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摘 要 该文从能源角度入手分析了太阳能电池对未来社会发展的重要性，指出了太阳电池的发展历程，工作原理和分类，着重介绍了硅基太阳电池，薄膜太阳电池和新型太阳电池各自的优缺点。
关键词 新能源；太阳电池；原理；种类
中图分类号 TM615 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2013）011-0166-03
1 太阳电池概述
进入21世纪，环境和能源问题是当前整个国际社会所共同面临的两大问题。随着世界人口增长、经济发展，人类社会活动对能源的需求越来越大。根据国际能源署的预测，在未来的近30年间，全球一次能源需求年平均增幅达到1.7%，到2030年时，年需求量将达到153亿吨石油当量。特别是近几年来，能源，特别是石油短缺问题越来越突出，由此引发了许多国际和社会争端。为了保持整个社会生产的不断发展和人民生活水平的不断提高，人们逐渐把关注的重点转移到新能源的开发和利用上。
新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，包括太阳能、生物质能、水能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能，以及海洋表面与深层之间的热循环等；此外，还有氢能、沼气、酒精、甲醇等。而太阳能是一种取之不尽，用之不竭的无污染能源。有人将原子核能和太阳能称为2l世纪的能源。利用太阳能进行光热、光电转换，开发太阳电池成为解决世界范围内的能源危机和环境污染的重要途径。制造出廉价、高效、低成本的太阳电池，大规模利用太阳能一直是科学家追求的目标。
太阳能是来自于太阳内部核聚变所释放的能量。据粗略统计，太阳的发光度，即太阳向宇宙全方位辐射的总能量流是4×1026J/s。其中向地球输送的光和热可达2.5×1018 cal/min，相当于燃烧4×108 t烟煤所产生的能量。一年中太阳辐射到地球表面的能量，相当于人类现有各种能源在同期内所提供能量的上万倍。所以，如何高效并且低成本的利用太阳能一直是近年来的研究热点。
1.1 太阳电池的工作原理
太阳能之所以能转换成电能，是利用太阳光使电池发电形成的。太阳电池发电的原理主要是半导体的光电效应，即光电材料吸收光能后发生光电子转换，然后在PN结作用下产生电动势，输出电能。电池器件其实就是一个大面积的PN结。
当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层界面，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的内建电场，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结（图2）。当太阳光照射这种半导体材料时，能量大于禁带宽度的光子在PN结两边的P区和N区发生本征吸收，从而激发产生很多的电子-空穴对即光生载流子，PN结界面附近的电子和空穴在复合之前，将在内建电场的作用下相互分离。电子向带正电的N区运动使得N区电子富集，空穴向带负电的P区运动使得P区空穴富集。整个PN结材料两端宏观表现出电势差，即光生电动势。当PN结材料两端连接成回路时，电路中出现电流（图3）。通过光照产生的电动势越大，回路中电流越大。
1.2 太阳电池发展历程
太阳电池的发展历程可追溯到19世纪30年代，1893年法国实验物理学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应，简称为光伏效应。1883年美国发明家Charles Fritts描述了第一块硒太阳电池的原理，他在一个金属衬底上先将Se膜融化成片，再将Au片作顶电极压在Se片上，制出了第一个大面积（30 cm2）的太阳电池。1930年朗格（Longer）首次提出可以利用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能。
1954年对于太阳电池的发展是划时代的一年。这一年美国贝尔实验室皮尔森（Pearson）偶然开启房间里的灯光时，发现单晶硅pn结会产生一个电压的物理现象。经过对这种光伏现象的研究，1954年底首次发表单晶硅太阳电池效率达6%的报道，开启了“pn”结型电池的新时代，直至今日“pn”电池仍然占据光伏事业的绝对地位。
1958年美国信号部队的T.Mandelkorn制成pn型单晶硅光伏电池，这种电池抗辐射能力强，这对太空电池很重要；同年，Hoffman电子的单晶硅电池效率达到9%；第一个光伏电池供电的卫星先锋1号发射，光伏电池100 cm2，0.1 W，为一备用的5 mW话筒供电。
1959年Hoffman电子实现可商业化单晶硅电池效率达到10%，并通过用网栅电极来显著减少光伏电池串联电阻；卫星探险家6号发射，共用9600片太阳电池列阵，每片2 cm2，共20 W。1980年第一个效率大于10%的CuInSe电池在美国制出；效率达8%的非晶硅太阳电池由RCA的Carlson研制出来，树立了非晶硅电池的里
