太陽電池

【釋義】：用半導體硅﹑硒等材料將太陽的光能變成電能的器件。具有可靠性高﹐壽命長﹐無污染等優點﹐可做人造衞星﹑航標燈﹑晶體管收音機等的電源。

太陽能電池是一種利用光生伏特效應把光能轉換成電能的器件，又叫光伏器件，主要有單晶硅電池和單晶砷化鎵電池等。太陽電池最初為空間航天器使用，空間航天器用單晶硅太陽電池的基本材料為純度達0.999999、電阻率在10歐·釐米以上的P型單晶硅，包括p-n結、電極和減反射膜等部分，受光照面加透光蓋片（如石英或滲鈰玻璃）保護，防止電池受外層空間範愛倫帶內高能電子和質子的輻射損傷。單體電池尺寸從2×2釐米至5.9×5.9釐米，輸出功率為數十至數百毫瓦，它的理論光電轉換效率為20%以上 ，實際已達到15%以上。

單晶砷化鎵太陽電池的理論光電轉換效率為24%，實際達到18%。它能在高温、高光強下工作，耐輻射損傷能力高於硅太陽電池，但鎵的產量較少，成本高。級聯p-n 結太陽電池是在一塊襯底上疊加多個不同帶隙材料的 p-n結，帶隙大的頂結靠光照面，吸收短波光，往下帶隙依次減小，吸收的光波波長逐漸增長，這種電池可以充分利用日光，光電轉換效率大大提高。

為了提高單體太陽電池的性能，可以採取淺結、密柵、背電場、背反射、絨面和多層膜等措施，增大單體電池面積有利於減少太陽電池陣的焊接點，提高可靠性。

太陽電池發展歷史可以追溯到1839年，當時的法國物理學家Alexander-Edmond Becquerel發現了光生伏打效應（Photovoltaic effect）。直到1883年，第一個硒制太陽電池才由美國科學家Charles Fritts所製造出來。在1930年代，硒制電池及氧化銅電池已經被應用在一些對光線敏感的儀器上，例如光度計及照相機的曝光針上。而現代化的硅制太陽電池則直到1946年由一個半導體研究學者Russell Ohl開發出來。接着在1954年，科學家將硅制太陽電池的轉化效率提高到4%左右，次年達到11%。隨後，太陽電池應用於人造衞星。

1973年能源危機之後，人類開始將太陽電池轉向民用。最早應用於計算器和手錶等。1974年，Haynos等人，利用硅的各向異性（anisotropic）的刻蝕（etching）特性，在單晶硅太陽電池表面刻蝕出具有許多金字塔結構的絨面。金字塔絨面結構能有效降低太陽光在電池表面反射損失，使得當時的太陽電池轉換效率達到17%。

1976年以後，如何降低太陽電池成本成為業內關心的重點。1990年以後，電池成本降低使得太陽電池進入民間發電領域，太陽電池開始應用於併網發電。

分類太陽電池是光伏發電系統的核心。從產生技術的成熟度來區分，太陽電池可分為以下幾個階段：

第一代太陽電池：晶體硅電池；

第二代太陽電池：各種薄膜電池。包括非晶硅薄膜電池（a-Si）、碲化鎘太陽電池（CdTe）、銅銦鎵硒太陽電池（CIGS）、砷化鎵太陽電池、納米二氧化鈦染料敏化太陽電池等；

第三代太陽電池：各種超疊層太陽電池、熱光伏電池（TPV）、量子阱及量子點超晶格太陽電池、中間帶太陽電池、上轉換太陽電池、下轉換太陽電池、熱載流子太陽電池、碰撞離化太陽電池等新概念太陽電池。

按電池結構劃分，太陽電池可分為晶體硅太陽電池和薄膜太陽電池。

按照使用的基本材料不同，太陽電池可分為硅太陽電池、化合物太陽電池、染料敏化電池和有機薄膜電池幾種。

硅基太陽電池

硅基電池包括多晶硅、單晶硅和非晶硅電池三種。產業化晶體硅電池的效率可達到14%～20%(單晶體硅電池16%～20%，多晶體硅14%～16%)。目前產業化太陽電池中，多晶硅和單晶硅太陽電池所佔比例近90%。硅基電池廣泛應用於併網發電、離網發電、商業應用等領域。

