太陽能是可再生能源，具有清潔、無污染和分布廣泛等優(yōu)點，對其高效開發(fā)利用是解決當前能源和環(huán)境問題的關(guān)鍵措施。

光伏電池是一種通過光電效應(yīng)直接將太陽能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

為研發(fā)出高效率低成本的光伏電池，推廣太陽能利用，光伏技術(shù)不斷更新發(fā)展，光伏電池材料的種類也越來越多，大致可按其材料結(jié)構(gòu)分為以下三類：?

①硅基光伏電池：單晶硅、多晶硅光伏電池等。?

②薄膜光伏電池：砷化鎵、碲化鎘、銅銦鎵硒薄膜光伏電池等。??

③新型光伏電池：具有理論高轉(zhuǎn)化效率以及低成本優(yōu)勢的新概念電池，主要有染料敏化光伏電池、鈣鈦礦光伏電池、有機太陽電池以及量子點太陽電池等。?

本文梳理了目前光伏電池材料的研究進展。

硅基光伏電池以硅材料為基礎(chǔ)，主要包括單晶硅光伏電池和多晶硅光伏電池。

單晶硅在硅基光伏電池中效率是最高的，在實驗室中，單晶硅光伏電池的轉(zhuǎn)換效率達到了26.7%，但受到材料價格及繁瑣制備工藝的影響，導(dǎo)致單晶硅成本價格居高不下，不利于市場推廣應(yīng)用。

因此，研究者不得不尋找新的低成本光伏電池材料予以替代。

于是，制作成本占優(yōu)的多晶硅光伏電池很快進入人們的視野。多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)，熔融的單質(zhì)硅在過冷條件下凝固時，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，這些晶核長成晶面取向不同的晶粒結(jié)合起來，就結(jié)晶成多晶硅。

多晶硅

多晶硅光伏電池制備工藝與單晶硅較為相似，但制作成本上卻低很多。

目前，多晶硅光伏電池實驗室最高轉(zhuǎn)化效率由阿斯特公司的德國ISFH研究所報道，測試結(jié)果為22.8%。

然而，光伏市場實際使用的多晶硅光伏電池轉(zhuǎn)化效率在18%左右，明顯低于單晶硅光伏電池，這也成為阻礙多晶硅光伏電池發(fā)展的重要原因。

值得注意的是，由于傳統(tǒng)的單晶硅太陽電池具有使用壽命長、制備工藝完善以及轉(zhuǎn)化效率高的優(yōu)點，盡管其工藝成本占電池組件總成本的30%，但其仍是光伏市場的主導(dǎo)產(chǎn)品。

為了降低其成本，近年來，將復(fù)合材料膜與硅基光伏電池結(jié)合的研究進入人們的視野，復(fù)合透明膜的引入可增加硅電池表面對光的吸收，相比于傳統(tǒng)硅電池，這類雜化電池的制備工藝大為簡化，有望大幅度降低硅基光伏電池的成本。

因此，對于硅基光伏電池來說，提升效率的關(guān)鍵是增加電池對光的吸收率及減小電池表面復(fù)合。

近年來，鈍化發(fā)射極背部局域擴散電池、全背電極接觸晶硅太陽電池、晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池、交叉指式背接觸異質(zhì)結(jié)(HIT+IBC,HBC)等電池結(jié)構(gòu)的提出，使硅基光伏電池的實驗室轉(zhuǎn)化效率接近Shockley-Queisser極限，但是硅基光伏電池的制備成本卻居高不下，如何簡化制備工藝，降低電池制備成本成為硅基光伏電池新的研究方向。

未來可結(jié)合成本更低的薄膜工藝，將硅基光伏電池與鈣鈦礦薄膜材料結(jié)合起來，研制新型的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)電池。

同時，也可將硅與新型材料結(jié)合，如利用石墨烯載流子移動速度較快且在可見波段有極高的透光率的特點，將石墨烯與硅光伏電池結(jié)合起來，形成新的硅基肖特基結(jié)光伏電池，使制備工藝簡化，制備成本降低。