程碑。
1985年是高效Si电池的大年：由澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）报道了在一个标准太阳下Si电池效率大于20%，美国Stanford大学给出了在200个太阳下聚光电池效率大于25%的报道。1994年美国NREL发布GaInP/GaAs两端聚光多结电池效率大于30%。1996年瑞士诺桑Gratzel的“染料敏化”固/液电池效率达11%。1998年美国NREL宣称薄膜CuInSe电池效率达19%，第一个GaInP/GaAs/Ge三结聚光电池宣布在1号空间站上应用。
进入21世纪以来，单晶硅电池的效率增长缓慢，最高纪录徘徊在25%上下。这个时候，澳大利亚新南威尔士大学的马丁·格林（Martin Green）教授提出了“第三代”电池的理念。要用全新的概念，采用清洁的、绿色环保技术的制造技术，达到电池的高效率与新概念、新材料、新技术并举。一种量子点型的太阳电池理论转换效率可达60%以上，是备受瞩目的未来高效太阳电池的候选技术之一。 真正意义上的光伏时代源于1954年贝尔实验室发明的pn结太阳电池。2002年世界累计建立光伏电站达2 GW。从1954年光伏电池出现，第一个累计1 GW电站的建立，前后花了25年的时间，而第二个1 GW，仅用了3年时间。预计今后10年，太阳能光电工业还将以20%-30%的速度增长，成为世界上最具发展前景的朝阳工业之一。
2 太阳电池的种类
一般来说太阳电池可分为硅基太阳电池，薄膜太阳电池，新型太阳电池。
2.1 硅基太阳电池
这一代电池发展最长久技术也最成熟，具体又可分为，单晶硅太阳电池（Monocrystalline Silicon）、多晶硅太阳电池（Polycrystalline Silicon）。
2.1.1 单晶硅太阳电池
硅基太阳电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅电池工艺已近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构；并在表面把厚度为13 nm的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合；同时改进了的电镀过程，增加栅极的宽度与高度的比率，通过以上工艺制得的电池转化效率超过23%，最大值可达23.3%。Kyocera公司制备的大面积（225 cm2）单晶太阳电池转换效率为19.44%。国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（2 cm×2 cm）转换效率达到19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5 cm×5 cm）转换效率达8.6%。
单晶硅太阳电池转换效率无疑是最高的，已经接近它的理论值。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅电池成本居高不下，要想大幅度降低其成本现在是非常困难的。
2.1.2 多晶硅太阳电池
多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。
多晶硅太阳电池是兼具单晶硅电池的高转换效率和长寿命以及非晶硅薄膜电池的材料制备工艺相对简化等优点的新一代电池，其转换效率一般目前为15%-17%，据悉在SNEC第四届（2010）国际太阳能光伏大会暨（上海）展览会上，无锡尚德展出的多晶硅太阳电池的效率已达到17.5%，这稍低于单晶硅太阳电池，但其没有明显效率衰退问题，并且能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池。
单晶硅太阳电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料，而制造这些材料工艺复杂，电耗很大，在太阳电池生产总成本中已超二分之一。对于单晶硅，应用各向异性化学腐蚀的方法可在（100）表面制作金字塔状的绒面结构，降低表面光反射。但多晶硅晶向偏离（100）面，采用上面的方法无法做出均匀的绒面。
2.2 薄膜太阳电池
薄膜太阳电池在降低成本方面比晶体太阳电池具有更大的优势：一是薄膜化可极大地节省昂贵的半导体材料；二是薄膜电池的材料制备和电池同时形成，因此节省了许多工序。薄膜太阳电池按材料可分为薄膜硅太阳电池、多元化合物薄膜太阳电池和有机薄膜太阳电池。其中薄膜硅太阳电池主要有非晶硅（a-Si）、微晶硅（μc-Si：H）和多晶硅（p-Si）薄膜太阳电池；新型无机多元化合物薄膜太阳电池材料主要包括砷化镓（GaAs）Ⅲ—Ⅴ族化合物、硫化镉（CdS）、碲化镉（CdTe）及铜铟硒薄膜电池[7]等。本文主要介绍几种主要的薄膜太阳电池。