(1)單晶硅太陽能電池 ^[1]  單晶太陽電池板硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉換效率最高（16%～20%），技術也最為成熟。現在單晶硅的電地工藝己近成熟，在電池製作中，一般都採用表面織構化、發射區鈍化、分區摻雜等技術，開發的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。

提高轉化效率主要是單晶硅表面微結構處理和分區摻雜工藝。在此方面，德國夫朗霍費費萊堡太陽能系統研究所保持着世界領先水平。該研究所採用光刻照相技術將電池表面織構化，製成倒金字塔結構。並在表面把一13nm厚的氧化物鈍化層與兩層減反射塗層相結合．通過改進了的電鍍過程增加柵極的寬度和高度的比率。Kyocera公司製備的大面積（225cm2）單電晶太陽能電池轉換效率為19.44%，國內北京市太陽能研究所也積極進行高效晶體硅太陽能電池的研究和開發，研製的平面高效單晶硅電池（2cm × 2cm）轉換效率達到19.79%，刻槽埋柵電極晶體硅電池（5cm ×5cm）轉換效率達18.6%。 單晶硅太陽能電池轉換效率無疑是最高的，在大規模應用和工業生產中仍佔據主導地位，但由於受單晶硅材料價格及相應的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價格居高不下。

（2）多晶硅太陽電池

多晶硅太陽電池成本低，轉化效率較高（14%～16%），生產工藝成熟，佔有主要光伏市場，是現在太陽電池的主導產品。多晶硅太陽電池已經成為全球太陽電池佔有率最高的主流技術。但多晶硅太陽電池效率低於單晶硅電池。比較單位成本發電效率，兩者接近。

（3）非晶硅太陽電池

非晶硅的優點在於其對於可見光譜的吸光能力很強（比結晶硅強500倍），所以只要薄薄的一層就可以把光子的能量有效吸收。而且這種非晶硅薄膜生產技術非常成熟，不僅可以節省大量的材料成本，也使得製作大面積太陽電池成為可能。主要缺點是轉化率低（5%-7%），而且存在光致衰退(所謂的S-W效應，即光電轉換效率會隨着光照時間的延續而衰減，使電池性能不穩定)。因此在太陽能發電市場上沒有競爭力，而多用於功率小的小分型電子產品市場。如電子計算器、玩具等。

在1980年代，非晶硅是唯一商業化的薄膜型太陽電池材料，當年非晶硅太陽電池出現，曾引起大量投入。從1985到1990年初，非晶硅太陽電池的比例曾創下全球太陽電池總量三分之一，但之後卻因為穩定性不佳問題未能獲得有效改善，使得產量下滑。

薄膜太陽電池

依據材料種類不同，薄膜電池 ^[2]  可細分為：微晶硅薄膜硅太陽電池（Thin Film Crystalline Silicon Solar Cell，簡稱c-Si）；非晶硅薄膜太陽電池（Thin Film Amorphous Silicon Solar Cell，簡稱a-Si）、Ⅱ-Ⅵ族化合物太陽電池（碲化鎘（CdTe）、硒化銦銅）、Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池，如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、磷化鎵銦（InGaP）。除了Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池可以利用多層薄膜結構達到高於30%以上的轉換效率外，其他的集中薄膜型太陽電池效率一般多在10%以下。

目前已產業化的薄膜光伏電池材料有三種：非晶硅 (a-Si)、銅銦硒(CIS， CIGS) 和碲化鎘(CdTe)，其中，非晶硅薄膜電池生產比重最大。2007年，佔全球總產量的5.2%。

