本刊 劉春娜

2011年以來，作為可再生能源代表之一的太陽電池，新技術研發(fā)層出不窮。尤其自日本福島核電站事故發(fā)生以后，與太陽電池新技術開發(fā)相關的報道日益增多。太陽電池產(chǎn)業(yè)迎來了新的發(fā)展機遇，世界各國對太陽電池的發(fā)展更加重視。

1 日本

在核電站事故之后，日本各方加速了對太陽電池的研發(fā)。

東京大學與夏普在2011年4月利用計算機解析找到了實現(xiàn)轉換效率在75%以上量子點太陽電池的方法。如果在半導體的結晶上形成幾nm至20 nm的微細構造，便會具備封閉電子的性質。這一構造被稱為量子點。利用量子點的尺寸，可以改變電子吸收的光線的波長。研究人員使多層鋪滿量子點的面重疊，構成厚度為10 μm的電池。通過優(yōu)化量子點的配置等，使紅外線也轉化為電力，實現(xiàn)較高的轉換效率。據(jù)2011年6月的媒體報道，東京大學的研發(fā)小組還開發(fā)出了易于吸收波長在700 nm以上光線的色素，通過讓利用現(xiàn)有色素的電池和利用新色素制成的電池重疊，得到了11.3%的轉換效率。

京都大學的研究小組2011年5月通過在有機薄膜太陽電池上增加多個色素，成功擴大了可用光線范圍的研究成果。通過增加可吸收紅外線和紫外線的色素，可將紅外線、可見光乃至紫外線等較廣光譜范圍的光轉化為電力。作為有機半導體，研究者使用了塑料，以前只能利用可見光。

三菱化學于2011年6月成功將有機薄膜太陽電池(OPV)的光電轉換效率提升至全球最高的10%以上水準，之后計劃于2015年將其轉換效率進一步提升至15%。公司力爭2015年在太陽電池相關業(yè)務領域實現(xiàn)200億日元的銷售額。報道指出，以模組轉換率來看，三菱化學的OPV轉換率達6%～7%。三菱化學將與汽車廠商共同研發(fā)的此種太陽電池，由于無需使用玻璃基板，厚度僅數(shù)百nm，質量也僅為結晶硅太陽電池的十分之一。三菱化學計劃在2012年夏季量產(chǎn)，如果量產(chǎn)取得進展，制造成本也能降到原有產(chǎn)品的十分之一。另據(jù)2011年7月19日的《朝日新聞》報道說，三菱化學在有機薄膜太陽電池的p型半導體中采用了苯卟啉(Benzoporphyrin)、n型半導體中采用了富勒烯(C60)衍生物，由此提高了轉換效率。這一新技術的原理是，把有機半導體溶解在溶劑中，涂布到汽車(指電動車與插電式油電混合車)車身、建筑物外墻與其他地方，然后使其干燥，便可作為太陽電池使用，當然也可進行印刷。

日本產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所 (產(chǎn)綜研)利用CIGS(Cu-In-Ga-Se)太陽電池的量產(chǎn)型子模塊，實現(xiàn)了15.9%的光電轉換效率。此次開發(fā)出了可大面積均勻制造高質量CIGS光吸收層薄膜的技術和利用光吸收層特性的集成化技術。CIGS型太陽電池是在玻璃底板上形成由各種材料組成的多層膜制作而成。只要小面積單元能夠實現(xiàn)18%～19%左右的轉換效率，集成型模塊就應該能夠實現(xiàn)15%以上的轉換效率。作為CIGS光吸收層的制膜方法，產(chǎn)綜研采用了多元蒸鍍法。通過加熱銅(Cu)銦(In)鎵(Ga)硒(Se)坩鍋來制成薄膜，可制成缺陷少且結晶粒徑大的CIGS薄膜。此次產(chǎn)綜研改進了坩鍋形狀和對底板加熱的結構。另外，還采用了可根據(jù)時間改變照射元素及溫度的3步蒸鍍法。采用3步蒸鍍法制造的光吸收層可實現(xiàn)較高的轉換效率。該所已驗證能夠在10 cm2的底板上均勻制膜，因此可證明3步蒸鍍法還可應用于大面積模塊的量產(chǎn)。集成型模塊需要有制圖制程 (在同一底板上形成串聯(lián)的多個單元而制成模塊)，不過制圖制程會造成整個面積的5%～10%變成無法作為太陽電池工作的死角。此次，通過控制制圖用激光的強度及硬質材料針的針壓，使其能夠制成準確的圖案。此外，產(chǎn)綜研還開發(fā)出可取代稀有金屬的白金，作為染料敏化太陽電池電極用的新材料，其光電轉換效率和白金幾乎等同，既能節(jié)省資源又能降低成本。新材料由多層納米碳管、離子液體及導電性高分子所組成，其構造為：納米管外側附著被稱為Imidazole系離子液體的分子，更外側則包覆導電性高分子。用此材料替代白金所制成的染料敏化太陽電池，轉換效率達4.77%，發(fā)揮了與白金電極的4.94%幾乎同等級的高性能。