2.2.1 非晶硅薄膜太阳电池
非晶态硅，其原子结构不像晶体硅那样排列得有规则，而是一种不定形晶体结构的半导体。非晶硅薄膜太阳电池于1976年问世，其原材料来源广泛、生产成本低、便于大规模生产，因而具有广阔的市场前景。非晶硅属于直接带系材料，它具有较高的光吸收系数，在0.4-0.75μm的可见光波段，其吸收系数比单晶硅要高出一个数量级，比单晶硅对太阳能辐射的吸收率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（约1μm厚）就能吸收约80%有用的太阳能，且暗电导很低，在实际使用中对低光强有较好的适应，特别适用于制作室内用的微低功耗电源，这些都是非晶硅材料重要的特点，也是它能够成为低价太阳电池的重要因素。非晶硅薄膜电池由于没有晶体硅所需要的周期性原子排列要求，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题，在较低的温度（200℃左右）下可直接沉积在玻璃、不锈钢、塑料膜和陶瓷等廉价衬底材料上，工艺简单，单片电池面积大，便于工业化大规模生产，同时亦能减少能量回收时间，降低生产成本。另外，非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5-2.0eV的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳电池的开路电压高。同时，还适合在柔性的衬底上制作轻型的太阳电池，可做成半透明的电池组件，直接用做幕墙和天窗玻璃，从而实现光伏发电和建筑房屋一体化。总的来说，非晶硅薄膜电池具有生产成本低、能量回收时间短、适于大批量生产、弱光响应好以及易实现与建筑相结合、适用范围广等优点。
由于非晶硅半导体材料（a-Si）最基本的特征是组成原子的排列为长程无序、短程有序，原子之间的键合类似晶体硅，形成的是一种共价无规网络结构。它含有一定量的结构缺陷、悬挂键、断键等，因此载流子迁移率低、扩散长度小、寿命短，所以这种材料是不适合直接做成半导体器件的。为了降低非晶硅中缺陷态密度，使之成为有用的光电器件，人们发现通过对其氢化处理后非晶硅材料中大部分的悬挂键被氢补偿，形成硅氢键，降低了隙态密度。1976年研究人员成功实现了对非晶硅材料的p型和n型掺杂，实现了a-Si-pn结的制作。 但这种氢化非晶硅pn结不稳定，而且光照时光电导不明显，几乎没有有效的电荷收集。因此为了把非晶硅材料做成有效的太阳电池，常采取的结构模式为p-i-n结构，p层和i层起着建立内建电场的作用，i层起着载流子产生与收集的作用。此外，非晶硅材料的光学带隙为1.7eV，材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳电池的转换效率，解决这个问题的方法就是制备叠层太阳电池，一方面增加太阳光利用率，另一方面提高非晶硅太阳电池效率。南开大学的耿新华等采用工业用材料，以铝背电极制备出面积为20×20 cm2、转换效率为8.28%的a-Si/a-Si叠层太阳电池。但是，非晶硅薄膜太阳电池光电效率会随着光照时间延续而衰减，即所谓的光致衰退（S-W效应）效应，主要是因为Si-H键很弱，在光照下H很容易失去，形成大量Si悬挂键，并且非晶硅薄膜电池转换效率低，一般在10%左右。所以为了提高电池转换效率和稳定性，必须尽量减小光致衰退影响和优化电池的结构和工艺。
2.2.2 碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池
CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，带隙1.5eV，与太阳光谱非常匹配，最适合于光电能量转换，是一种良好的PV材料，具有很高的理论效率（28%），性能很稳定，一直被光伏界看重。另外，CdTe的吸收系数在可见光范围高达104cm-1以上，95%的光子可在1μm厚的吸收层内被吸收。碲化镉容易沉积成大面积的薄膜，沉积速率也高。CdTe薄膜太阳电池通常以CdS/CdTe异质结为基础。尽管CdS和CdTe和晶格常数相差10%，但它们组成的异质结电学性能优良，制成的太阳电池的填充因子高达0.75。电池性能稳定，一般的碲化镉薄膜太阳电池的设计使用时间为20年。所以，碲化镉太阳电池是技术上发展较快的一种薄膜电池。
碲化镉薄膜太阳电池是在玻璃或是其它柔性衬底上依次沉积多层薄膜而构成的光伏器件。一般标准的碲化镉薄膜太阳电池由五层结构：玻璃衬底、TCO层、CdS窗口层、CdTe吸收层、背接触层和背电极。它可以由多种方法制备，如化学水浴沉积（CBD）、近空间升华法、丝网印刷、溅射、蒸发等。一般的工业化和实验室都采用CBD的方法，这是因为CBD法的成本低，并且生成的CdS能够与TCO形成良好的致密接触。