異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)電池

薄膜光伏電池是繼硅基光伏電池后出現(xiàn)的新一代光伏電池，與硅基光伏電池相比薄膜光伏電池用料更少，且理論上也具更高轉(zhuǎn)化效率。

薄膜光伏電池

在“雙碳”愿景下，推廣光伏建筑一體化(BIPV)是重要舉措，而薄膜光伏電池具有半透明和柔性的特點(圖1)能夠很好地滿足光伏建筑的需求。

圖1 柔性半透明電池實物圖

目前，薄膜光伏電池主要產(chǎn)品包括：碲化鎘光伏電池(CdTe)、銅銦鎵硒薄膜光伏電池(CIGS)、砷化鎵光伏電池 (GaAs)等。

CdTe薄膜光伏電池是近年來發(fā)展較快，其主要優(yōu)勢是性能穩(wěn)定、制造成本低并且其大規(guī)模運行效率高于非晶硅光伏電池，具有非常誘人的發(fā)展前景。

目前已有位于杭州市的綜合能源生產(chǎn)調(diào)度中心使用CdTe電池作為發(fā)電建材，以太陽能作為基礎(chǔ)能源供大樓日常使用。

薄膜光伏電池板

然而，CdTe薄膜光伏電池中的Te元素是稀有元素，天然儲量是有限的，目前主要發(fā)展趨勢是通過降低薄膜厚度來減少Te元素的使用。此外，Cd元素是有毒元素，需要有相應(yīng)的回收措施來減少電池對環(huán)境的污染。

由于CdTe電池的毒性問題難以解決，且電池本身的光電轉(zhuǎn)化效率也需要進一步提高，所以CIGS薄膜光伏電池進入了人們的視野。

該電池有很多優(yōu)點，一是輕量化，便于光伏電池的安裝；二是弱光性能優(yōu)越；三是可以制作成各種顏色，可以大面積應(yīng)用在光伏建筑一體化上；四是其光電轉(zhuǎn)化效率也較高，目前實驗室效率已經(jīng)達到23.4%。

然而，CIGS電池在產(chǎn)業(yè)化進程中也遇到阻礙，制造工藝較為復(fù)雜導(dǎo)致前期投資成本過高。

需要指出的是，該電池中關(guān)鍵材料In元素是全世界較為稀缺的材料，但我國In元素儲量全球第一，為我國發(fā)展CIGS電池提供良好的材料基礎(chǔ)。

因此，CIGS電池也是我國光伏產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展的光伏電池種類。

為使CIGS電池能夠助力“碳中和”，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，目前的研究方向主要是努力消除電池的各種損耗對效率的影響。

因此，該電池未來的發(fā)展趨勢主要是：

一是替換電池的鎘緩沖層，由于目前CIGS電池的緩沖層是CdS，具有毒性，未來需要發(fā)展其他材料替換CdS；

二是采用低成本的吸收層；

三是構(gòu)建疊層電池體系，形成多結(jié)電池，理論上可以大大提高電池的效率；

四是采用柔性襯底，為光伏建筑一體化的推廣奠定基礎(chǔ)。

目前，我國已經(jīng)有CIGS薄膜光伏電池光伏建筑一體化的應(yīng)用，如圖2所示，蘇州同里綜合能源服務(wù)中心屋頂項目就是采用的CIGS薄膜光伏電池，該建筑應(yīng)用光伏技術(shù)、儲能技術(shù)以及智能家居系統(tǒng)實現(xiàn)了“零能耗”。

圖2 蘇州同里湖嘉苑漢瓦屋頂項目

最后，GaAs光伏電池是目前光電轉(zhuǎn)化效率最高的光伏電池，三結(jié)GaAs薄膜光伏電池的效率已經(jīng)達到了37.9%，該記錄由日本Sharp公司研發(fā)的倒裝型電池創(chuàng)下。

GaAs光伏電池的優(yōu)勢除了高光電轉(zhuǎn)化效率外，還有個優(yōu)勢是耐高溫性能好，在200C以上硅電池基本不能工作，但GaAs電池可以正常工作。但其缺點也十分明顯，除了成本高昂，還有機械性能較差，較難加工。

現(xiàn)階段，由于GaAs電池的造價是普通硅基光伏電池的數(shù)倍，很難做到大面積推廣應(yīng)用，主要是用在空間衛(wèi)星、無人飛行器及概念汽車上，在民用消費領(lǐng)域還較少。

相比于CIGS、CdTe薄膜光伏電池，GaAs光伏電池的優(yōu)勢十分明顯，即效率更高，穩(wěn)定性更好，但是其高昂的成本使其市場競爭力較低，這也是該電池未來亟需解決的問題。