（1） Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池

典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池為砷化鎵（GaAs）電池，轉換率達到30%以上，這是因為Ⅲ-Ⅴ族是具有直接能隙的半導體材料，僅僅2um厚度，就可在AM1的輻射條件下吸光97%左右。在單晶硅基板上，以化學氣相沉積法成長GaAs薄膜所製成的薄膜太陽電池，因效率較高，應用在太空。而新一代的GaAS多接面太陽電池，因可吸收光譜範圍高，所以轉換效率可達到39%以上，是目前轉換效率了最高的太陽電池種類。而且性能穩定，壽命也相當長。不過這種電池價格昂貴，平均每瓦價格可高出多晶硅太陽電池數十倍以上，因此不是民用主流。

因為具有直接能隙及高吸光係數，而且耐反射損傷性佳且對温度變化不敏感，所以適合應用在熱光伏特系統（thermophotovolaics TRV）、聚光系統（concentrator system）及太空等三個主要領域。

從2007年8月開始，砷化鎵電池從衞星上的使用轉變為聚光的太陽能發電站的規模應用。砷化鎵高效聚光電池在國外正在被證明是低成本規模建造太陽能電站的有效途徑。

（2）Ⅱ-Ⅵ族化合物太陽電池

Ⅱ-Ⅵ族化合物太陽電池包括碲化鎘薄膜電池和銅銦鎵硒薄膜電池。

碲化鎘電池具有直接能隙，能隙值為1.45eV，正好位於理想太陽電池的能隙範圍內。此外，具有很高的吸光係數。成為可以獲得高效率的理想太陽電池材料之一。此外，可利用多種快速成膜技術製作，由於模組化生產容易，因此近年來商業性表現較佳，CdTe/glass已經用於大面積屋頂材料。但鎘污染問題是發展該薄膜電池的一項隱患。不過美國和德國已經推行CdTe太陽電池回收及再生機制，為市場注入正面力量。由於該電池製作過程耗時只有幾分鐘，易於快速批量生產，因此美國方面相當看好市場前景。認為未來可能超過非晶硅太陽電池佔有量。

銅銦鎵硒吸光範圍非常廣，而且户外環境下穩定性相當好。由於其具有高轉換效率和低材料製造成本，因此被視為未來最有發展潛力的薄膜電池種類之一。在轉換效率方面，若利用聚光裝置的輔助，目前轉換效率已經可以達到30%左右，在標準環境測試下最高也達到了19.5%水平，可以和單晶硅太陽電池媲美。除了適合用在大面積的地表用途外，Cu（InGa）Se2太陽電池也具有抗輻射損傷能力，所以也具有應用在太空領域潛力。經過30年發展，CIGS電池普及性仍然不高。小規模的量產階段並未明確看到它被世人期待的成本優勢。因此，如何使得太陽電池量產技術成熟化大幅降低製造成本是未來努力的課題。另一個發展方向，是發展比較寬能隙（大於1.5eV）的CIGS技術，而不會造成效率損失。發展可以製造高品質的CIGS薄膜低温製造過程，也是降低製造成本的一個重點。在低材料成本及高模組效率的市場潛力吸引下，近年來，除了Shell Solar，Wrth Solar， Showa Shell，ZSW等持續投入研發外，甚至本田也跟進生產。CIGS太陽電池發展的隱患是In及Ga的藴藏量有限，在其他半導體及光電產業競相使用下，可能面臨目前硅材料不足的同樣問題。同時，製造工藝複雜，投資成本高，因而制約市場成長；CdS具有潛在毒性的缺點，因此限制了市場發展。

柔性襯底薄膜太陽電池

美國Toledo大學在柔性襯底非晶硅太陽電池領域的研究處於世界領先地位，其單結非晶硅鍺電池實驗室初始效率達到了13%，他們的技術團隊參與組建了MWOE和Xunlight公司，並在積極籌劃更大的產能。

日本在柔性襯底太陽電池的研究方面也走在世界前列。在日本，Sharp公司、Sanyo公司、TDK公司、Fuji公司都投入了大量人力、物力從事柔性襯底非晶硅太陽電池的研製，已經建成了多條兆瓦量級的聚酯膜柔性電池生產線。

