太陽能電池發展現狀及趨勢

袁英

【摘 要】為了降低太陽能級多晶硅生產成本，從而降低太陽能電池制造成本，促進太陽能光伏產業的發展。鑒于此，在查閱大量文獻的基礎上首先綜述太陽能電池的種類，然后就其研究現狀、存在的問題、解決的途徑以發展趨勢等做了一些分析，完善太陽能電池的相關研究。

【關鍵詞】新型薄膜；超高級；聚合物多層修飾電極型；納米晶化學

太陽能發電是一項高新技術，以太陽能為資源基礎的生產將是一種可持續的發展模式。全球太陽能產品的年銷售額達14億美元，其中12億美元來自太陽能電池的銷售。

制作太陽能電池主要是以半導體材料為基礎，其工作原理是利用光電材料吸收光能后發生光電于轉換反應，根據所用材料的不同，太陽能電池可分為：硅太陽能電池；化合物太陽能電池，如砷化鎵、硫化鎘、銅銦硒等；功能高分子材料制備的太陽能電池；納米晶太陽能電池等。不論以何種材料來制作電池，對太陽能電池材料一般的要求有：半導體材料的禁帶不能太寬；要有較高的光電轉換效率：材料本身對環境不造成污染；材料便于工業化生產且材料性能穩定。基于以上幾個方面考慮，硅是最理想的太陽能電池材料，這也是目前在太陽能電池領域硅太陽能電池占主導地位的主要原因。

一、有關高效率，低成本晶體硅太陽能電池開發

硅太陽能電池可分為晶體硅太陽能電池和薄膜硅太陽能電池，晶體硅太陽能電池主要是指單晶硅和多晶硅太陽能電池。規?；a中，單晶硅太陽能電池具有轉換效率最高、技術最為成熟、可靠性高等優點。

多晶硅太陽能電池的制作工藝與單晶硅太陽能電池相近，但是從制作成本上來講，比單晶硅太陽能電池要低得多。多晶硅太陽能電池的光電轉化效率相比單晶硅太陽能電池要低。我國尚德太陽能電力將開始量產轉換效率18.8%的單晶硅型、17.2%的多晶硅型太陽能電池單元。

目前，我國已上馬了多家多晶硅材料的生產基地，解決我國晶體硅太陽能電池原料高度依賴國外進口的現狀。隨著多晶硅供需平衡，多晶硅價格會迅速恢復到合理價位，將直接導致硅太陽能電池生產成本大大降低，為多晶硅太陽能電池創造更好的發展條件。

硅太陽能電池轉換效率無疑是最高的，而且由于硅太陽能電池一般采用鋼化玻璃以及防水樹脂進行封裝，因此其堅固耐用，使用壽命一般可達15年，最高可達25年。薄膜太陽能電池由于其制造成本低，對環境的影響小，近年來備受關注，其所占的市場份額逐漸加大。但是在目前金融危機情況下，硅原材料成本已下降到每公斤100美元以下，成本大大下降，已接近火電發電成本每瓦1元人民幣，由于轉化效率高于薄膜，成本下降較大，所以硅太陽能電池仍具備強有力的競爭力。

二、新型薄膜電池開發

薄膜太陽能電池是最富前途的下一代太陽能電池技術，它節省了硅原料的使用和硅片制造工藝。與目前常見的硅片太陽能電池相比，硅薄膜太陽能電池用硅量僅為前者的1%左右，可使每瓦太陽能電池成本從2.5美元降至1.2美元。此外，這種高科技新產品可與建筑物屋頂、墻體材料如玻璃幕墻融為一體，既可并網發電又能節約建筑材料、美化環境。目前正在研發中和已有產品出售的薄膜太陽能電池主要有以下幾種：

（1）非晶硅薄膜電池：是薄膜太陽能電池中最成熟的產品之一。由于非晶硅薄膜太陽能電池的成本低，便于大規模生產，普遍受到人們的重視并得到迅速發展，但由于其光學帶隙為1.7eV， 使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區域不敏感，這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉換效率。

（2）多晶硅硅薄膜電池：其轉換效率高于非晶硅薄膜太陽能電池，又無效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備，但由于控制薄膜中硅晶粒大小的技術沒有解決，尚未能制成有實用價值的太陽能電池。

（3）有機染料敏化電池：它是一種光電化學電池。

（4）銅銦錫（CIS）和銻化鎘（CdTe）：兩種化合物多晶薄膜太陽能電池，中試轉換效率已經超過10%。但是，由于元素鎘的有毒性及其對環境的污染，這種太陽能電池技術均不具備長遠的產業化生命力。

（5）銅-銦-硒（及其合金）電池：據美國Miasole公司稱，他們研制的樣品轉換效率可達19.5%，試銷產品的轉換效率可達9%。但由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發展必然受到限制。

（6）砷化鎵III-V化合物薄膜電池：在250℃的條件下，光電轉換性能仍很良好，其最高光電轉換效率約30%，且能耐高溫，特別適合做高溫聚光太陽能電池。但生產成本高，產量受限，目前主要作空間電源用。

在光伏利用中，相對于其它薄膜電池，由于硅材料儲量豐富，且無毒、無污染，具有主導地位。目前，在硅基薄膜太陽能電池家族中，非晶硅薄膜電池占有主要地位。但非晶硅太陽能電池存在光致衰減效應的缺點，并且轉化效率遠低于晶體硅太陽能電池。目前又出現了各種疊層太陽能電池，轉換效率達14.6%，接近多晶硅太陽能電池。

近年來，另一種新型硅基薄膜材料——納米硅薄膜由于其優良的性能引起了人們廣泛的關注。理論上其最大轉換率為44%，如能產業化，則高于單晶硅電池。

三、納米晶化學太陽能電池

在太陽能電池中硅系太陽能電池無疑是發展最成熟的，但由于成本居高不下，遠不能滿足大規模推廣應用的要求。為此，人們一直不斷在工藝、新材料、電池薄膜化等方面進行探索，而這當中新近發展的納米TiO2晶體化學能太陽能電池受到國內外科學家的重視。

目前，我國已成為全球主要的太陽能電池生產國。2007年全國太陽能電池產量達到1188MW，同比增長293%。中國已經成功超越歐洲、日本為世界太陽能電池生產第一大國。在產業布局上，我國太陽能電池產業已經形成了一定的集聚態勢。在長三角、環渤海、珠三角、中西部地區，已經形成了各具特色的太陽能產業集群。

中國的太陽能電池研究比國外晚了20年，盡管最近10年國家在這方面逐年加大了投入，但投入仍然不夠，與國外差距還是很大。政府應加強政策引導和政策激勵，盡快解決太陽能發電上網與合理定價等問題。同時可借鑒國外的成功經驗，在公共設施、政府辦公樓等領域強制推廣使用太陽能，充分發揮政府的示范作用，推動國內市場盡快起步和良性發展。

太陽能光伏發電在不遠的將來會占據世界能源消費的重要席位，不但要替代部分常規能源，而且將成為世界能源供應的主體。預計到2030年，可再生能源在總能源結構中將占到30%以上，而太陽能光伏發電在世界總電力供應中的占比也將達到10%以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽能光伏發電將占總電力的20%以上；到21世紀末，可再生能源在能源結構中將占到80%以上，太陽能發電將占到60%以上。這些數字足以顯示出太陽能光伏產業的發展前景及其在能源領域重要的戰略地位。由此可以看出，太陽能電池市場前景廣闊。

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