BIPV的應(yīng)用已經(jīng)持續(xù)了很長一段時間，但仍沒有大規(guī)模應(yīng)用。其中一個原因就是建筑技術(shù)和光伏發(fā)電技術(shù)是完全不同的兩個理念。

BIPV

傳統(tǒng)硅基材料電池由于沒有柔性半透明的特點，利用硅基材料的光伏電池技術(shù)無法與建筑設(shè)計的美觀理念結(jié)合在一起，但是薄膜光伏電池材料的出現(xiàn)為建筑技術(shù)和光伏發(fā)電技術(shù)的有機結(jié)合提供了可能，使BIPV建筑綠色低碳且不犧牲美觀度。

同時薄膜光伏電池材料還可以應(yīng)用在車頂、車身等更多領(lǐng)域，從而大量減少碳排放，助力我國“雙碳”工作。

未來為推廣薄膜光伏電池的應(yīng)用，需要降低電池的成本。例如，可以使用更便宜的元素代替原先薄膜光伏電池中較為昂貴的元素，如有學(xué)者將CIGS電池中昂貴的In和Ga用Zn和Sn取代，從而降低電池的成本。

此外，還可以結(jié)合硅基光伏電池已有的技術(shù)，采用雜化、摻雜元素的方式保證電池性能的同時，簡化電池的制備流程，降低電池的制備成本。

硅基光伏電池以及薄膜光伏電池材料的有些應(yīng)用缺陷短期內(nèi)很難解決，研究人員試圖找到新的材料來推進光伏電池產(chǎn)業(yè)化進程，于是新型光伏電池進入研究人員的視野，新型光伏電池的主要特點是：薄膜化、理論轉(zhuǎn)化效率高、原料豐富、無毒性，目前較為熱門的新型光伏電池有：染料敏化電池和鈣鈦礦電池等。

硅基太陽能組件

染料敏化光伏電池實際上是模仿光合作用原理而研制出的一種新型的光電化學(xué)電池，是人們在探索電池制備新工藝、新材料和電池薄膜化過程中發(fā)展起來的一種新型光伏器件。

圖3給出了染料敏化光伏電池的結(jié)構(gòu)示意圖。典型的DSSCs主要由5個主要部分組成，分別是導(dǎo)電玻璃(鍍有透明導(dǎo)電膜)、多孔半導(dǎo)體薄膜(納米TiO2)、染料敏化劑、電解質(zhì)和對電極。

圖3染料敏化光伏電池結(jié)構(gòu)

目前DSSCs的最高轉(zhuǎn)化效率僅為13%，由EPFL所報道。

研究人員利用界面修飾、納米結(jié)構(gòu)調(diào)控、離子摻雜以及不同材料復(fù)合等方法獲得較大的比表面積，增加對染料吸附，從而提高捕光能力以提高電池的光電轉(zhuǎn)化效率。

由于染料敏化電池的Pt電極價格昂貴，增加了染料敏化電池的生產(chǎn)成本，于是有研究人員發(fā)現(xiàn)可利用碳材料代替Pt金屬電極，以降低電池制備成本。

此外，也有研究者將ZnO納米花與TiO2復(fù)合涂覆到透明電極以提高電池轉(zhuǎn)化效率。

除了轉(zhuǎn)化效率和成本問題，電池的穩(wěn)定性問題也需要得到重視，目前大多數(shù)DSSCs采用液態(tài)電解質(zhì)以提高電池效率，但是液態(tài)電解質(zhì)有易泄漏、穩(wěn)定性差的缺陷，限制了該電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

另外，還有一種新型光伏電池是鈣鈦礦光伏電池，該電池是目前新型光伏電池中的研究熱門。

PSCs的效率高于DSSCs，而且其制備成本遠低于傳統(tǒng)的硅基光伏電池，具有誘人的發(fā)展前景。如圖4所示，PSCs的基本構(gòu)造通常為透明電極/電子傳輸層/光吸收層/空穴傳輸層/金屬陰極。

圖4平面結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池(PSCs)結(jié)構(gòu)示意圖

2009年日本桐蔭橫濱大學(xué)Miyasaka課題組以甲胺鉛碘為吸光材料研制了鈣鈦礦光伏電池，報道的效率僅為3.8%。

為進一步提高鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)化效率，研究者們還在電池的薄膜制備工藝、載流子輸送界面層設(shè)計、摻雜材料的選擇以及電池器件結(jié)構(gòu)設(shè)計方面進行進一步研究。

