李 微，黃才勇，劉興江

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第18 研究所，天津 300381)

0 引 言

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種零排放的清潔能源，也是一種能夠大規(guī)模應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)能源，因此其技術(shù)研發(fā)和商業(yè)化生產(chǎn)受到各國(guó)政府的普遍重視，應(yīng)用領(lǐng)域也更加廣泛。據(jù)歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的最新統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，截至2011 年底全球光伏裝機(jī)容量已超過(guò)60 GW。僅2011 年全球新增裝機(jī)容量就突破27.7 GW，同比2010 年增長(zhǎng)67%，其中50%以上為中國(guó)制造。太陽(yáng)能光伏應(yīng)用主要包括以下五大領(lǐng)域:(1)太陽(yáng)能電站(包括離網(wǎng)及并網(wǎng));(2)光伏建筑一體化(BIPV);(3)太陽(yáng)能電力驅(qū)動(dòng)(車(chē)、船、飛艇和無(wú)人機(jī)等);(4)消費(fèi)電子產(chǎn)品用電源;(5)衛(wèi)星等各種空間飛行器的一次能源用太陽(yáng)電池帆板。

目前市場(chǎng)上的太陽(yáng)電池仍以第一代的單晶硅/多晶硅電池為主，然而第二代的薄膜太陽(yáng)電池則被公認(rèn)為是未來(lái)太陽(yáng)電池發(fā)展的主要方向。薄膜太陽(yáng)電池指微米量級(jí)厚度的材料制成的太陽(yáng)電池，是大幅度降低成本的最有效途徑之一。薄膜太陽(yáng)電池具有下列優(yōu)點(diǎn)［1］:(1)吸收層材料具有較高的光吸收系數(shù)(普遍大于104cm－1)，因此，微米級(jí)厚度的薄膜足以吸收絕大部分的太陽(yáng)光能量，節(jié)省了原材料的用量;(2)采用低溫薄膜制備技術(shù)，顯著降低能耗，縮短能源回收期;(3)材料和器件制備可同步完成，便于大面積、自動(dòng)化和連續(xù)化生產(chǎn);(4)更可制備在如金屬箔、塑料等廉價(jià)柔性襯底上，極大提高器件的質(zhì)量比功率，在軍事等特殊領(lǐng)域用電源系統(tǒng)上具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前，主流的薄膜太陽(yáng)電池包括硅基薄膜太陽(yáng)電池和化合物薄膜太陽(yáng)電池等。

通過(guò)聚焦各種薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及最新的研究進(jìn)展，對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。

1 薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1.1 薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)現(xiàn)狀

光伏發(fā)電對(duì)于緩解化石能源短缺，減少環(huán)境污染，以及滿足航空航天技術(shù)發(fā)展需要，均有重要的現(xiàn)實(shí)意義。截止到“十一五”末各類(lèi)太陽(yáng)電池技術(shù)的發(fā)展情況如圖1 所示［2］。

圖1 各類(lèi)太陽(yáng)電池技術(shù)的發(fā)展情況

經(jīng)過(guò)幾十年的研究，各種薄膜太陽(yáng)電池的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率都有了很大的提高，部分技術(shù)成熟的薄膜電池已經(jīng)進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，如硅基薄膜太陽(yáng)電池、銅銦鎵硒(CIGS)和碲化鎘(CdTe)薄膜太陽(yáng)電池等。而以染料敏化太陽(yáng)電池與有機(jī)太陽(yáng)電池為代表的第三代太陽(yáng)電池目前還處于產(chǎn)業(yè)化前的中試階段。

1.1.1 硅基薄膜太陽(yáng)電池

按照硅基薄膜太陽(yáng)電池本征層采用的材料，可以將其分為三種類(lèi)型，即非晶硅電池、微晶硅電池及硅鍺合金電池［3］。國(guó)際上部分從事硅基薄膜電池的研究機(jī)構(gòu)取得的研究成果見(jiàn)表1。

表1 硅基薄膜電池成果及主要研究單位

南開(kāi)大學(xué)光電子薄膜器件與技術(shù)研究所研制的小面積非晶硅/微晶硅疊層電池效率達(dá)11.8%，100 cm2組件效率10.5%［10］。最近利用甚高頻與高壓耗盡技術(shù)，制備的單結(jié)微晶硅電池效率達(dá)到了9.36%［11］。這些優(yōu)異的成果使中國(guó)的硅基薄膜電池技術(shù)跨入了國(guó)際先進(jìn)行列。