2 美國

美國在太陽電池方面的研究一直處于領先地位。

由美國可再生能源實驗室(NREL)與Amonix能源公司共同開發(fā)的Amonix 7700高效低成本太陽電池問世。Amonix 7700聚光太陽電池使用了復雜的三重連接技術，依賴的電池是嫁電池。一直以來，嫁電池因其穩(wěn)健性成為了太空探索中不可缺少的條件。嫁電池的使用讓新系統(tǒng)基本可以對高溫免疫。Amonix 7700系統(tǒng)要用到36套透鏡和接收板，接收板被置于一個雙軸的、可跟蹤陽光的支架上，這樣的精心設計可以進一步提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。實驗室公布的數(shù)據(jù)顯示，Amonix 7700系統(tǒng)最高的實驗室發(fā)電效率達到了42%。為控制系統(tǒng)成本，Amonix 7700使用的是低成本的菲涅爾透鏡。陽光在經(jīng)過菲涅爾透鏡后，強度增加到了一般陽光的500倍。嫁電池將轉換如此強度太陽電池的效率在26%左右，相當于目前已實地應用的太陽電池平均轉換效率的2倍。由于使用了凸透鏡，它是世界上土地密集型程度最低的太陽能利用形式，占地面積比其他太陽電池都小。據(jù)稱，系統(tǒng)的整體安裝成本只有非晶硅和薄膜太陽電池安裝成本的1/3～1/2。新系統(tǒng)的優(yōu)勢還在于：它將安裝太陽電池對土地的破壞性降到了最低。同時，由于所有的電池板都置于一根可追蹤陽光的支架上，也不必人為地經(jīng)常調整電池的角度。而每塊大的太陽電池板都是由很多小型接收板組成，這也讓系統(tǒng)更易于運輸，大大簡化了物流。

美國密蘇里科技大學的研究人員表示，將一種ZnO制成的納米矛(Nanospears)釘在太陽電池表面，可擴展其吸收光譜并因此提高太陽電池的效率。由于該種混合材料既能吸收光線也能發(fā)光，研究人員表示其應用范圍可望涵蓋超紫外光雷射、廣譜固態(tài)照明，以及新式的壓電元件等。ZnO能吸收接近超紫外光光譜的光線，這能與吸收近紅外線光譜的硅互補；若以上這兩部分光譜都能被利用，就可能實現(xiàn)更高的太陽電池效率。專家表示，過去在硅晶上生長氧化鋅的嘗試，都僅獲得有限的成功，主要是因為這兩種材料的晶格并不協(xié)調；而研究人員將氧化鋅的晶格軸心傾斜，就解決了以上問題，并使氧化鋅能與硅精準匹配。由于氧化鋅是以一個不尋常的角度長在硅上，就像是釘在硅晶表面的納米矛那樣，使太陽電池可吸收較長的超紫外光波長，也能吸收較短的紅外線波長。該種氧化鋅納米矛的長晶法，是利用一種飽和了鋅離子的堿性溶液淹沒硅晶圓表面，所長出的納米矛直徑約100～200 nm，長度約1 μm；透過一種自動排列制程，這些納米矛會以精準的角度在結晶硅表面自組裝，將晶格不匹配的狀況降到最低。該研究團隊的下一步是制作出太陽電池：困難之處在于制作與氧化鋅納米矛接觸的觸點；其中一個方案是使用溶液觸點制作光電化學太陽電池。

美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)的研究小組已經(jīng)開發(fā)出以3D納米錐基太陽電池平臺，聲稱可以改善電荷傳輸機制從而提高太陽電池光電轉換效率約達80%。該技術可以解決降低太陽電池效率的電荷捕獲問題。這些電荷——包括帶負電的電子和帶正電的空穴——通常成為體材料及其界面中的缺陷，并因此降低了性能。這種新的太陽能結構包括由p型半導體環(huán)繞的n型納米錐。其中，n型納米錐由氧化鋅構成，并作為整個結構的導電結和電子導體；p區(qū)由多晶碲化鎘構成并作為主要的光吸收介質和空穴導體。使用該實驗室的方法，研究人員可以獲得3.2%的光電轉換效率，相比之下使用相同材料的傳統(tǒng)平面結構電池轉換效率只有1.8%。這種太陽能材料的主要特點包括：獨特的電場分布(這一特點實現(xiàn)了高效的電荷傳輸)，利用低成本方法合成納米錐，以及減少了半導體中的缺陷和空位。由于高效的電荷傳輸機制，這種新的太陽電池可以接受有缺陷的半導體材料并減少下一代太陽電池的制造成本。納米錐結構在結(Junction)尖端產(chǎn)生一個強電場區(qū)域，可以有效分離、注入和收集少數(shù)載流子，從而比使用相同材料的傳統(tǒng)平面結構電池更高效。這一技術的理論研究已經(jīng)得到了光伏專家的認可。

