国外太阳电池技术研发动态

本刊 刘春娜

2011年以来，作为可再生能源代表之一的太阳电池，新技术研发层出不穷。尤其自日本福岛核电站事故发生以后，与太阳电池新技术开发相关的报道日益增多。太阳电池产业迎来了新的发展机遇，世界各国对太阳电池的发展更加重视。

1 日本

在核电站事故之后，日本各方加速了对太阳电池的研发。

东京大学与夏普在2011年4月利用计算机解析找到了实现转换效率在75%以上量子点太阳电池的方法。如果在半导体的结晶上形成几nm至20 nm的微细构造，便会具备封闭电子的性质。这一构造被称为量子点。利用量子点的尺寸，可以改变电子吸收的光线的波长。研究人员使多层铺满量子点的面重叠，构成厚度为10 μm的电池。通过优化量子点的配置等，使红外线也转化为电力，实现较高的转换效率。据2011年6月的媒体报道，东京大学的研发小组还开发出了易于吸收波长在700 nm以上光线的色素，通过让利用现有色素的电池和利用新色素制成的电池重叠，得到了11.3%的转换效率。

京都大学的研究小组2011年5月通过在有机薄膜太阳电池上增加多个色素，成功扩大了可用光线范围的研究成果。通过增加可吸收红外线和紫外线的色素，可将红外线、可见光乃至紫外线等较广光谱范围的光转化为电力。作为有机半导体，研究者使用了塑料，以前只能利用可见光。

三菱化学于2011年6月成功将有机薄膜太阳电池(OPV)的光电转换效率提升至全球最高的10%以上水准，之后计划于2015年将其转换效率进一步提升至15%。公司力争2015年在太阳电池相关业务领域实现200亿日元的销售额。报道指出，以模组转换率来看，三菱化学的OPV转换率达6%～7%。三菱化学将与汽车厂商共同研发的此种太阳电池，由于无需使用玻璃基板，厚度仅数百nm，质量也仅为结晶硅太阳电池的十分之一。三菱化学计划在2012年夏季量产，如果量产取得进展，制造成本也能降到原有产品的十分之一。另据2011年7月19日的《朝日新闻》报道说，三菱化学在有机薄膜太阳电池的p型半导体中采用了苯卟啉(Benzoporphyrin)、n型半导体中采用了富勒烯(C60)衍生物，由此提高了转换效率。这一新技术的原理是，把有机半导体溶解在溶剂中，涂布到汽车(指电动车与插电式油电混合车)车身、建筑物外墙与其他地方，然后使其干燥，便可作为太阳电池使用，当然也可进行印刷。

日本产业技术综合研究所 (产综研)利用CIGS(Cu-In-Ga-Se)太阳电池的量产型子模块，实现了15.9%的光电转换效率。此次开发出了可大面积均匀制造高质量CIGS光吸收层薄膜的技术和利用光吸收层特性的集成化技术。CIGS型太阳电池是在玻璃底板上形成由各种材料组成的多层膜制作而成。只要小面积单元能够实现18%～19%左右的转换效率，集成型模块就应该能够实现15%以上的转换效率。作为CIGS光吸收层的制膜方法，产综研采用了多元蒸镀法。通过加热铜(Cu)铟(In)镓(Ga)硒(Se)坩锅来制成薄膜，可制成缺陷少且结晶粒径大的CIGS薄膜。此次产综研改进了坩锅形状和对底板加热的结构。另外，还采用了可根据时间改变照射元素及温度的3步蒸镀法。采用3步蒸镀法制造的光吸收层可实现较高的转换效率。该所已验证能够在10 cm2的底板上均匀制膜，因此可证明3步蒸镀法还可应用于大面积模块的量产。集成型模块需要有制图制程 (在同一底板上形成串联的多个单元而制成模块)，不过制图制程会造成整个面积的5%～10%变成无法作为太阳电池工作的死角。此次，通过控制制图用激光的强度及硬质材料针的针压，使其能够制成准确的图案。此外，产综研还开发出可取代稀有金属的白金，作为染料敏化太阳电池电极用的新材料，其光电转换效率和白金几乎等同，既能节省资源又能降低成本。新材料由多层纳米碳管、离子液体及导电性高分子所组成，其构造为：纳米管外侧附着被称为Imidazole系离子液体的分子，更外侧则包覆导电性高分子。用此材料替代白金所制成的染料敏化太阳电池，转换效率达4.77%，发挥了与白金电极的4.94%几乎同等级的高性能。