碲化镉薄膜太阳电池的制造成本低，目前，已获得的最高效率为16%，是应用前景最好的新型太阳电池，它已经成为美、德、日、意等国研究开发的主要对象。我国CdTe薄膜电池的研究工作开始于上世纪80年代初。内蒙古大学采用蒸发技术、北京太阳能研究所采用电沉积技术（ED）研究和制备CdTe薄膜电池，后者研制的电池效率达到5.8%。90年代后期，四川大学太阳能材料与器件研究所在冯良桓教授的带领下在我国开展了碲化镉薄膜太阳电池的研究，在“九五”期间，承担了科技部资助的科技攻关计划课题“Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体多晶薄膜太阳电池的研制”。采用近空间升华技术研究CdTe薄膜电池，并取得很好的成绩。最近电池效率已经突破13.38%，进入了世界先进行列。“十五”期间，CdTe薄膜电池研究被列入国家高技术研究发展计划“863”重点项目。
虽然20世纪90年代CdTe薄膜太阳电池就已实现了规模商业化生产，但市场发展的速度缓慢，所占的市场份额一直不大。影响CdTe薄膜太阳电池发展的原因是Cd有剧毒、Te为稀有元素。由于CdTe有剧毒这一致命缺点，直接影响了CdTe薄膜材料类太阳电池的研发价值和应用范围。
2.2.3 砷化镓薄膜太阳电池
GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙为1.4eV，正好为高吸收率太阳光的值，与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30%，特别适合做高温聚光太阳电池。
用GaAs作衬底的光电池效率高达29.5%（一般在19.5%左右），产品耐高温和辐射，但生产成本高，产量受限，目前主要用作空间电源。以硅片作衬底，MOCVD技术异质外延方法制造GaAs电池是降低低成本很有希望的方法。已研究的砷化镓系列太阳电池有单晶砷化镓，多晶砷化镓，镓铝砷—砷化镓异质结，金属—半导体砷化镓，金属—绝缘体—半导体砷化镓太阳电池等。砷化镓材料的制备类似硅半导体材料的制备，有晶体生长法，直接拉制法，气相生长法，液相外延法等。由于镓比较稀缺，砷有毒，且制造成本高，此种太阳电池的发展受到影响。
2.3 新型太阳电池
这类太阳电池发展较晚，但具有很大的应用前景。主要包括染料敏化类薄膜太阳电池。染料敏化薄膜太阳电池（Dye-sensitized solar cell，简称DSSC）实际上是模仿光合作用原理而研制出的一种新型的光电化学电池，是人们在探索电池制备新工艺、新材料和电池薄膜化过程中发展起来的一种新型光伏器件。
染料敏化太阳电池的工作原理：以染料分子作为吸光的主要材料，在吸收到太阳光时，电子被激发到高能隙层，但激发态是一个不稳定态，所以电子必须以最快速度传输到紧邻的染料分子的导电层内，同时染料分子所失去的电子也能在第一时间从电解质中得到回馈。在染料分子导带中的电子最终经过电极而传送到外部回路从而产生光生电流。
染料敏化太阳电池的基本结构包括三个部分：染料敏化的TiO2纳米晶薄膜、工作电极、含有I-/I3-的电解质和对电极。通常由于二氧化钛的禁带宽度较大（3.2eV），可见光不能将其直接激发，因此要在二氧化钛薄膜表面吸附一层对可见光吸收性能良好的染料分子作为敏化剂。当光照射时，染料分子吸收光子后发生跃迁到激发态，激发态的染料分子产生中心离子向配体的电荷转移，电子通过配体很快注入到较低能级的二氧化钛导带上，从而电子在导带基底上富集，并通过外电路流向对电极。染料分子输出电子后成为氧化态，随后被电解质中的I-还原而再生，而氧化态的电解质（I3-）在Pt对电极上得到电子对还原，完成一个光电化学反应循环。在整个光电转换过程中只有光能转化为电能.各反应物的总状态没有发生变化。目前，染料敏化太阳电池材料还存在光电转化效率偏低、寿命相对较短的问题。因此，如何提高转换效率增长电池寿命是染料敏化太阳电池研究的重要方向。 在这些太阳电池中，CIS薄膜太阳电池是目前公认的最具潜力的太阳电池，它具有以下几个优点：1）CIS的禁带宽度一般为1.04eV，通过适量的Ga取代部分的In，可以使禁带宽度在1.04-1.67eV范围内调整；2）CIS是一种直接带隙材料，吸收系数在可见光范围高达105 cm-1以上，99%的光子可在1 μm厚的吸收层内被吸收，用它作太阳电池材料，所需的厚度一般仅2 μm左右，大大降低了电池的成本；3）转换效率高；4）电池性能稳定，抗辐射能力强。
参考文献
[1]李申生著.太阳能物理学[M].北京：首都师范大学出版社，1996：222-223.
（下转第159页）
（上接第168页）
[2]王利. 铜铟硒（CulnSe2）掺硒预置层制备及热退火过程分析[D].天津：南开大学，2010：3-4.
[3]熊绍珍，朱美芳著.太阳能基础与应用[M].北京：科学出版社，2009：13-17.
[4]安其霖.太阳电池原理与工艺[M].上海：上海科学技术出版社，1984：230.
[5]王育伟，刘小峰，陈婷婷等.薄膜太阳电池的最新进展[J].半导体光电，2008，29（2）：151-157.
[6]徐慢，夏冬林，杨晟等.薄膜太阳电池[J].材料导报，2006，9：109-111.