目前非晶硅電池技術(shù)已經(jīng)比較成熟，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn)。硅基薄膜太陽(yáng)電池產(chǎn)品大致可分為五代。

第一代:非晶硅單結(jié)薄膜太陽(yáng)電池，穩(wěn)定效率在5%左右，效率衰減約為30%。

第二代:非晶硅/非晶硅雙結(jié)太陽(yáng)電池，穩(wěn)定效率約6%，效率衰減為15%。

第三代:非晶硅/非晶硅鍺/非晶硅鍺三結(jié)太陽(yáng)電池，穩(wěn)定效率在7% ～8% 之間，效率衰減介于10% ～15%。日本的Fujisolar 和佳能公司將這種薄膜太陽(yáng)電池加以簡(jiǎn)化，開(kāi)發(fā)出非晶硅/非晶硅鍺雙結(jié)薄膜太陽(yáng)電池，其性能與非晶硅/非晶硅鍺/非晶硅鍺三結(jié)電池接近。

第四代:非晶硅/微晶硅太陽(yáng)電池，穩(wěn)定效率在7% ～8%之間;效率衰減小于10%。

第五代:非晶硅/非晶硅鍺/微晶硅三結(jié)太陽(yáng)電池，目標(biāo)效率為10%。

日本夏普和三菱公司已實(shí)現(xiàn)非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池商業(yè)化生產(chǎn)，生產(chǎn)線年產(chǎn)能超過(guò)30 MW，組件穩(wěn)定效率在8%以上。截止到2011 年，國(guó)內(nèi)的硅基薄膜電池生產(chǎn)企業(yè)已達(dá)到20 余家，生產(chǎn)線規(guī)模從幾兆瓦到上百兆瓦不等，電池組件穩(wěn)定效率在6%左右。硅目前國(guó)內(nèi)已有硅基薄膜電池廠商進(jìn)行設(shè)備和生產(chǎn)線的自主研發(fā)。但總體來(lái)講，由于設(shè)備成本高，且產(chǎn)品性能指標(biāo)較低，繼而在后期安裝方面又加大了投入。因此，硅基太陽(yáng)電池在與晶體硅太陽(yáng)電池在產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)上的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)不明顯，未達(dá)到市場(chǎng)預(yù)期。

1.1.2 銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽(yáng)電池

CIGS 薄膜太陽(yáng)電池是以多晶Cu(In，Ga)Se2半導(dǎo)體薄膜為吸收層的太陽(yáng)電池，以其轉(zhuǎn)換效率高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)成為光伏界的研究熱點(diǎn)，有望成為下一代的廉價(jià)太陽(yáng)電池。CIGS 薄膜電池具有以下特點(diǎn):(1)高的光電轉(zhuǎn)換效率，目前玻璃襯底CIGS 薄膜太陽(yáng)電池實(shí)驗(yàn)室效率已經(jīng)超過(guò)20%，接近晶硅太陽(yáng)電池的世界紀(jì)錄。商業(yè)化生產(chǎn)的CIGS 薄膜電池組件的轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了14%，在薄膜太陽(yáng)電池領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。(2)成本低，材料消耗少。目前，玻璃襯底的CIGS 薄膜太陽(yáng)電池組件的生產(chǎn)成本已接近1MYM/Wp。而適合大規(guī)模卷－卷(roll－to－roll)工藝的柔性襯底CIGS 薄膜太陽(yáng)電池具有進(jìn)一步降低成本的巨大潛能。(3)長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，室外使用無(wú)光致衰退效應(yīng)。(4)能量?jī)斶€期短，發(fā)電后償還生產(chǎn)用電的時(shí)間僅為1.5 ～2年，適于大批量生產(chǎn)。(5)抗輻射能力強(qiáng)，可滿足空間應(yīng)用的要求。(6)適合單片集成:金屬襯底材料可通過(guò)在其表面沉積絕緣層實(shí)現(xiàn)單片集成，PI 襯底由于其本身的絕緣性，在單片集成領(lǐng)域更有前景。這些優(yōu)勢(shì)令CIGS 薄膜太陽(yáng)電池?zé)o論在民用領(lǐng)域還是在軍用領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景。