Sanyo公司最早在無人駕駛的太陽能飛機上採用了柔性襯底非晶太陽電池作為能源，完成了橫跨美洲大陸的飛行，顯示了柔性非晶薄膜太陽電池作為飛行器能源的巨大潛力。Sharp公司、TDK公司在聚酯膜上製備的非晶硅太陽電池目前已能生產面積為286cm2的組件，效率已達8.1%，小面積電池的效率已達11.1%。Fuji公司a-Si/a-SiGe疊層電池穩定效率達到9%，在日本Kumamoto建立了工廠，塑料襯底非晶硅電池的產量2006年達15MW。

歐盟則聯合其成員國的多個研究機構組織包括Neuchatel大學、VHF-technologies公司、Roth&Rau公司等開展了聚酯膜襯底柔性電池的聯合攻關，目前已經實現了小批量的生產線。歐盟於2005年10月1日啓動了''FLEXCELLENCE''項目，為期3年，目標是開發出高效率薄膜電池組件卷對卷生產的設備和工藝，建成50兆瓦以上的柔性電池生產線，並希望將生產成本控制在每瓦0.5歐元。據2007年的報道，目前Neuchatel大學的聚酯膜襯底非晶硅疊層電池實驗室效率達到10.8%，VHF-technologies公司的年產能為25MW。

我國的柔性襯底薄膜電池的研究進展較慢。哈爾濱chrona公司在90年代中期曾研製出柔性聚酰亞胺襯底上的非晶硅單結薄膜電池，電池初始效率為4.63%，功率重量比為231.5W/kg，但此後進展不大。近年來南開大學在柔性襯底非晶硅薄膜電池方面的研究取得了一定的進展，他們在0.115cm2的聚酰亞胺襯底上獲得單結薄膜電池的初始效率為4.84%，功率重量比為341W/kg。

柔性襯底電池的產業化方面，目前天津津能電池有限公司在建6MW非晶硅柔性電池生產線，30MW生產線已經開始了項目論證，新疆天富光伏光顯有限公司在建1MW非晶硅柔性電池生產線，未來準備建立8MW。這兩家公司都由於設備及技術由國外進口，預計電池成本偏高。總的來説，國內目前具備了非晶硅薄膜電池研製的技術基礎，但是在柔性襯底上的研究還處於剛剛起步的階段，和國外的差距較大。 ^[3] 

1.用户太陽能電源太陽電池片

[1] 小型電源10-100W不等，用於邊遠無電地區如高原、海島、牧 區、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等；

[2] 3-5KW家庭屋頂併網發電系統；

[3] 光伏水泵：解決無電地區的深水井飲用、灌溉。

2. 交通領域

如航標燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標誌燈、路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。

衞星太陽電池板

3. 通訊/通信領域

太陽能無人值守微波中繼站、衞星、光纜維護站、廣播/通訊/尋呼電源系統；農村載波電話光伏系統、小型通信機、士兵GPS供電等。

4.石油、海洋、氣象領域

石油管道和水庫閘門陰極保護太陽能電源系統、石油鑽井平台生活及應急電源、海洋檢測設備、氣象/水文觀測設備等

太陽能路燈

5.家庭燈具電源

如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節能燈等。

6.光伏電站

10KW-50MW獨立光伏電站、風光（柴）互補電站、各種大型停車廠充電站等。

7.服裝

太陽能服裝、太空服等。

華南理工大學高分子光電材料與器件研究所研究團隊，在其首創並具有自主知識產權的水/醇溶性聚合物太陽電池界面調控材料與技術的基礎上，通過協同創新，利用一種倒置結構實現了能量轉換效率達到9.214%的聚合物太陽電池，刷新了單結聚合物異質結太陽電池能量轉換效率的世界最好水平。該項成果也於近日入選2012年度“中國科學十大進展”。

該成果由國家傑出青年科學基金獲得者吳宏濱教授和中國科學院院士曹鏞教授所在的高分子光電材料與器件研究團隊完成，他們發明的一種高效、新穎的倒置結構聚合物太陽電池，實現了9.214%的能量轉換效率，這一效率得到國家光伏質檢中心的獨立認證。研究成果在國際著名學術雜誌《NaturePho?tonics》(《自然光子學》)上發表，並被該期雜誌選為研究亮點。 ^[4]