[7]张中俊，王婷婷，曾和平.薄膜太阳电池的研究进展[J].电子元件与器件，2010，29（11）：75-78.
[8]耿新华，李洪波，王宗畔等.400cm2 a-Si/a-Si叠层太阳电池的研究[J].太阳能学报，1998，19（4）：1-7.
[9]Wei C， Lianghuan F， et al. Produce technology of CdTe thin film modules and design of manufacture line[J].Photovoltaic Energy Conversion，2006，585.
[10]芸菲，徐刚，梁宗存.二氧化钛纳米染料敏化电池研究动态[J].材料科学与工程学报，2006，24（3）：456-461.
[11]杨德仁著.太阳电池材料[M].北京：化学工业出版社，2006.
作者简介
罗扬（1992—），男，山东邹城人，本科生，中南大学冶金科学与工程学院在读本科生，冶金工程专业。
关键词 新能源；太阳电池；原理；种类
中图分类号 TM615 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2013）011-0166-03
1 太阳电池概述
进入21世纪，环境和能源问题是当前整个国际社会所共同面临的两大问题。随着世界人口增长、经济发展，人类社会活动对能源的需求越来越大。根据国际能源署的预测，在未来的近30年间，全球一次能源需求年平均增幅达到1.7%，到2030年时，年需求量将达到153亿吨石油当量。特别是近几年来，能源，特别是石油短缺问题越来越突出，由此引发了许多国际和社会争端。为了保持整个社会生产的不断发展和人民生活水平的不断提高，人们逐渐把关注的重点转移到新能源的开发和利用上。
新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，包括太阳能、生物质能、水能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能，以及海洋表面与深层之间的热循环等；此外，还有氢能、沼气、酒精、甲醇等。而太阳能是一种取之不尽，用之不竭的无污染能源。有人将原子核能和太阳能称为2l世纪的能源。利用太阳能进行光热、光电转换，开发太阳电池成为解决世界范围内的能源危机和环境污染的重要途径。制造出廉价、高效、低成本的太阳电池，大规模利用太阳能一直是科学家追求的目标。
太阳能是来自于太阳内部核聚变所释放的能量。据粗略统计，太阳的发光度，即太阳向宇宙全方位辐射的总能量流是4×1026J/s。其中向地球输送的光和热可达2.5×1018 cal/min，相当于燃烧4×108 t烟煤所产生的能量。一年中太阳辐射到地球表面的能量，相当于人类现有各种能源在同期内所提供能量的上万倍。所以，如何高效并且低成本的利用太阳能一直是近年来的研究热点。
1.1 太阳电池的工作原理
太阳能之所以能转换成电能，是利用太阳光使电池发电形成的。太阳电池发电的原理主要是半导体的光电效应，即光电材料吸收光能后发生光电子转换，然后在PN结作用下产生电动势，输出电能。电池器件其实就是一个大面积的PN结。
当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层界面，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的内建电场，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结（图2）。当太阳光照射这种半导体材料时，能量大于禁带宽度的光子在PN结两边的P区和N区发生本征吸收，从而激发产生很多的电子-空穴对即光生载流子，PN结界面附近的电子和空穴在复合之前，将在内建电场的作用下相互分离。电子向带正电的N区运动使得N区电子富集，空穴向带负电的P区运动使得P区空穴富集。整个PN结材料两端宏观表现出电势差，即光生电动势。当PN结材料两端连接成回路时，电路中出现电流（图3）。通过光照产生的电动势越大，回路中电流越大。
1.2 太阳电池发展历程
太阳电池的发展历程可追溯到19世纪30年代，1893年法国实验物理学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应，简称为光伏效应。1883年美国发明家Charles Fritts描述了第一块硒太阳电池的原理，他在一个金属衬底上先将Se膜融化成片，再将Au片作顶电极压在Se片上，制出了第一个大面积（30 cm2）的太阳电池。1930年朗格（Longer）首次提出可以利用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能。
1954年对于太阳电池的发展是划时代的一年。这一年美国贝尔实验室皮尔森（Pearson）偶然开启房间里的灯光时，发现单晶硅pn结会产生一个电压的物理现象。经过对这种光伏现象的研究，1954年底首次发表单晶硅太阳电池效率达6%的报道，开启了“pn”结型电池的新时代，直至今日“pn”电池仍然占据光伏事业的绝对地位。
