡導(dǎo)能源發(fā)展的一個重要手段。

一、太陽能電池的發(fā)展

（一）第一代太陽能電池

第一代太陽能電池是發(fā)展時間最久，制備工藝最為成熟的一代電池，一般按照研究對象我們將其可分為單晶硅、多晶硅、非晶硅電池。按照應(yīng)用程度來說前兩者單晶硅與多晶硅在市場所占份額最多，商業(yè)前景最好。

單晶硅太陽電池和多晶硅太陽電池。從單晶硅太陽能電池發(fā)明開始到現(xiàn)在，盡管硅材料有各種問題，但仍然是目前太陽能電池的主要材料，其比例約占整個太陽電池產(chǎn)量的90%以上。我國北京市太陽能研究所從20世紀90年代起開始進行高效電池研究，采用倒金字塔表面織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、背場等技術(shù)，使單晶硅太陽能電池的效率達到了19.8%。多晶硅太陽能電池的研究開發(fā)成本較低，穩(wěn)定性也比較好，這兩大優(yōu)勢引起了科研工作者的注意。其光電轉(zhuǎn)換效率隨著制備工藝的成熟不斷提高，它達到的最高的光電轉(zhuǎn)換效率為21.9%，但是它的電池效率在目前的太陽能電池中仍處于一般水平。

（二）第二代太陽能電池

第二代太陽能電池以各種薄膜為基底制造出的電池。膜技術(shù)所需的材料較晶體硅太陽電池少得多，且易于實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。薄膜電池主要有非晶硅薄膜電池、多晶硅薄膜電池、碲化鎘以及銅銦硒薄膜電池。我國南開大學于20世紀80年代末開始研究銅銦硒薄膜電池，目前在該研究領(lǐng)域處國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進地位。其制備的銅銦硒太陽電池的效率已經(jīng)超過12%。銅銦硒薄膜太陽電池的試生產(chǎn)線亦已建成。我國在染料敏化納米薄膜太陽電池的科學研究和產(chǎn)業(yè)化研究上都與世界研究水平相接近。在染料敏化劑、納米薄膜修飾和電池光電效率上都取得與世界相接近的科研水平，在該領(lǐng)域其有一定的影響。其唯一的問題是材料的來源，電池中的一些元素如銦、鎵等屬于稀有元素，導(dǎo)致了這種電池價格昂貴，從而限制了其大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。但是鎘的劇毒性讓人們對它望而卻步，進而制約了以CdS和CdTe等為材料的電池的發(fā)展。GaAs、InGaAs、CIGS、InGaAs等電池具有較高的轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性。其唯一的問題是材料的來源，電池中的一些元素如銦、鎵等屬于稀有元素，導(dǎo)致了這種電池價格昂貴，從而限制了其大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。

（三）第三代太陽能電池

第三代太陽電池必須具有以下條件：薄膜化，轉(zhuǎn)換效率高，原料豐富且無毒。目前第三代太陽電池還在進行概念和簡單的試驗研究。已經(jīng)提出的第三代太陽電池主要有疊層太陽電池、多帶隙太陽電等。雖然太陽能電池材料的研究已到了第三個階段，但是在工藝技術(shù)的成熟程度和制造成本上，都不能和常規(guī)的硅太陽能電池相提并論。硅太陽能電池的制造成本經(jīng)過幾十年的努力終于有了大幅度的降低，但是與常規(guī)能源相比，仍然比較昂貴，這又限制了它的進一步大規(guī)模應(yīng)用。鑒于此點，開發(fā)低成本，高效率的太陽能電池材料仍然有很長的路要走。在制備過程中加入了有機物和實施了納米技術(shù)，為了進一步改善前兩代電池存在問題，使電池的光電性能及轉(zhuǎn)換效率得到提高，近些年各國科學界將研究重點放到了疊層式薄膜太陽能電池的研究。由于在研發(fā)試驗過程中表現(xiàn)出比前兩代電池具有更強的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。目前已知電池種類有光化學太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池、納米晶太陽能電池。其中有機物和無機物的優(yōu)勢結(jié)合在一起就形成了有機/無機雜化太陽能電池。電子傳輸層一般是用TiO2作為基底材料，這種無空穴傳輸層的電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性相比之前幾代都有所提高。有機太陽能電池是近些年來發(fā)展起來的一種新的太陽能電池但由于其載流子遷移率低的不足，使得有機聚合物太陽能電池短時間內(nèi)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化很難。

二、 太陽能電池的未來發(fā)展趨勢

薄膜電池需要技術(shù)突破。無錫尚德在薄膜太陽能領(lǐng)域的知難而退，在某些業(yè)內(nèi)人士看來，并非意味著薄膜電池已經(jīng)沒有出路，只是無錫尚德更好發(fā)揮自身的技術(shù)優(yōu)勢下的市場化選擇。業(yè)內(nèi)人士表示，美國第一太陽能的薄膜電池產(chǎn)品，轉(zhuǎn)化率達到11%-12%。無錫尚德相比差距較大，故而作出關(guān)停薄膜電池生產(chǎn)線的選擇也在情理之中。

由于在建設(shè)荒漠電站中，薄膜電池弱光響應(yīng)較好的技術(shù)特點，在國內(nèi)，也不乏將薄膜太陽能電池作為進軍光伏產(chǎn)業(yè)突破口的上市公司。其中，綜藝股份旗下的江蘇綜藝光伏有限公司首條26MW薄膜太陽能電池生產(chǎn)線已于2009年底正式投產(chǎn)。公司可以為市場提供初始效率達到8.8%、穩(wěn)定轉(zhuǎn)化效率達到7%以上的非晶硅薄膜太陽能電池。公司的非晶硅薄膜項目，由于采用普通玻璃，使用自鍍導(dǎo)電膜等工藝，使其較同行有一定成本優(yōu)勢。

有機薄膜太陽能電池使用塑料等質(zhì)輕柔軟的材料為基板，因此，它的實用化程度極高。研究人員表示，通過進一步研究，希望能開發(fā)出轉(zhuǎn)換率達20%、可投入實際使用的有機薄膜太陽能電池。由此可見，未來5年內(nèi)薄膜太陽能電池將會大幅降低成本，到時候這種薄膜太陽能電池將廣泛用于各個行業(yè)，例如窗簾、手表、計算器、甚至服裝行業(yè)。

科學家就發(fā)明了一種太陽能電池，這種電池比頭發(fā)還要細。因為其所使用的半導(dǎo)體原料遠較一般太陽能電池為少，所以可解決太陽能電池價格高昂的問題。后來，研究人員使用稱為CIS的復(fù)合半導(dǎo)體的技術(shù)，將2～3微米厚的CIS放在玻璃等物料上，制成薄膜太陽能電池。它比傳統(tǒng)以矽制成的太陽能電池薄100倍，實際上比頭發(fā)還要薄，它亦較輕和使用較少半導(dǎo)體物料，成本較低并可大量使用。

傳統(tǒng)的矽電池需大量半導(dǎo)體物料，價格昂貴，而且由于較笨重，其應(yīng)用范圍受限制。然而，薄膜電池卻只需要將廉價物料放在諸如塑膠等有彈性的表面上便可，成本交底而且攜帶方便。目前，世界上至少有40個國家在研發(fā)這種低成本、高效率的薄膜太陽能電池。

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