CIGS 薄膜太陽(yáng)電池及組件的最新研究進(jìn)展見(jiàn)表2，小面積CIGS 薄膜太陽(yáng)電池的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了20.3%［12］，相應(yīng)的組件效率也顯著提高，其中瑞典Uppasala 大學(xué)研制的小組件的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了16.6%［13］，日本昭和殼牌最新研制的玻璃襯底CIGS 電池組件的效率也超過(guò)了16%［14］，美國(guó)Miasole公司制備的不銹鋼襯底CIGS 外聯(lián)式組件的效率達(dá)到了15.7%［15］，此外瑞士的EMPA 研制的小面積PI 襯底的CIGS 電池效率達(dá)到了18.7%［16］。

表2 CIGS 薄膜太陽(yáng)電池成果及主要研究

航空、航天領(lǐng)域需要太陽(yáng)電池有較高的重量比功率(W/kg)，即希望單位重量的太陽(yáng)電池能輸出更多的功率。而部分地面建筑物和移動(dòng)用電單位等特殊的應(yīng)用領(lǐng)域又要求太陽(yáng)電池具有一定的彎曲度和可折疊性。這些需求促進(jìn)了柔性襯底太陽(yáng)電池的發(fā)展。輕質(zhì)、柔性、可卷曲折疊和不怕摔碰等特點(diǎn)的金屬箔或高分子薄膜材料可作為CIGS 太陽(yáng)電池的襯底，允許以Roll－to－Roll 方式連續(xù)化沉積，不但能體現(xiàn)出薄膜太陽(yáng)電池的獨(dú)有特性，而且使其材料成本和生產(chǎn)成本具有更大的降低空間，是薄膜太陽(yáng)電池發(fā)展的一大亮點(diǎn)。

此外，CIGS 薄膜太陽(yáng)電池抗輻射能力很強(qiáng)，非常適合空間應(yīng)用。日本JAXA 的小衛(wèi)星搭載有III－V族InGaP/GaAs 雙結(jié)電池和CIGS 薄膜電池，在軌運(yùn)行360 天后短路電流衰降情況如圖2 所示。結(jié)果表明，CIGS 薄膜太陽(yáng)電池抗輻射能力略優(yōu)于雙結(jié)In－GaP/GaAs 太陽(yáng)電池［17］。

圖2 在軌的InGaP/GaAs 和CIGS太陽(yáng)電池短路電流衰降特性

然而，CIGS 太陽(yáng)電池具有敏感的元素配比和復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)，對(duì)工藝和設(shè)備要求十分嚴(yán)格，被國(guó)際光伏界認(rèn)為是技術(shù)難度較大的一類(lèi)太陽(yáng)電池。國(guó)際上多家公司采用不同的技術(shù)路線進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化研制，但只有少數(shù)幾家公司實(shí)現(xiàn)了電池組件的批量生產(chǎn)。根據(jù)吸收層制備方法的不同，CIGS 薄膜太陽(yáng)電池的技術(shù)路線可以分為多元共蒸法、預(yù)制層后硒化法、涂覆－熱處理法和電化學(xué)沉積法等，采用這些技術(shù)制備的CIGS 薄膜太陽(yáng)電池組件效率均超過(guò)12%。在大面積CIGS 太陽(yáng)電池制備技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面，美、日、德三國(guó)的公司處于領(lǐng)先水平，如德國(guó)的Würth Solar 公司，美國(guó)的Global Solar 公司與Miasole 公司，日本的Honda 與Showa Shell 等。此外，美國(guó)的Ascent Solar 公司生產(chǎn)的PI 襯底的CIGS 柔性薄膜太陽(yáng)電池組件最高效率也超過(guò)了10%，產(chǎn)品的平均效率為7 ～8%。

由于前期研究基礎(chǔ)薄弱，我國(guó)的CIGS 太陽(yáng)電池的產(chǎn)業(yè)化水平較低。南開(kāi)大學(xué)研制的小面積玻璃襯底CIGS 薄膜太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率超過(guò)了15%，現(xiàn)正在開(kāi)發(fā)80 ×40 cm2玻璃襯底CIGS 薄膜太陽(yáng)電池連續(xù)制造技術(shù)。中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所主要以研究柔性CIGS 薄膜太陽(yáng)電池為主，目前小面積金屬Ti 襯底上制備的CIGS 太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到12.6%，PI 襯底的CIGS 太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)8%?，F(xiàn)正在進(jìn)行柔性CIGS 薄膜太陽(yáng)電池中試線的技術(shù)開(kāi)發(fā)，以期實(shí)現(xiàn)Roll－to－Roll 工藝的柔性CIGS 太陽(yáng)電池連續(xù)生產(chǎn)。