1958年美国信号部队的T.Mandelkorn制成pn型单晶硅光伏电池，这种电池抗辐射能力强，这对太空电池很重要；同年，Hoffman电子的单晶硅电池效率达到9%；第一个光伏电池供电的卫星先锋1号发射，光伏电池100 cm2，0.1 W，为一备用的5 mW话筒供电。
1959年Hoffman电子实现可商业化单晶硅电池效率达到10%，并通过用网栅电极来显著减少光伏电池串联电阻；卫星探险家6号发射，共用9600片太阳电池列阵，每片2 cm2，共20 W。1980年第一个效率大于10%的CuInSe电池在美国制出；效率达8%的非晶硅太阳电池由RCA的Carlson研制出来，树立了非晶硅电池的里
程碑。
1985年是高效Si电池的大年：由澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）报道了在一个标准太阳下Si电池效率大于20%，美国Stanford大学给出了在200个太阳下聚光电池效率大于25%的报道。1994年美国NREL发布GaInP/GaAs两端聚光多结电池效率大于30%。1996年瑞士诺桑Gratzel的“染料敏化”固/液电池效率达11%。1998年美国NREL宣称薄膜CuInSe电池效率达19%，第一个GaInP/GaAs/Ge三结聚光电池宣布在1号空间站上应用。
进入21世纪以来，单晶硅电池的效率增长缓慢，最高纪录徘徊在25%上下。这个时候，澳大利亚新南威尔士大学的马丁·格林（Martin Green）教授提出了“第三代”电池的理念。要用全新的概念，采用清洁的、绿色环保技术的制造技术，达到电池的高效率与新概念、新材料、新技术并举。一种量子点型的太阳电池理论转换效率可达60%以上，是备受瞩目的未来高效太阳电池的候选技术之一。 真正意义上的光伏时代源于1954年贝尔实验室发明的pn结太阳电池。2002年世界累计建立光伏电站达2 GW。从1954年光伏电池出现，第一个累计1 GW电站的建立，前后花了25年的时间，而第二个1 GW，仅用了3年时间。预计今后10年，太阳能光电工业还将以20%-30%的速度增长，成为世界上最具发展前景的朝阳工业之一。
2 太阳电池的种类
一般来说太阳电池可分为硅基太阳电池，薄膜太阳电池，新型太阳电池。
2.1 硅基太阳电池
这一代电池发展最长久技术也最成熟，具体又可分为，单晶硅太阳电池（Monocrystalline Silicon）、多晶硅太阳电池（Polycrystalline Silicon）。
2.1.1 单晶硅太阳电池
硅基太阳电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅电池工艺已近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构；并在表面把厚度为13 nm的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合；同时改进了的电镀过程，增加栅极的宽度与高度的比率，通过以上工艺制得的电池转化效率超过23%，最大值可达23.3%。Kyocera公司制备的大面积（225 cm2）单晶太阳电池转换效率为19.44%。国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（2 cm×2 cm）转换效率达到19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5 cm×5 cm）转换效率达8.6%。
单晶硅太阳电池转换效率无疑是最高的，已经接近它的理论值。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅电池成本居高不下，要想大幅度降低其成本现在是非常困难的。
2.1.2 多晶硅太阳电池
多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。
多晶硅太阳电池是兼具单晶硅电池的高转换效率和长寿命以及非晶硅薄膜电池的材料制备工艺相对简化等优点的新一代电池，其转换效率一般目前为15%-17%，据悉在SNEC第四届（2010）国际太阳能光伏大会暨（上海）展览会上，无锡尚德展出的多晶硅太阳电池的效率已达到17.5%，这稍低于单晶硅太阳电池，但其没有明显效率衰退问题，并且能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池。
单晶硅太阳电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料，而制造这些材料工艺复杂，电耗很大，在太阳电池生产总成本中已超二分之一。对于单晶硅，应用各向异性化学腐蚀的方法可在（100）表面制作金字塔状的绒面结构，降低表面光反射。但多晶硅晶向偏离（100）面，采用上面的方法无法做出均匀的绒面。
2.2 薄膜太阳电池
