一、前言 光伏發(fā)電簡(jiǎn)言之—就是將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)。作為光伏發(fā)電的核心—光伏電池，大家耳熟能詳?shù)挠芯Ч韬捅∧る姵?，隨著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用這些電池的技術(shù)水平正在飛速發(fā)展。 那么光伏電池的是如何發(fā)電的？它們未來(lái)的技術(shù)發(fā)展方向是怎樣的？除了晶硅和薄膜，還有沒(méi)有其他的光伏電池？成本會(huì)不會(huì)更有優(yōu)勢(shì)？發(fā)電效率會(huì)不會(huì)更高？ “ 今天小固就為大家總結(jié)下近些年光伏行業(yè)最具前瞻性和探索性的光伏電池前沿技術(shù)。 二、晶硅前沿技術(shù) 2006年以來(lái)晶硅組件在全球光伏應(yīng)用市場(chǎng)時(shí)鐘占據(jù)著80%以上的份額，占光伏應(yīng)用的主導(dǎo)地位。作為當(dāng)下光伏市場(chǎng)主流的晶硅光伏技術(shù)，也一直在轉(zhuǎn)化效率方面尋求突破。從雙玻組件、高效光伏組件到聚光光伏，技術(shù)一直在不斷迭代前行。下面小固就對(duì)幾種新興的晶硅光伏技術(shù)作詳細(xì)介紹。 N型高效單晶光伏電池技術(shù)
目前研究的N型單晶高效電池主要有：PERT電池，PERL電池，HIT電池，IBC電池，HBC電池等。根據(jù)電池受光面不同分為單面受光型和雙面受光型，N型單晶硅太陽(yáng)能電池的分類示意圖如下所示。

圖1 N型單晶硅太陽(yáng)能電池的分類 由常州天合光能光伏科學(xué)與技術(shù)國(guó)內(nèi)某國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立研發(fā)的6英寸大面積IBC電池效率已達(dá)22.9%，成為了6英寸IBC電池的最高轉(zhuǎn)換效率。德國(guó)Fraunhofer實(shí)驗(yàn)室利用PassDop技術(shù)制備的N-PERT型小面積電池（4cm2），其轉(zhuǎn)化效率可達(dá)23.2%（Voc=699mV，Jsc=41.3mA/cm2，F(xiàn)F=80.5%），電池結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 N型高效單晶光伏電池 不斷追求效率提升和成本降低是光伏行業(yè)永恒的主題，N型晶硅電池與傳統(tǒng)的P型晶硅電池相比，由于其無(wú)光致衰減等天然優(yōu)勢(shì)，具有更大的效率提升空間和潛力，是高效電池技術(shù)路線的必然選擇，而且隨著電池新技術(shù)的引入，N型晶硅電池的效率優(yōu)勢(shì)會(huì)越來(lái)越明顯。 聚光光伏電池技術(shù) 聚光太陽(yáng)能是使用透鏡或反射鏡面等光學(xué)元件，將大面積的陽(yáng)光匯聚到一個(gè)極小的面積上，再進(jìn)行進(jìn)一步利用產(chǎn)生電能的太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)。CPV是聚光太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)中最典型的代表。2014年，弗勞恩霍夫及其合作伙伴法國(guó)Soitec公司及其法國(guó)研究機(jī)構(gòu)CEA-Leti，創(chuàng)造了光電轉(zhuǎn)化效率高達(dá)46%的聚光太陽(yáng)能電池，是光電轉(zhuǎn)化效率的最高紀(jì)錄，展現(xiàn)出其工業(yè)應(yīng)用的潛力。

圖3 聚光CPV光伏組件 三、薄膜前沿技術(shù) 薄膜太陽(yáng)能電池可以使用在價(jià)格低廉的陶瓷、石墨、金屬片等不同材料當(dāng)基板來(lái)制造，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)μm，生產(chǎn)成本更加低廉。薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)正迎來(lái)技術(shù)革新，發(fā)展勢(shì)頭迅猛。下面小固就對(duì)薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)取得的突破性進(jìn)展進(jìn)行闡述。 化合物薄膜太陽(yáng)電池 1 CIGS(銅銦鎵硒)薄膜太陽(yáng)能電池 CIGS薄膜太陽(yáng)能電池，由Cu（銅）、In（銦）、Ga（鎵）、Se（硒）四種元素構(gòu)成最佳比例的黃銅礦結(jié)晶薄膜太陽(yáng)能電池，是組成電池板的關(guān)鍵技術(shù)。幾周前，位于德國(guó)斯圖加特的巴符州太陽(yáng)能和氫能研究中心獲得了CIGS(銅銦鎵硒)薄膜太陽(yáng)能電池能源轉(zhuǎn)化率最優(yōu)值，這塊大小只有0.5平方厘米的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化率達(dá)到22.6%。因此，巴符州太陽(yáng)能和氫能研究中心的研究者超越此前日本創(chuàng)下的22.3%，成為了這項(xiàng)紀(jì)錄新的保持者。CIGS(銅銦鎵硒)薄膜太陽(yáng)能電池具有光吸收能力強(qiáng)、發(fā)電穩(wěn)定性高、成產(chǎn)成本低、能源回收周期短等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 CIGS薄膜太陽(yáng)能電池片 2 碲化鎘(CdTe)薄膜光伏電池 碲化鎘薄膜電池是一種以P型碲化鎘(CdTe)和N型硫化鎘(CdS)的異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)的太陽(yáng)能電池。它是在玻璃或是其它柔性襯底上依次沉積多層薄膜而形成的光伏器件。與其他太陽(yáng)能電池相比，碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，一般而言，其電池由五層結(jié)構(gòu)組成，即玻璃襯底、透明導(dǎo)電氧化層(TCO層)、硫化鎘(CdS)窗口層、碲化鎘(CdTe)吸收層、背接觸層和背電極。

