淺談太陽能電池的發展和趨勢

葉鑫

（長江大學物理與光電工程學院 湖北荊州 434020）

摘要：隨著社會的飛速發展，能源是影響當今社會進步的重要因素，但是現階段人類社會發展大部分還是依靠化石能源提供能量。可是化石能源分布極不均衡，并且不可再生，而且燃燒化石能源帶來的環境污染、霧霾氣候和溫室效應嚴重影響到了人類社會的可持續發展。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點，成為最具有發展前景的能源之一。目前，隨著太陽能電池制備技術的不斷完善，其技術的開發應用已經走向商業化、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都已經大量生產而且廣泛使用。所以誰先開發光電轉換效率高、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境形勢提出了新的挑戰。例如如何解決溫室效應，臭氧空洞等問題。有限的化石能源以及在開發利用不可再生能源的過程中出現的負面影響，不僅阻礙了人類經濟的飛速發展，而且還嚴重影響到社會的可持續發展。因此，發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能源發展的一個重要手段。

一、太陽能電池的發展

（一）第一代太陽能電池

第一代太陽能電池是發展時間最久，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明開始到現在，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化、發射區鈍化、背場等技術，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成本較低，穩定性也比較好，這兩大優勢引起了科研工作者的注意。其光電轉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。膜技術所需的材料較晶體硅太陽電池少得多，且易于實現大規模生產。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，目前在該研究領域處國內領先、國際先進地位。其制備的銅銦硒太陽電池的效率已經超過12%。銅銦硒薄膜太陽電池的試生產線亦已建成。我國在染料敏化納米薄膜太陽電池的科學研究和產業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，導致了這種電池價格昂貴，從而限制了其大規模的生產應用。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展。GaAs、InGaAs、CIGS、InGaAs等電池具有較高的轉化效率和穩定性。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，導致了這種電池價格昂貴，從而限制了其大規模的生產應用。

（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，但是在工藝技術的成熟程度和制造成本上，都不能和常規的硅太陽能電池相提并論。硅太陽能電池的制造成本經過幾十年的努力終于有了大幅度的降低，但是與常規能源相比，仍然比較昂貴，這又限制了它的進一步大規模應用。鑒于此點，開發低成本，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，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。由于在研發試驗過程中表現出比前兩代電池具有更強的優勢和應用前景。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勢結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換效率和穩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實現產業化很難。

二、 太陽能電池的未來發展趨勢

薄膜電池需要技術突破。無錫尚德在薄膜太陽能領域的知難而退，在某些業內人士看來，并非意味著薄膜電池已經沒有出路，只是無錫尚德更好發揮自身的技術優勢下的市場化選擇。業內人士表示，美國第一太陽能的薄膜電池產品，轉化率達到11%-12%。無錫尚德相比差距較大，故而作出關停薄膜電池生產線的選擇也在情理之中。

由于在建設荒漠電站中，薄膜電池弱光響應較好的技術特點，在國內，也不乏將薄膜太陽能電池作為進軍光伏產業突破口的上市公司。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線已于2009年底正式投產。公司可以為市場提供初始效率達到8.8%、穩定轉化效率達到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，使用自鍍導電膜等工藝，使其較同行有一定成本優勢。

有機薄膜太陽能電池使用塑料等質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，希望能開發出轉換率達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，例如窗簾、手表、計算器、甚至服裝行業。

科學家就發明了一種太陽能電池，這種電池比頭發還要細。因為其所使用的半導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的復合半導體的技術，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。它比傳統以矽制成的太陽能電池薄100倍，實際上比頭發還要薄，它亦較輕和使用較少半導體物料，成本較低并可大量使用。

傳統的矽電池需大量半導體物料，價格昂貴，而且由于較笨重，其應用范圍受限制。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個國家在研發這種低成本、高效率的薄膜太陽能電池。

參考文獻：

[1]中國太陽能光伏產業的國際競爭力研究[J]. 謝光亞，李曉光.對外經貿實務. 2012（02）

[2]中國太陽能光伏發電產業的現狀、問題及對策分析[J].張保民.中國高新技術企業. 2011（36）

[3]多晶硅生產中三氯氫硅精餾節能工藝[J].黃國強，石秋玲，王紅星. 化工進展. 2011（12）

[4]太陽能級多晶硅生產工藝及污染防治措施分析[J].武曉，楊勁峰.科協論壇（下半月）. 2011（10）