薄膜太阳电池在降低成本方面比晶体太阳电池具有更大的优势：一是薄膜化可极大地节省昂贵的半导体材料；二是薄膜电池的材料制备和电池同时形成，因此节省了许多工序。薄膜太阳电池按材料可分为薄膜硅太阳电池、多元化合物薄膜太阳电池和有机薄膜太阳电池。其中薄膜硅太阳电池主要有非晶硅（a-Si）、微晶硅（μc-Si：H）和多晶硅（p-Si）薄膜太阳电池；新型无机多元化合物薄膜太阳电池材料主要包括砷化镓（GaAs）Ⅲ—Ⅴ族化合物、硫化镉（CdS）、碲化镉（CdTe）及铜铟硒薄膜电池[7]等。本文主要介绍几种主要的薄膜太阳电池。
2.2.1 非晶硅薄膜太阳电池
非晶态硅，其原子结构不像晶体硅那样排列得有规则，而是一种不定形晶体结构的半导体。非晶硅薄膜太阳电池于1976年问世，其原材料来源广泛、生产成本低、便于大规模生产，因而具有广阔的市场前景。非晶硅属于直接带系材料，它具有较高的光吸收系数，在0.4-0.75μm的可见光波段，其吸收系数比单晶硅要高出一个数量级，比单晶硅对太阳能辐射的吸收率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（约1μm厚）就能吸收约80%有用的太阳能，且暗电导很低，在实际使用中对低光强有较好的适应，特别适用于制作室内用的微低功耗电源，这些都是非晶硅材料重要的特点，也是它能够成为低价太阳电池的重要因素。非晶硅薄膜电池由于没有晶体硅所需要的周期性原子排列要求，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题，在较低的温度（200℃左右）下可直接沉积在玻璃、不锈钢、塑料膜和陶瓷等廉价衬底材料上，工艺简单，单片电池面积大，便于工业化大规模生产，同时亦能减少能量回收时间，降低生产成本。另外，非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5-2.0eV的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳电池的开路电压高。同时，还适合在柔性的衬底上制作轻型的太阳电池，可做成半透明的电池组件，直接用做幕墙和天窗玻璃，从而实现光伏发电和建筑房屋一体化。总的来说，非晶硅薄膜电池具有生产成本低、能量回收时间短、适于大批量生产、弱光响应好以及易实现与建筑相结合、适用范围广等优点。
由于非晶硅半导体材料（a-Si）最基本的特征是组成原子的排列为长程无序、短程有序，原子之间的键合类似晶体硅，形成的是一种共价无规网络结构。它含有一定量的结构缺陷、悬挂键、断键等，因此载流子迁移率低、扩散长度小、寿命短，所以这种材料是不适合直接做成半导体器件的。为了降低非晶硅中缺陷态密度，使之成为有用的光电器件，人们发现通过对其氢化处理后非晶硅材料中大部分的悬挂键被氢补偿，形成硅氢键，降低了隙态密度。1976年研究人员成功实现了对非晶硅材料的p型和n型掺杂，实现了a-Si-pn结的制作。 但这种氢化非晶硅pn结不稳定，而且光照时光电导不明显，几乎没有有效的电荷收集。因此为了把非晶硅材料做成有效的太阳电池，常采取的结构模式为p-i-n结构，p层和i层起着建立内建电场的作用，i层起着载流子产生与收集的作用。此外，非晶硅材料的光学带隙为1.7eV，材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳电池的转换效率，解决这个问题的方法就是制备叠层太阳电池，一方面增加太阳光利用率，另一方面提高非晶硅太阳电池效率。南开大学的耿新华等采用工业用材料，以铝背电极制备出面积为20×20 cm2、转换效率为8.28%的a-Si/a-Si叠层太阳电池。但是，非晶硅薄膜太阳电池光电效率会随着光照时间延续而衰减，即所谓的光致衰退（S-W效应）效应，主要是因为Si-H键很弱，在光照下H很容易失去，形成大量Si悬挂键，并且非晶硅薄膜电池转换效率低，一般在10%左右。所以为了提高电池转换效率和稳定性，必须尽量减小光致衰退影响和优化电池的结构和工艺。
2.2.2 碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池
CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，带隙1.5eV，与太阳光谱非常匹配，最适合于光电能量转换，是一种良好的PV材料，具有很高的理论效率（28%），性能很稳定，一直被光伏界看重。另外，CdTe的吸收系数在可见光范围高达104cm-1以上，95%的光子可在1μm厚的吸收层内被吸收。碲化镉容易沉积成大面积的薄膜，沉积速率也高。CdTe薄膜太阳电池通常以CdS/CdTe异质结为基础。尽管CdS和CdTe和晶格常数相差10%，但它们组成的异质结电学性能优良，制成的太阳电池的填充因子高达0.75。电池性能稳定，一般的碲化镉薄膜太阳电池的设计使用时间为20年。所以，碲化镉太阳电池是技术上发展较快的一种薄膜电池。