2 美国

美国在太阳电池方面的研究一直处于领先地位。

由美国可再生能源实验室(NREL)与Amonix能源公司共同开发的Amonix 7700高效低成本太阳电池问世。Amonix 7700聚光太阳电池使用了复杂的三重连接技术，依赖的电池是嫁电池。一直以来，嫁电池因其稳健性成为了太空探索中不可缺少的条件。嫁电池的使用让新系统基本可以对高温免疫。Amonix 7700系统要用到36套透镜和接收板，接收板被置于一个双轴的、可跟踪阳光的支架上，这样的精心设计可以进一步提高系统的发电效率。实验室公布的数据显示，Amonix 7700系统最高的实验室发电效率达到了42%。为控制系统成本，Amonix 7700使用的是低成本的菲涅尔透镜。阳光在经过菲涅尔透镜后，强度增加到了一般阳光的500倍。嫁电池将转换如此强度太阳电池的效率在26%左右，相当于目前已实地应用的太阳电池平均转换效率的2倍。由于使用了凸透镜，它是世界上土地密集型程度最低的太阳能利用形式，占地面积比其他太阳电池都小。据称，系统的整体安装成本只有非晶硅和薄膜太阳电池安装成本的1/3～1/2。新系统的优势还在于：它将安装太阳电池对土地的破坏性降到了最低。同时，由于所有的电池板都置于一根可追踪阳光的支架上，也不必人为地经常调整电池的角度。而每块大的太阳电池板都是由很多小型接收板组成，这也让系统更易于运输，大大简化了物流。

美国密苏里科技大学的研究人员表示，将一种ZnO制成的纳米矛(Nanospears)钉在太阳电池表面，可扩展其吸收光谱并因此提高太阳电池的效率。由于该种混合材料既能吸收光线也能发光，研究人员表示其应用范围可望涵盖超紫外光雷射、广谱固态照明，以及新式的压电元件等。ZnO能吸收接近超紫外光光谱的光线，这能与吸收近红外线光谱的硅互补；若以上这两部分光谱都能被利用，就可能实现更高的太阳电池效率。专家表示，过去在硅晶上生长氧化锌的尝试，都仅获得有限的成功，主要是因为这两种材料的晶格并不协调；而研究人员将氧化锌的晶格轴心倾斜，就解决了以上问题，并使氧化锌能与硅精准匹配。由于氧化锌是以一个不寻常的角度长在硅上，就像是钉在硅晶表面的纳米矛那样，使太阳电池可吸收较长的超紫外光波长，也能吸收较短的红外线波长。该种氧化锌纳米矛的长晶法，是利用一种饱和了锌离子的碱性溶液淹没硅晶圆表面，所长出的纳米矛直径约100～200 nm，长度约1 μm；透过一种自动排列制程，这些纳米矛会以精准的角度在结晶硅表面自组装，将晶格不匹配的状况降到最低。该研究团队的下一步是制作出太阳电池：困难之处在于制作与氧化锌纳米矛接触的触点；其中一个方案是使用溶液触点制作光电化学太阳电池。

美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的研究小组已经开发出以3D纳米锥基太阳电池平台，声称可以改善电荷传输机制从而提高太阳电池光电转换效率约达80%。该技术可以解决降低太阳电池效率的电荷捕获问题。这些电荷——包括带负电的电子和带正电的空穴——通常成为体材料及其界面中的缺陷，并因此降低了性能。这种新的太阳能结构包括由p型半导体环绕的n型纳米锥。其中，n型纳米锥由氧化锌构成，并作为整个结构的导电结和电子导体；p区由多晶碲化镉构成并作为主要的光吸收介质和空穴导体。使用该实验室的方法，研究人员可以获得3.2%的光电转换效率，相比之下使用相同材料的传统平面结构电池转换效率只有1.8%。这种太阳能材料的主要特点包括：独特的电场分布(这一特点实现了高效的电荷传输)，利用低成本方法合成纳米锥，以及减少了半导体中的缺陷和空位。由于高效的电荷传输机制，这种新的太阳电池可以接受有缺陷的半导体材料并减少下一代太阳电池的制造成本。纳米锥结构在结(Junction)尖端产生一个强电场区域，可以有效分离、注入和收集少数载流子，从而比使用相同材料的传统平面结构电池更高效。这一技术的理论研究已经得到了光伏专家的认可。

