新型太阳能电池技术及应用

自从1954年贝尔实验室研制出实用化晶体硅太阳电池以来，经过近60年的研究发展，光伏技术作为一种全新的发电方式越来越引起世界各国的高度关注。美国、日本、德国等都投入巨资加大研发力度和推进产业化进程。从以硅片为衬底的第一类晶体硅电池，到以薄膜技术为主的第二类薄膜太阳电池，人们不断追求的目标主要是高的光电转换效率与低的生产成本，最终能够将这种技术作为一种最实用发电技术推向规模化应用，以有效应对全球日益严重的能源短缺与环境污染。

严格说来，不管是晶体硅电池，还是薄膜电池都属于同一代，它们将长期共同发展，相辅相成，互相促进，两者之间不存在势不两立的矛盾。事实上，各种太阳电池各有特点，各有特定适合的市场，每种都有发展的空间。在太阳电池技术的发展过程中，世界各国多个研究机构一直在追求最高的转换效率，对多种材料、多种技术都进行了探索。表20．1展示了至今为止的各类电池的实验室与商业化产品的世界纪录。然而，决定太阳电池能否推广的指标不仅是效率，而且在某种情况下，生产成本显得更为重要。至今为止，市场主流以晶体硅电池为主，薄膜电池为辅，预计这种状况未来很长一段时间不会改变。这两种电池面临的共同问题是效率不是很高（特定市场使用的砷化镓电池除外），因此促使人们从根本的变革考虑，即基于原理、技术突破，开展新一代即新型太阳电池研究与开发。

表20．1a　展示了至今为止的各类电池的世界纪录（实验室＊）

（续表）

＊实验室效率数据来自NREL《Best Research－cell Efficiencies》

表20．1b　展示了至今为止的各类电池的世界纪录（企业产品＊＊）

备注：2012年5月18日，经国际权威机构TüV Rehinland测试认证，天合光能国家重点实验室自主研发的Honey Ultra高效电池及高效组件工艺取得重大突破，1 650mm×992mm标准商用60片多晶156mm×156 mm组件，其转换效率创造了世界纪录，发电量峰值达284．7W，组件转换效率达17．4%。

＊＊企业效率数据整理自企业官网或报导

新型电池的最大特点就是高的光电转换效率，其效率能够达到30%甚至更高。目前在现有硅电池或薄膜电池技术基础上，基于丰富的原料，在原理、技术上有所突破，先后出现多种太阳电池新概念与新技术，有可能成为新型太阳电池的主要有：

1）多结太阳电池（multi－junction solar cells）［1］，［2］

对于晶体硅而言，单结太阳电池的理论效率不超过30%［3］。因此要获得更高的效率，由多个p－n结堆叠构成的多结太阳电池就成为一个重要的研发方向。多结太阳电池，顾名思义，就是一片太阳电池包含2个或者更多个半导体p－n结，不同p－n结吸收不同频率范围的光波，即光谱分割利用，使得太阳辐射在整个光谱范围内得到最大程度的利用，从而达到提高太阳电池的转换效率的目的。一般来说，具有3－5 个p－n结的多结太阳电池的光电转换效率就可以达到50%甚至更高，但实际上不管是从材料选择、带隙匹配及制造工艺等方面来看，都存在很大的难度。而且p－n结过多，不仅成本上升，也将会导致不同p－n结之间的输出电流难以匹配，最后反而降低效率。如果将晶体硅作为底部电池，在其上构建一个带隙为约1．8eV的上部电池，就可形成双结电池，效率可以达到42%；而将晶体硅作为底部电池，带隙为2．0 eV和1．5eV的分别作为上部和中部电池，则效率可以就可达到47%。显然，如果2 到3个p－n结的太阳电池的效率能够达到40%～50%，这对于高效太阳电池的产业化开发，不管是从技术上还是经济上都是极为有利的［4］。(www.xing528.com)

在多结太阳电池中，不同p－n结的排列顺序取决于半导体材料带隙的大小，简单地说，对应于光谱的蓝、绿、黄、红及红外等波段，带隙最宽的一层要在最上面，用来吸收能量高的的波段，如蓝、绿波段，之后就按带隙减少的顺序排列，最下面的一层吸收能量低的波段，例如红及红外波段（见图20．1）。这样排列的依据是，能量高的光子穿透能力差，而能量低的光子穿透能力强。

