【太阳能电池的研究现状及发展趋势】太阳能电池的研究现状及发展

　　1.引言
　　太阳能电池自1954年由诺贝尔实验室和RCA公司几位杰出的科学家发明问世以来，由于地球变暖现象的日益严重，世界各国对二氧化碳的排放量均采取严格的管制，再加上石油匮乏，40年后将消耗殆尽，其价格持续攀升，这些因素都促成了对代替能源的重视与需求，也激发了太阳能产业的蓬勃发展。
　　太阳是一座聚合核反应器，它一刻不停地向四周空间放射出巨大的能量。它的发射功率为3.865×1026J/S（相当于烧掉1.32×1016ton标准煤释放出来的能量）。地球大气表层所接收的能量仅是其中的22亿分之一，但是地球一年接收的太阳的总能量却是现在人类消耗能源的12000倍。另外，根据文献记载太阳的质量为1.989×1030kg，根据爱因斯坦相对论（E=mc2）可以计算出太阳上氢的含量足够维持800亿年。而由地质资料得出的地球年龄远远小于这个数字。因此可以说太阳能是取之不尽、用之不竭的[1-3]
　　2.太阳能电池
　　太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。
　　2.1 太阳能电池发展
　　目前，太阳能电池产品是以半导体为主要材料的光吸收材料，在器件结构上则使用P型与N型半导体所形成的PN结产生的内电场，从而分离带负电荷的电子与带正电荷的空穴而产生电压。由于晶体硅材料与器件在技术的成熟度方面领先于其他半导体材料，最早期的太阳能电池极为晶体硅制成，直到近几年晶体硅太阳能电池仍有大约90%的市场占有率。除了技术与投资门槛较低以外，不用担心硅原料匮乏等都是造成其市场占有率高的主因。
　　在晶体硅太阳能电池之后，大约从1980年起开始有非晶硅薄膜太阳能电池产品导入市场，率先应用于小型电子产品（如计算机、手表等），接着因技术演进而有大面积的太阳能电池模块用于建筑物，甚至以其可弯曲的特性创造更宽广的多元应用。只要是具有直接能隙的半导体材料，因其光吸收系数很高，如GaAs、CdTe、CIGS等，都可以作为薄膜太阳能电池结构中的光吸收层，厚度只有数微米。比起间接能隙的晶体硅材料（一般需要数百微米的厚度），薄膜太阳能电池用料较少，再加上晶体硅原料价格居高不下，在材料成本上会显著低于晶体硅太阳能电池。若未来技术成熟度和自主性提升，将有利于市场占有率的提高。
　　太阳能电池能否作为一般能源广泛使用，与它的发电成本是否能与市电竞争有关。大量生产之下却又成本大幅降低的空间，而靠技术的精进来提升电池的效率也有助于成本下降，音量产于技术进展而是成本降低，到2030年可能与核能发电成本相当[4]。
　　2.2 太阳能电池的研究历程
　　以太阳能发展的历史来说，光照射到材料上所引起的“光起电力”行为，早在19世纪的时候就已经发现了。
　　1839年，光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。1849年术语“光-伏”才出现在英语中。
　　1883年第一块太阳电池由Charles Fritts制备成功。Charles用锗半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，器件只有1%的效率。
　　到了1930年代，照相机的曝光计广泛地使用光起电力行为原理。
　　1946年Russell Ohl申请了现代太阳电池的制造专利。
　　到了1950年代，随着半导体物性的逐渐了解，以及加工技术的进步，1954年当美国的贝尔实验室在用半导体做实验发现在硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一现象后，第一个太阳能电池在1954年诞生在贝尔实验室。太阳电池技术的时代终于到来。
　　1960年代开始，美国发射的人造卫星就已经利用太阳能电池作为能量的来源。
　　1970年代能源危机时，让世界各国察觉到能源开发的重要性。
　　1973年发生了石油危机，人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。
　　在美国、日本和以色列等国家，已经大量使用太阳能装置，更朝商业化的目标前进。
　　在这些国家中，美国于1983年在加州建立世界上最大的太阳能电厂，它的发电量可以高达16百万瓦特。南非、博茨瓦纳、纳米比亚和非洲南部的其他国家也设立专案，鼓励偏远的乡村地区安装低成本的太阳能电池发电系统。
　　而推行太阳能发电最积极的国家首推日本。1994年日本实施补助奖励办法，推广每户3，000瓦特的“市电并联型太阳光电能系统”。在第一年，政府补助49%的经费，以后的补助再逐年递减。“市电并联型太阳光电能系统”是在日照充足的时候，由太阳能电池提供电能给自家的负载用，若有多余的电力则另行储存。当发电量不足或者不发电的时候，所需要的电力再由电力公司提供。