經(jīng)不斷發(fā)展，韓國科學(xué)技術(shù)高等研究院、首爾大學(xué)以及美國國家可再生能源實驗室共同研究，2020年將PSCs電池最高效率提升至26.7%。

目前，鈣鈦礦電池的最大的劣勢是材料不穩(wěn)定，鈣鈦礦電池中的有機陽離子易揮發(fā)，從而導(dǎo)致鈣鈦礦分解。

于是，具有超高的濕度穩(wěn)定性二維鹵代物鈣鈦礦引起了各國研究者的注意。

二維鈣鈦礦電池是一種非常有發(fā)展前景的鈣鈦礦電池形態(tài)，其獨特的可調(diào)性可以用來解決一系列鈣鈦礦電池的光照穩(wěn)定性、水氧穩(wěn)定性問題。

除此以外，劉海潮等將生物質(zhì)多孔碳材料應(yīng)用于鈣鈦礦電池以提升電池效率，該項工作不僅可以降低生物質(zhì)碳材料的制備成本，同時也可加速PSCs的商品化進程。

隨著研究人員的不斷努力，新型光伏電池尤其是鈣鈦礦光伏電池的性能不斷提升，并且其轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)可以媲美傳統(tǒng)硅基光伏電池，但是其穩(wěn)定性的問題仍然制約著其商業(yè)化的發(fā)展，未來可將鈣鈦礦材料與多種材料如石墨烯、多孔碳等進行復(fù)合，或嘗試不同的材料形態(tài)，以提高電池的穩(wěn)定性。

從目前全球光伏市場來看，單晶硅以及多晶硅電池因具較高性價比，仍然占市場主體。然而，薄膜光伏電池或新型光伏電池由于其較高的理論轉(zhuǎn)化效率和較低的制備成本也突顯出誘人的發(fā)展前景。

表1為各類主要光伏電池的對比，從“碳中和”應(yīng)用角度出發(fā)，對比分析它們的轉(zhuǎn)化效率、優(yōu)缺點、成本以及主要應(yīng)用場景。

雖然目前新型光伏電池種類繁多，其中已經(jīng)能夠產(chǎn)業(yè)化并且應(yīng)用到民用領(lǐng)域的光伏電池只有鈣鈦礦光伏電池。

從表中對比可看出，每種光伏電池都有各自的應(yīng)用場景，仍未有一款完美的光伏電池同時做到高效低成本。為實現(xiàn)“30·60”目標，仍需大力發(fā)展高效率和低制備成本的光伏電池。

在“碳中和”愿景下，需要大力發(fā)展新型光伏電池，然而，新型光伏電池屬于發(fā)展較晚的電池種類，其電池技術(shù)也一直在進步，國內(nèi)外研究人員一直在積極地推動新型光伏電池的產(chǎn)業(yè)化進程。

如表2所示，為目前部分國內(nèi)外新型光伏電池的研究進展。評估一種光伏電池是否有應(yīng)用前景，其光電轉(zhuǎn)化效率是一個重要衡量標準。

表2 國內(nèi)外新型太陽能電池研究進展

除了要保證電池的轉(zhuǎn)化效率外，電池的工作穩(wěn)定性也是目前光伏電池研究的重要方向之一，目前為了提高鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性主要從有兩種基本思路：一是從鈣鈦礦電池材料出發(fā)，抑制材料在使用過程中產(chǎn)生分解；二是采用合適的電池封裝技術(shù)，阻礙電池與外界環(huán)境發(fā)生反應(yīng)。

電池材料的環(huán)境友好性是決定一種光伏電池能否大規(guī)模應(yīng)用的又一重要因素。研究人員主要改進方向有兩種：一是徹底替換原先的有害元素；二是利用摻雜的手段，降低原先有毒元素的毒性。

電池大面積制備技術(shù)是能否實現(xiàn)新型光伏電池產(chǎn)業(yè)化的最后一步。

目前，很多新型光伏電池制備技術(shù)只能滿足實驗室研究使用，無法滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)所需的大面積以及低成本的要求。

因此，目前對于大面積制備技術(shù)的主要研究方向是如何保障電池效率沒有因為大面積量產(chǎn)而降低并且是低成本的制造工藝。