图20．1　三个p－n结太阳电池的光谱分割利用原理图

目前多结太阳电池的造价比较昂贵，除去材料因素，其最大的原因是目前的制备手段仅限于分子束外延（MBE）和金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD），对设备的要求高，而且生产效率低。但随着研究不断深入与技术不断进步，相信其生产成本会有较大的下降。现在的多结太阳电池基本上是以化合物半导体为主，如以III－V深化合物砷化镓为基础制备的多叠层电池，可以达到很高的效率，但所用原料稀少，过度使用会影响其他行业的原料需求。同时，多结电池的造价太高，不具备市场优势，多结太阳电池主要用于太空技术或地面高倍聚光光伏系统，不可能支撑下规模生产与应用。因此，从推广应用来看，必须加强开发以硅为主或者能够大规模应用的某些新材料为主的多结太阳电池技术。这才是我们所面临的问题与挑战。

2）量子点（quantum dot）技术

量子点技术是基于一种在纳米尺寸下的材料的特殊性能。由于电子和空穴被量子限域，因此量子点拥有大块材料所缺少的光量子性质。量子点技术的特点就是可以实现材料的能带结构可调，即太阳电池所吸收的波段是可以调节的。一般来说，半导体的带隙宽，所吸收的光子的截止能量就高，对应的输出电压也高。如果带隙窄，所吸收的光子截止能量就小，对应的输出电压就低。因此，把不同尺寸的量子点组合在一起，就可能组合最佳的带隙匹配，以使电池获得最大的转换效率（见图20．2）。

图20．2　不同尺寸量子点构成的高效太阳电池［4］

与传统的结晶态半导体相比，量子点可以被制成各种各样的形式，如平面的、三维的。此外，量子点技术比较容易和有机聚合物、染料或者多孔薄膜材料结合。通过溶胶－凝胶的方法，还可以把量子点材料沉积在塑料、玻璃、金属之类的廉价衬底上而形成p－n结。

当量子点被制造成规则的三维阵列时，就会在内部产生强烈的电耦合作用，使到激子获得较长的寿命，促进了热载流子的运输和收集，提高了转换效率。此外，这种阵列有一种独特的性质，它可以利用单一一个光子，产生出多个不同的激子。

3）热载流子太阳电池（hot carrier solar cells）［5，6］

一般来说，1个光子激发1对电子－空穴之后，光子的多余能量将赋予载流子较高的热能。这些载流子发生碰撞并不造成能量损失，而是导致能量在载流子（电子、空穴）之间重新分配。此后载流子才与晶格发生碰撞，将把能量传给晶格。但在光照之后，如果电子和空穴不能被有效分离到正、负极，它们就会重新复合。对于热载流子电池，必须在电子和空穴冷却之前，将它们收集到正、负极。为此，采用超晶格结构作为吸收层可以延缓载流子冷却，这样就可以增加光的吸收层的厚度，从而提高对光的吸收。从理论上看，热载流子电池可以达到多层堆叠的电池相同的转换效率，但目前在材料的制备方法上还是存在一些问题。热载流子还有另外一种应用方法。要提高太阳电池的转换效率，必须将光能尽可能多的激发电子－空穴对，而避免其转化成热能白白浪费掉。如果一个高能量光子电离出一对电子－空穴对并使它们成为具有多余能量的“热载流子”，而这个热载流子具有的多余能量仍高于激发一对电子－空穴对所需要的能量，那么这个热载流子就完全有可能通过声子把多余的能量用来产生第二对甚至第三对电子－空穴对，这样对提高太阳电池效率无疑是具有重要作用的。

多年来，以上3种太阳电池的研究相对比较广泛和深入，澳大利亚新南威尔士大学对这类新型太阳电池做过较多的创造性的发展。此外，美国、德国及日本等多个研发机构始终将新型太阳电池的研发作为重要的发展目标。我国在最近几年多个大学和中科院的多个研究所，都开始将新一代太阳电池的发展作为重要的科研项目在推进。当然，新一代太阳电池的研究的成果还有很多种，如中间带隙太阳电池、光谱频率转换技术［7］以及高效有机聚合物太阳电池，但由于这些仅处于理论阶段，离实际应用还有很长的路要走。事实上，与许多新技术发展类似，太阳电池进步的最核心、最主要的难题还是新材料研制或材料制备新工艺开发等，许多技术进步都直接与新材料有关。相信通过新概念、新原理的发展和相关技术的发展与突破，各类适应市场需求的太阳电池技术都有发展空间，如选择性发射极电池［8］、双面受光太阳电池、EWT、MWT、背面电极［9］、HIT太阳电池及彩色太阳电池等。不久将来，能在地面上规模化应用的30%左右的转换效率的高效电池有可能会问世。