圖5 碲化鎘(CdTe)薄膜光伏電池 碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率約為28%，2015年2月5日，世界領(lǐng)先的太陽(yáng)能光伏模塊制造商之一First Solar宣布其碲化鎘（CdTe）太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到21.5%，刷新歷史記錄。自2011年以來(lái)，這已是第八次CdTe效率大幅刷新世界記錄，高效而廉價(jià)的碲化鎘(CdTe)薄膜太陽(yáng)能電池因其本身所固有的良好材料性能和自身實(shí)踐，而被越來(lái)越多的投資者所關(guān)注，有可能成為未來(lái)光伏電池的主流產(chǎn)品之一。 有機(jī)化合物薄膜光伏電池 近年來(lái)，以GaAs、GaAb、GalnP、Culnse2等為代表的新型有機(jī)化合物薄膜太陽(yáng)能電池，取得了較高的光伏轉(zhuǎn)化效率，GaAs電池的轉(zhuǎn)化效率目前已經(jīng)達(dá)到30%，而Gu、ln等為比較稀有的元，Cd等為有毒元素，因此，這類電池的發(fā)展必然將受到資源、環(huán)境的限制。因此，凝聚態(tài)穩(wěn)定的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池備受關(guān)注；潛在的低成本、輕質(zhì)量、柔韌易加工性、可低成本大面積制備等突出優(yōu)點(diǎn)，使得它具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 四、其他發(fā)電前沿技術(shù) 在太陽(yáng)能電池家族中，有很多其他的新材質(zhì)和新技術(shù)用于其中，比如用樹(shù)木制造的太陽(yáng)能電池、用B，Al，Ga，In半導(dǎo)體材料制成的多結(jié)太陽(yáng)能電池等。小固選取幾種技術(shù)比較成熟、轉(zhuǎn)化效率較高的新型發(fā)電技術(shù)給用戶做介紹。 聚合物太陽(yáng)電池 1992年AlanJ.Heeger教授組發(fā)現(xiàn)了共軛聚合物和富勒烯之間存在超快的電荷轉(zhuǎn)移，并在1995年實(shí)現(xiàn)了由溶液制備的聚合物/富勒烯衍生物PCBM體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池。此后，在過(guò)去的20余年里，人們先后在共軛聚合物吸光材料的設(shè)計(jì)與合成、器件的工作機(jī)理、活性層形貌與電子給-受體分相行為的調(diào)控、界面層的影響與低成本器件工藝等方面做了大量的研究并取得了很多突破性的進(jìn)展。其中瑞典林雪平大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院（中科院)）科學(xué)家合作，將PBDB-T聚合物和ITIC小分子進(jìn)行結(jié)合，使得太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率達(dá)到11%，刷新無(wú)富勒烯聚合物太陽(yáng)能光伏電池新紀(jì)錄，效率值超過(guò)絕大多數(shù)聚合物太陽(yáng)能電池。

圖6 聚合物太陽(yáng)能光伏電池 鈣鈦礦太陽(yáng)電池 發(fā)展迅速的鈣鈦礦電池，近幾年來(lái)一直是太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的研究熱點(diǎn)。下圖為用二維鈣鈦礦材料制作三種大面積太陽(yáng)能電池：左邊的是室溫鑄造薄膜；中間偏上的是有問(wèn)題的帶隙樣本；右邊的是具有最佳能量性能的熱鑄試樣。

圖7 鈣鈦礦太陽(yáng)能光伏電池 鈣鈦礦電池具有成本低廉、工藝簡(jiǎn)單(適用于各種產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，包括溶液操作、卷對(duì)卷加工、熱蒸鍍等)等優(yōu)勢(shì)，但是鈣鈦礦電池的發(fā)展也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：自然環(huán)境穩(wěn)定性瓶頸，以及Pb的毒性、環(huán)境污染和材料循環(huán)利用等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。近日，大連理工大學(xué)精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室針對(duì)這一難題進(jìn)行了破解：使得該類電池獲得了目前基于碳對(duì)電極最高的光電轉(zhuǎn)換效率。 誕生的新一代鈣鈦礦電池，作為“世界十大科技突破”之一，其在短短四年內(nèi)，效率已經(jīng)超過(guò)22.1%，極大地挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的光伏技術(shù)。 無(wú)機(jī)納米晶太陽(yáng)能電池 喬治亞理工學(xué)院的教授伯納德·基普倫和普渡大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授杰弗里·揚(yáng)布拉德對(duì)無(wú)機(jī)納米晶太陽(yáng)能電池進(jìn)行了研究。他們的研究成果為尋找真正的可循環(huán)、可持續(xù)、可再生太陽(yáng)能電池技術(shù)打開(kāi)了一道新的大門。它們使用木料制作的纖維素納米材料作為基板，其具有綠色環(huán)保，可再生又可持續(xù)的特點(diǎn)，相信在未來(lái)的些許年，他們的團(tuán)隊(duì)可以將功率轉(zhuǎn)化效率提升到10%以上。 五、總結(jié) 本文小固從晶硅前沿技術(shù)、薄膜前沿技術(shù)、其他發(fā)電前沿技術(shù)三個(gè)方面對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行了介紹。話說(shuō)，科技創(chuàng)新是行業(yè)發(fā)展的不竭動(dòng)力，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、太陽(yáng)能電池生產(chǎn)成本還會(huì)持續(xù)降低，這也會(huì)用戶在有限的空間條件下帶來(lái)更多的發(fā)電量、更好的投資收益回報(bào)。