淺談太陽能電池的發展和趨勢

王玉娟

摘 要：隨著全球一次性能源緊缺的趨勢越來越嚴峻，開發和利用清潔能源以及二次能源已經成為世界各行業研究的重點課題。太陽能電池是可以將光能轉化為電能的一種裝置，在目前溫室效應愈演愈烈的環境下可以為資源進行一定數量的補充，文章將會對太陽能電池的應用以及發展趨勢做出分析，為我國電力資源的供應奠定良好的基礎。

關鍵詞：太陽能電池發展；趨勢

1 太陽能電池的發展

1.1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。

1.2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。

1.3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。

2 太陽能電池的發展趨勢

至今，國際上的太陽能電池已經發展到了第2代。第1代太陽能電池包括單晶硅和多晶硅2種，工化產品效率一般為百分之十五以內，目前可工業化生產可獲得利潤的太陽能電池就是指第1代電池。但是由于生產工藝等因素使得該類型的電池生產成本較高。第2代太陽能電池是薄膜太陽能電池，其成本低于第1代，可大幅度增加電池板制造面積，但是效率不如第1代。國際國內市場正在火熱進行第 2代產品的投資。在將來的第3代太陽能電池應該具有上兩代的綜合特征：為薄膜化、高效率、原材料豐富和無毒性?？赏麑崿F的第3代電池效率的途徑包括，疊層電池、多帶光伏電池、碰撞離化、光子下轉換、熱載流子電池、熱離化、熱光伏電池等。單晶硅、多晶硅技術成熟、光電效率轉化效率高，但由于成本高，人們致力于價格低廉的多晶硅、非晶硅薄膜電池的開發以及砷化鎵等Ⅲ一V族化合物、硫化鎘、碲化鎘及銅銦硒薄膜電池等其他材料太陽能電池的開發。從技術成本上看，有希望發展成與單晶硅、多晶硅太陽能電池相抗衡的是沒有污染、價格低廉、穩定性好的多晶硅薄膜電池和沒有光電效率衰退效應、轉換率較高、穩定性好、工藝簡單的CIS電池。

國際上在目前對太陽能電池材料硅化物的綜合利用主要有兩個發展趨勢，一方面是以四氯化硅為原料生產其它化工產品如白碳黑、有機硅、硅酸乙酯、光纖預制棒等；另一方向是氫化還原為三氯化硅對四氯化硅進行循環利用。太陽能電池的主要組成部件多晶硅的生產提純過程耗電量非常大，加上其他部件生成過程的能耗，其生產過程超過了現有社會條件所能接受的范圍。因此，降低精餾提純三氯氫硅過程的能耗對提高中國企業競爭力具有重要意義。

3 結語

為了降低環境污染以及能源消耗的危機，各個國家和行業都在開展太陽能電池的開發和研制工作，其中以硅基太陽能電池為主，但是也有很多的材料可以將其高昂的價格進行取代，因此研究部門應當加強太陽能電池材料的研究工作，為降低我國能源消耗數量做出貢獻。

參考文獻

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（作者單位：英利能源（中國）有限公司）