碲化镉薄膜太阳电池是在玻璃或是其它柔性衬底上依次沉积多层薄膜而构成的光伏器件。一般标准的碲化镉薄膜太阳电池由五层结构：玻璃衬底、TCO层、CdS窗口层、CdTe吸收层、背接触层和背电极。它可以由多种方法制备，如化学水浴沉积（CBD）、近空间升华法、丝网印刷、溅射、蒸发等。一般的工业化和实验室都采用CBD的方法，这是因为CBD法的成本低，并且生成的CdS能够与TCO形成良好的致密接触。
碲化镉薄膜太阳电池的制造成本低，目前，已获得的最高效率为16%，是应用前景最好的新型太阳电池，它已经成为美、德、日、意等国研究开发的主要对象。我国CdTe薄膜电池的研究工作开始于上世纪80年代初。内蒙古大学采用蒸发技术、北京太阳能研究所采用电沉积技术（ED）研究和制备CdTe薄膜电池，后者研制的电池效率达到5.8%。90年代后期，四川大学太阳能材料与器件研究所在冯良桓教授的带领下在我国开展了碲化镉薄膜太阳电池的研究，在“九五”期间，承担了科技部资助的科技攻关计划课题“Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体多晶薄膜太阳电池的研制”。采用近空间升华技术研究CdTe薄膜电池，并取得很好的成绩。最近电池效率已经突破13.38%，进入了世界先进行列。“十五”期间，CdTe薄膜电池研究被列入国家高技术研究发展计划“863”重点项目。
虽然20世纪90年代CdTe薄膜太阳电池就已实现了规模商业化生产，但市场发展的速度缓慢，所占的市场份额一直不大。影响CdTe薄膜太阳电池发展的原因是Cd有剧毒、Te为稀有元素。由于CdTe有剧毒这一致命缺点，直接影响了CdTe薄膜材料类太阳电池的研发价值和应用范围。
2.2.3 砷化镓薄膜太阳电池
GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙为1.4eV，正好为高吸收率太阳光的值，与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30%，特别适合做高温聚光太阳电池。
用GaAs作衬底的光电池效率高达29.5%（一般在19.5%左右），产品耐高温和辐射，但生产成本高，产量受限，目前主要用作空间电源。以硅片作衬底，MOCVD技术异质外延方法制造GaAs电池是降低低成本很有希望的方法。已研究的砷化镓系列太阳电池有单晶砷化镓，多晶砷化镓，镓铝砷—砷化镓异质结，金属—半导体砷化镓，金属—绝缘体—半导体砷化镓太阳电池等。砷化镓材料的制备类似硅半导体材料的制备，有晶体生长法，直接拉制法，气相生长法，液相外延法等。由于镓比较稀缺，砷有毒，且制造成本高，此种太阳电池的发展受到影响。
2.3 新型太阳电池
这类太阳电池发展较晚，但具有很大的应用前景。主要包括染料敏化类薄膜太阳电池。染料敏化薄膜太阳电池（Dye-sensitized solar cell，简称DSSC）实际上是模仿光合作用原理而研制出的一种新型的光电化学电池，是人们在探索电池制备新工艺、新材料和电池薄膜化过程中发展起来的一种新型光伏器件。
染料敏化太阳电池的工作原理：以染料分子作为吸光的主要材料，在吸收到太阳光时，电子被激发到高能隙层，但激发态是一个不稳定态，所以电子必须以最快速度传输到紧邻的染料分子的导电层内，同时染料分子所失去的电子也能在第一时间从电解质中得到回馈。在染料分子导带中的电子最终经过电极而传送到外部回路从而产生光生电流。
染料敏化太阳电池的基本结构包括三个部分：染料敏化的TiO2纳米晶薄膜、工作电极、含有I-/I3-的电解质和对电极。通常由于二氧化钛的禁带宽度较大（3.2eV），可见光不能将其直接激发，因此要在二氧化钛薄膜表面吸附一层对可见光吸收性能良好的染料分子作为敏化剂。当光照射时，染料分子吸收光子后发生跃迁到激发态，激发态的染料分子产生中心离子向配体的电荷转移，电子通过配体很快注入到较低能级的二氧化钛导带上，从而电子在导带基底上富集，并通过外电路流向对电极。染料分子输出电子后成为氧化态，随后被电解质中的I-还原而再生，而氧化态的电解质（I3-）在Pt对电极上得到电子对还原，完成一个光电化学反应循环。在整个光电转换过程中只有光能转化为电能.各反应物的总状态没有发生变化。目前，染料敏化太阳电池材料还存在光电转化效率偏低、寿命相对较短的问题。因此，如何提高转换效率增长电池寿命是染料敏化太阳电池研究的重要方向。 在这些太阳电池中，CIS薄膜太阳电池是目前公认的最具潜力的太阳电池，它具有以下几个优点：1）CIS的禁带宽度一般为1.04eV，通过适量的Ga取代部分的In，可以使禁带宽度在1.04-1.67eV范围内调整；2）CIS是一种直接带隙材料，吸收系数在可见光范围高达105 cm-1以上，99%的光子可在1 μm厚的吸收层内被吸收，用它作太阳电池材料，所需的厚度一般仅2 μm左右，大大降低了电池的成本；3）转换效率高；4）电池性能稳定，抗辐射能力强。
参考文献
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作者简介
罗扬（1992—），男，山东邹城人，本科生，中南大学冶金科学与工程学院在读本科生，冶金工程专业。