　　到了1996年，日本有2，600户装置太阳能发电系统，装设总容量已经有8百万瓦特。一年后，已经有9，400户装置，装设的总容量也达到了32百万瓦特。
　　随着环保意识的高涨和政府补助金的制度，预估日本住家用太阳能电池的需求量，也会急速增加。在中国，太阳能发电产业亦得到政府的大力鼓励和资助。2009年3月，财政部宣布拟对太阳能光电建筑等大型太阳能工程进行补贴[5]。 　　3.太阳能电池的研究现状
　　太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式（以下表示为a-）两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形[7]。
　　按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形（a-Si：H，a-Si：H：F，a-SixGel-x：H等）、ⅢV族（GaAs，InP等）、ⅡⅥ族（Cds系）和磷化锌（Zn3p2）等(转载于 :wWw.bJyld.com 月亮岛教育网 : 【太阳能电池的研究现状及发展趋势】太阳能电池的研究现状及发展)。
　　太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池，其中硅太阳能电池是发展最成熟的，在应用中居主导地位。
　　3.1 太阳能电池的分类
　　硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。
　　单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%（截止2011，为18%）。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。
　　多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%，工业（下转封三）（上接第291页）规模生产的转换效率为10%（截止2011，为17%）。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。
　　非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。
　　多晶体薄膜电池硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。
　　砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。
　　铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。
　　以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。
　　纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10，寿命能达到20年以上。
　　此类电池的研究和开发刚刚起步，不久的将来会逐步走上市场。
　　有机薄膜太阳能电池，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉，这是情理中的事。如今量产的太阳能电池里，95%以上是硅基的，而剩下的不到5%也是由其它无机材料制成的。
　　染料敏化太阳能电池，是将一种色素附着在TiO2粒子上，然后浸泡在一种电解液中。色素受到光的照射，生成自由电子和空穴。自由电子被TiO2吸收，从电极流出进入外电路，再经过用电器，流入电解液，最后回到色素。染料敏化太阳能电池的制造成本很低，这使它具有很强的竞争力。它的能量转换效率为12%左右。
　　塑料太阳能电池以可循环使用的塑料薄膜为原料，能通过“卷对卷印刷”技术大规模生产，其成本低廉、环保。但塑料太阳能电池尚不成熟，预计在未来5年到10年，基于塑料等有机材料的太阳能电池制造技术将走向成熟并大规模投入使用。
　　3.2 黄铁矿太阳能电池材料的兴起
　　黄铁矿的外观如同黄金，因此也被称为“愚人黄金”，这种从古罗马时代已被人熟知的金属欺骗了很多人，但现在研究人员发现，这种曾经“愚弄”了很多人的金属也有很实在的用途――制备廉价高效的太阳能电池。