美國麻省理工學院(MIT)的研究人員表示，活體病毒可用于將高導電性碳納米管安裝到染料敏化太陽電池的正極結構中，電池效率可因此提高幾乎三分之一。染料敏化太陽電池是由位于光敏正極與電解質之間的半導體元件材料制成的，覆蓋著染料的納米二氧化鈦會吸收太陽光，并將電子釋放到正極中。然后那些電子會被收集起來用以驅動負載，再經(jīng)由負極回到電解質中，如此不斷循環(huán)。MIT研究人員表示，通過病毒使碳納米管和正極交織在一起，就能將染料敏化太陽電池的轉換效率由8%以下，提高到10.6%以上。該團隊的最新研究成果則是首次利用病毒來分離出太陽電池內(nèi)的納米管，以避免納米管凝集成團或導致短路。每個病毒可以在約300個肽分子的一個區(qū)域內(nèi)，吸附10個納米管，然后這種經(jīng)過基因工程改造的病毒會分泌出二氧化鈦涂層。研究人員表示，MIT所研發(fā)的這項新技術，只需在染料敏化太陽電池的工藝中添加一個簡單的步驟，也能適用其他類型的有機與量子點技術太陽電池。

3 德國

德國作為西方發(fā)達工業(yè)國家中第一個準備放棄核電的國家，其太陽電池技術的研發(fā)屢創(chuàng)新紀錄。

德國Q-CellsSE光伏公司今年第四次創(chuàng)下了世界紀錄。Q-Cells內(nèi)部研究中心的多晶硅組件孔徑面積效率達到了18.1%，打破了于2011年3月其自身創(chuàng)下的17.8%的世界紀錄。這一結果通過FraunhoferISE太陽能研究所得到了證實。Q-Cells多晶硅組件是該領域第一塊效率超過了18%的組件。Q.SMART薄膜組件還創(chuàng)造了另一個標志性的世界紀錄，孔徑面積獨立效率達14.7%。

德國微系統(tǒng)技術研究所 (IMTEK)和弗萊堡大學材料研究中心(FMF)的科學家成功開發(fā)出的一種納米粒子表面處理方法，可顯著提高有機太陽電池效率，達到2%的效率高點。此前這一效率值僅為1%至1.8%。這也是迄今為止效率最高的混合太陽電池。有機太陽電池與普通硅太陽電池相比，輕薄靈活、成本低廉、可快速生產(chǎn)。盡管其光轉化效率不高，使用壽命偏短，但其在應用集成和向有作用時限的系統(tǒng)提供自給能源方面，有著廣泛應用前景。純有機太陽電池，其光活性層的兩個組件都由有機物質組成。而混合太陽電池光活性層由無機納米粒子和(有機)聚合物混合而成。通過使用所謂的硒化鎘量子點，IMTEK和FMF的測量結果得到了FraunhoferISE太陽能研究所“染料和有機太陽電池”工作組的確認。

德國AVANCIS GmbH&Co.KG宣布，其30 cm2CIS太陽電池模塊轉換效率達到了15.5%。據(jù)該公司介紹，這一轉換效率值已得到美國國家可再生能源實驗室 (NREL)的認定。AVANCIS曾于2010年1月宣布同一尺寸的模塊達到了15.1%的轉換效率。此次之所以能夠提高性能，主要是因為模塊正面的電極采用了導電性較高的ZnO。AVANCIS公司目前正以年產(chǎn)20 MW的規(guī)模生產(chǎn)轉換效率為12%的太陽電池面板。

德國斯圖加特“太陽能-氫氣研究中心”的研究人員發(fā)明了一種由銅、銦、鎵和硒醚制成的高效率太陽電池 (簡稱CIS-電池或者CIGS-電池)。這種電池具有20.1%的太陽能-電能轉換效率，是目前世界上轉化效率最高的薄層太陽電池。這款電池表面積只有0.5 cm2，厚度只有0.004 mm，由4個將太陽光轉化為電能的光敏層組成。斯圖加特的研究人員利用一種有效的涂層技術使薄層太陽電池的能量轉換率達到創(chuàng)紀錄的水平，為這種電池的規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)提供了可能。借助于這種薄層太陽電池的高效轉化率，光伏發(fā)電裝置的產(chǎn)量和利潤率將得到明顯提高。目前市場上比較常見的CIS-半集成電路的能量轉化率和晶體硅半集成電路差不多，都在10%～12%。斯圖加特的研究人員表示，未來幾年，CIGS-太陽能裝置的能量轉化率將提高到15%左右。