美国麻省理工学院(MIT)的研究人员表示，活体病毒可用于将高导电性碳纳米管安装到染料敏化太阳电池的正极结构中，电池效率可因此提高几乎三分之一。染料敏化太阳电池是由位于光敏正极与电解质之间的半导体元件材料制成的，覆盖着染料的纳米二氧化钛会吸收太阳光，并将电子释放到正极中。然后那些电子会被收集起来用以驱动负载，再经由负极回到电解质中，如此不断循环。MIT研究人员表示，通过病毒使碳纳米管和正极交织在一起，就能将染料敏化太阳电池的转换效率由8%以下，提高到10.6%以上。该团队的最新研究成果则是首次利用病毒来分离出太阳电池内的纳米管，以避免纳米管凝集成团或导致短路。每个病毒可以在约300个肽分子的一个区域内，吸附10个纳米管，然后这种经过基因工程改造的病毒会分泌出二氧化钛涂层。研究人员表示，MIT所研发的这项新技术，只需在染料敏化太阳电池的工艺中添加一个简单的步骤，也能适用其他类型的有机与量子点技术太阳电池。

3 德国

德国作为西方发达工业国家中第一个准备放弃核电的国家，其太阳电池技术的研发屡创新纪录。

德国Q-CellsSE光伏公司今年第四次创下了世界纪录。Q-Cells内部研究中心的多晶硅组件孔径面积效率达到了18.1%，打破了于2011年3月其自身创下的17.8%的世界纪录。这一结果通过FraunhoferISE太阳能研究所得到了证实。Q-Cells多晶硅组件是该领域第一块效率超过了18%的组件。Q.SMART薄膜组件还创造了另一个标志性的世界纪录，孔径面积独立效率达14.7%。

德国微系统技术研究所 (IMTEK)和弗莱堡大学材料研究中心(FMF)的科学家成功开发出的一种纳米粒子表面处理方法，可显著提高有机太阳电池效率，达到2%的效率高点。此前这一效率值仅为1%至1.8%。这也是迄今为止效率最高的混合太阳电池。有机太阳电池与普通硅太阳电池相比，轻薄灵活、成本低廉、可快速生产。尽管其光转化效率不高，使用寿命偏短，但其在应用集成和向有作用时限的系统提供自给能源方面，有着广泛应用前景。纯有机太阳电池，其光活性层的两个组件都由有机物质组成。而混合太阳电池光活性层由无机纳米粒子和(有机)聚合物混合而成。通过使用所谓的硒化镉量子点，IMTEK和FMF的测量结果得到了FraunhoferISE太阳能研究所“染料和有机太阳电池”工作组的确认。

德国AVANCIS GmbH&Co.KG宣布，其30 cm2CIS太阳电池模块转换效率达到了15.5%。据该公司介绍，这一转换效率值已得到美国国家可再生能源实验室 (NREL)的认定。AVANCIS曾于2010年1月宣布同一尺寸的模块达到了15.1%的转换效率。此次之所以能够提高性能，主要是因为模块正面的电极采用了导电性较高的ZnO。AVANCIS公司目前正以年产20 MW的规模生产转换效率为12%的太阳电池面板。

德国斯图加特“太阳能-氢气研究中心”的研究人员发明了一种由铜、铟、镓和硒醚制成的高效率太阳电池 (简称CIS-电池或者CIGS-电池)。这种电池具有20.1%的太阳能-电能转换效率，是目前世界上转化效率最高的薄层太阳电池。这款电池表面积只有0.5 cm2，厚度只有0.004 mm，由4个将太阳光转化为电能的光敏层组成。斯图加特的研究人员利用一种有效的涂层技术使薄层太阳电池的能量转换率达到创纪录的水平，为这种电池的规模化工业生产提供了可能。借助于这种薄层太阳电池的高效转化率，光伏发电装置的产量和利润率将得到明显提高。目前市场上比较常见的CIS-半集成电路的能量转化率和晶体硅半集成电路差不多，都在10%～12%。斯图加特的研究人员表示，未来几年，CIGS-太阳能装置的能量转化率将提高到15%左右。