浅谈太阳能电池的发展和趋势

叶鑫

（长江大学物理与光电工程学院 湖北荆州 434020）

摘要：随着社会的飞速发展，能源是影响当今社会进步的重要因素，但是现阶段人类社会发展大部分还是依靠化石能源提供能量。可是化石能源分布极不均衡，并且不可再生，而且燃烧化石能源带来的环境污染、雾霾气候和温室效应严重影响到了人类社会的可持续发展。然而太阳能是一种可再生清洁能源，可以提供充足的能量供人类使用，因此开发新能源，是人类社会薪火相传，世代相传的重要保证。相对于风能、地热能、生物能和潮汐能等新能源，太阳能以污染小、可利用率高、资源分布广泛和使用安全可靠等优点，成为最具有发展前景的能源之一。目前，随着太阳能电池制备技术的不断完善，其技术的开发应用已经走向商业化、大众化，特别是一些小功率、小器件的太阳能电池在一些地区都已经大量生产而且广泛使用。所以谁先开发光电转换效率高、制备成本低的太阳能电池就能在将来的市场抢占先机。

关键词：太阳能；薄膜电池；趋势

不可再生能源的過快消耗对当今的环境形势提出了新的挑战。例如如何解决温室效应，臭氧空洞等问题。有限的化石能源以及在开发利用不可再生能源的过程中出现的负面影响，不仅阻碍了人类经济的飞速发展，而且还严重影响到社会的可持续发展。因此，发展一种新型能源已然成为世界各国提升自己综合国力和倡导能源发展的一个重要手段。

一、太阳能电池的发展

（一）第一代太阳能电池

第一代太阳能电池是发展时间最久，制备工艺最为成熟的一代电池，一般按照研究对象我们将其可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅电池。按照应用程度来说前两者单晶硅与多晶硅在市场所占份额最多，商业前景最好。

单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。从单晶硅太阳能电池发明开始到现在，尽管硅材料有各种问题，但仍然是目前太阳能电池的主要材料，其比例约占整个太阳电池产量的90%以上。我国北京市太阳能研究所从20世纪90年代起开始进行高效电池研究，采用倒金字塔表面织构化、发射区钝化、背场等技术，使单晶硅太阳能电池的效率达到了19.8%。多晶硅太阳能电池的研究开发成本较低，稳定性也比较好，这两大优势引起了科研工作者的注意。其光电转换效率随着制备工艺的成熟不断提高，它达到的最高的光电转换效率为21.9%，但是它的电池效率在目前的太阳能电池中仍处于一般水平。

（二）第二代太阳能电池

第二代太阳能电池以各种薄膜为基底制造出的电池。膜技术所需的材料较晶体硅太阳电池少得多，且易于实现大规模生产。薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉以及铜铟硒薄膜电池。我国南开大学于20世纪80年代末开始研究铜铟硒薄膜电池，目前在该研究领域处国内领先、国际先进地位。其制备的铜铟硒太阳电池的效率已经超过12%。铜铟硒薄膜太阳电池的试生产线亦已建成。我国在染料敏化纳米薄膜太阳电池的科学研究和产业化研究上都与世界研究水平相接近。在染料敏化剂、纳米薄膜修饰和电池光电效率上都取得与世界相接近的科研水平，在该领域其有一定的影响。其唯一的问题是材料的来源，电池中的一些元素如铟、镓等属于稀有元素，导致了这种电池价格昂贵，从而限制了其大规模的生产应用。但是镉的剧毒性让人们对它望而却步，进而制约了以CdS和CdTe等为材料的电池的发展。GaAs、InGaAs、CIGS、InGaAs等电池具有较高的转化效率和稳定性。其唯一的问题是材料的来源，电池中的一些元素如铟、镓等属于稀有元素，导致了这种电池价格昂贵，从而限制了其大规模的生产应用。

（三）第三代太阳能电池

第三代太阳电池必须具有以下条件：薄膜化，转换效率高，原料丰富且无毒。目前第三代太阳电池还在进行概念和简单的试验研究。已经提出的第三代太阳电池主要有叠层太阳电池、多带隙太阳电等。虽然太阳能电池材料的研究已到了第三个阶段，但是在工艺技术的成熟程度和制造成本上，都不能和常规的硅太阳能电池相提并论。硅太阳能电池的制造成本经过几十年的努力终于有了大幅度的降低，但是与常规能源相比，仍然比较昂贵，这又限制了它的进一步大规模应用。鉴于此点，开发低成本，高效率的太阳能电池材料仍然有很长的路要走。在制备过程中加入了有机物和实施了纳米技术，为了进一步改善前两代电池存在问题，使电池的光电性能及转换效率得到提高，近些年各国科学界将研究重点放到了叠层式薄膜太阳能电池的研究。由于在研发试验过程中表现出比前两代电池具有更强的优势和应用前景。目前已知电池种类有光化学太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、纳米晶太阳能电池。其中有机物和无机物的优势结合在一起就形成了有机/无机杂化太阳能电池。电子传输层一般是用TiO2作为基底材料，这种无空穴传输层的电池的光电转换效率和稳定性相比之前几代都有所提高。有机太阳能电池是近些年来发展起来的一种新的太阳能电池但由于其载流子迁移率低的不足，使得有机聚合物太阳能电池短时间内实现产业化很难。

二、 太阳能电池的未来发展趋势

薄膜电池需要技术突破。无锡尚德在薄膜太阳能领域的知难而退，在某些业内人士看来，并非意味着薄膜电池已经没有出路，只是无锡尚德更好发挥自身的技术优势下的市场化选择。业内人士表示，美国第一太阳能的薄膜电池产品，转化率达到11%-12%。无锡尚德相比差距较大，故而作出关停薄膜电池生产线的选择也在情理之中。

由于在建设荒漠电站中，薄膜电池弱光响应较好的技术特点，在国内，也不乏将薄膜太阳能电池作为进军光伏产业突破口的上市公司。其中，综艺股份旗下的江苏综艺光伏有限公司首条26MW薄膜太阳能电池生产线已于2009年底正式投产。公司可以为市场提供初始效率达到8.8%、稳定转化效率达到7%以上的非晶硅薄膜太阳能电池。公司的非晶硅薄膜项目，由于采用普通玻璃，使用自镀导电膜等工艺，使其较同行有一定成本优势。

有机薄膜太阳能电池使用塑料等质轻柔软的材料为基板，因此，它的实用化程度极高。研究人员表示，通过进一步研究，希望能开发出转换率达20%、可投入实际使用的有机薄膜太阳能电池。由此可见，未来5年内薄膜太阳能电池将会大幅降低成本，到时候这种薄膜太阳能电池将广泛用于各个行业，例如窗帘、手表、计算器、甚至服装行业。

科学家就发明了一种太阳能电池，这种电池比头发还要细。因为其所使用的半导体原料远较一般太阳能电池为少，所以可解决太阳能电池价格高昂的问题。后来，研究人员使用称为CIS的复合半导体的技术，将2～3微米厚的CIS放在玻璃等物料上，制成薄膜太阳能电池。它比传统以矽制成的太阳能电池薄100倍，实际上比头发还要薄，它亦较轻和使用较少半导体物料，成本较低并可大量使用。

传统的矽电池需大量半导体物料，价格昂贵，而且由于较笨重，其应用范围受限制。然而，薄膜电池却只需要将廉价物料放在诸如塑胶等有弹性的表面上便可，成本交底而且携带方便。目前，世界上至少有40个国家在研发这种低成本、高效率的薄膜太阳能电池。

参考文献：

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