　　美国俄勒冈大学的研究人员日前成功利用黄铁矿制成了一种全新的化合物，这种化合物能够大量吸收太阳能，有望应用于太阳能电池制造。与传统的太阳能电池制造材料不同，这种黄铁矿化合物无毒无害，易于获取且价格低廉，如果能够实现量产，将为太阳能发展开辟一条全新路径。研究人员已将这一成果发表在最新一期的《先进能源材料》上。
　　在太阳能研发的早期阶段，黄铁矿就引起人们的兴趣。黄铁矿能够吸收大量的太阳能，且储量丰富，相较其他竞争材料，比如硅，优势明显，但它的致命缺点是无法有效地将太阳能转换成电能。早前科学家们不知道原因何在，但最新研究已经破解了这个难题。由于制造太阳能电池需要大量的热量，黄铁矿在这个过程中会分解并形成一些新的物质，这些物质会阻碍电力的产生。
　　在此基础上，俄勒冈大学的研究人员开始尝试用黄铁矿制成新的化合物，在保留黄铁矿特性的同时保证其不会因高温而分解(转载于 :wWw.Bjyld.com 月亮岛教育网 : 【太阳能电池的研究现状及发展趋势】太阳能电池的研究现状及发展)。研究人员成功了，其中之一便是铁硫化硅。
　　“从自然界提取的各类元素中，铁大概是最廉价的，其次是硅，而硫几乎是免费的。”科兹勒说，“这些化合物稳定、安全，并且不会分解，目前看来，似乎没有什么可以阻止它成为新型太阳能材料。”这个项目得到了美国政府的大力支持，美国能源部为其提供了300万美元的研发资金。目前研究人员正在与其合作的科罗拉多国家可再生能源实验室继续试验，试图寻找并制造出更加合适的新材料。“这种材料的好处在于，它储量丰富且成本低廉，最重要的是能够生产高效太阳能电池，这满足了太阳能大规模应用的所有条件。”科兹勒说。美国加州伯克利大学的研究人员正在利用丰富的二硫化铁资源（FeS2）一也称之为“黄铁矿”―来生长较低成本光伏电池用的纳米晶。纳米微粒用二硫化铁来制备。一项研究结果表明：不常用的、来源丰富的、低成本的太阳能电池材料能够大幅度降低太阳能光伏电池的成本。本项研究的出发点受到了这些结果的启发。研究小组发现了处于领先地位的薄膜材料与大量的可用于太阳能电池的、但不常用的物质之问制备成本（美分/瓦）的巨大差别。这些材料包括黄铁矿、硫化铜和氧化铜。黄铁矿的成本之低和丰度之高与其他可替代物的相比都不在一个数量级上。 　　加州伯克利大学评估了23种有利用前景的半导体材料，发现l2种有足够的丰度，能满足或充分满足全球在这方面的能源需求。在这l2种材料中，有9种重要的原材料成本低于目前大规模生产的光伏材料中使用的硅晶体[9]。
　　4.总结与展望
　　当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。
　　目前，全球太阳能电池市场竞争激烈，欧洲和日本领先的格局已被打破。尽管主要的销售市场在欧洲，但太阳能电池的生产重镇已经转移到亚洲。2011年，在光伏市场带动下，全球光伏电池产量持续增长，达到29.5GW。
　　2008年全球薄膜太阳能电池产量达988.8MW，同比增长122%。2009年世界生产的光伏电池总量达到10700MWp，其中薄膜电池1700MWp，在其中占比约15.9%。2010年全球薄膜太阳能电池产量增长迅速，产量为2767MW。这几年中，薄膜太阳能电池总产量的增长率一直维持在高位。
　　我国也高度重视薄膜太阳能电池技术的研发和产业化，与国际先进水平差距逐步缩小，积极有序地发展。截至2008年底，我国已建成并投产的14家薄膜太阳能电池企业的产能约达125.9MW，年产量约为46MW。截止2009年底，已开工建设和已开展前期工作宣布建设的薄膜太阳能电池项目将近40个。
　　在未来市场中，薄膜太阳能电池所占的比重将会不断增加，薄膜太阳能电池的研发将继续提速。未来光伏建筑一体化（BIPV）的推广以及国家扶持太阳能电池发展的政策陆续出台，将推动我国薄膜太阳能电池新一轮的高速发展。另外，薄膜电池已被列入我国太阳能光伏产业“十二五”规划的发展重点。
　　本文介绍了国内外太阳能电池的背景和发展，不同材料的太阳能电池，以及重点讲述了黄铁矿新型太阳能电池的一些特性和未来的发展趋势。在未来的一段时期内，薄膜电池、柔性电池以及叠层电池将成为太阳能电池研究领域的主流。染作为新型陶瓷基太阳能电池，料敏化太阳能电池已逐渐得到国际专家、学者以及多领域产业的关注与重视，待技术条件成熟后，将成为国际市场的主流产品。
　　参考文献
　　[1]黄素逸.能源科学导论[M].北京：中国电力出版社，1999： 202-204.
　　[2]朱兆瑞，祝昌汉等编.中国太阳能[M].北京：气象出版社，1988：1-5.
　　[3]叶大均，能源概论[M].北京：清华大学出版社，1990：2-3.
　　[4]黄惠良，林坚杨等.太阳能电池――制备・发展・应用[M].科学出版社，2012：6-9.