1.1.3 銅鋅錫硫(CZTS)薄膜太陽(yáng)電池

CIGS 太陽(yáng)電池雖然具有優(yōu)異的性能，但是存在使用稀有金屬I(mǎi)n 和Ga 的稀缺問(wèn)題。CZTS(Cu2ZnSnS4)薄膜是替代CIGS 光伏電池吸收層的最佳選擇之一，原材料Cu、Zn、Sn 和S 在地殼中儲(chǔ)量豐富。CZTS 是一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，光學(xué)吸收系數(shù)超過(guò)104cm－1，光學(xué)帶隙在1.45 eV 左右，非常接近光伏電池的理想帶隙1.4 eV，從理論上將可達(dá)到單結(jié)電池的最高轉(zhuǎn)換效率。CZTS 太陽(yáng)電池目前尚處在實(shí)驗(yàn)室研究到中試研究階段，目標(biāo)是使用相對(duì)便宜、豐富的原材料獲得最大的轉(zhuǎn)換效率，其發(fā)展歷程和最新研究進(jìn)展見(jiàn)表3。

表3 CZTS 薄膜太陽(yáng)電池發(fā)展歷程［18 ～25］

雖然CZTS 太陽(yáng)電池已取得了超過(guò)10%的轉(zhuǎn)換效率，但仍有許多科學(xué)問(wèn)題需要進(jìn)一步研究，包括:(1)高質(zhì)量CZTS 薄膜的制備工藝技術(shù);(2)貧Cu和近化學(xué)計(jì)量比CZTS 薄膜中二次相Cu6Sn5和Sn夾雜的控制;(3)高質(zhì)量異質(zhì)結(jié)的形成，晶界的作用等。CZTS 薄膜太陽(yáng)電池下一步的挑戰(zhàn)將是實(shí)現(xiàn)12%的單體電池效率和10%的組件效率。目前美國(guó)IBM 公司與日本的Solar Frontier 公司正合作研發(fā)CZTS 電池組件，Advancis 公司也已開(kāi)始定做CZTS中試線。

1.1.4 砷化鎵(GaAs)薄膜太陽(yáng)電池

GaAs 屬于III－V 族化合物半導(dǎo)體，其能隙為1.4 eV，是理想的太陽(yáng)電池吸收層材料。GaAs 太陽(yáng)電池因其光電轉(zhuǎn)換效率高、抗輻照性強(qiáng)、溫度性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在空間應(yīng)用中正日益取代晶體硅太陽(yáng)電池。

隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，要求作為空間電源的GaAs 太陽(yáng)電池質(zhì)量比功率不斷提高，以降低高昂的發(fā)射費(fèi)用，促使GaAs 薄膜太陽(yáng)電池的研制和生產(chǎn)成為發(fā)展的熱點(diǎn)。

GaAs 薄膜太陽(yáng)電池的研發(fā)成功得益于日漸成熟的薄膜剝離技術(shù)及反向生長(zhǎng)GaAs 太陽(yáng)電池的工藝［26］。反向生長(zhǎng)的GaAs 多結(jié)電池最先生長(zhǎng)的是頂電池，其次是中間電池和底電池，然后將外延片鍵合到一個(gè)二次支撐物上，之后原始的襯底將被除去，把太陽(yáng)電池的頂部表面暴露出來(lái)。通過(guò)剝離技術(shù)，即可以將GaAs 太陽(yáng)電池薄膜化，得到高效率、低重量的空間用GaAs 薄膜太陽(yáng)電池。

2008 年，美國(guó)Emcore 公司通過(guò)大尺寸薄膜剝離技術(shù)，從4 英寸GaAs 襯底上將GaAs 太陽(yáng)電池完整地剝離下來(lái)，剝離后制作的電池具有21.1%的光電轉(zhuǎn)換效率，而且剝離后的GaAs 襯底經(jīng)過(guò)處理可以再次使用［27］。2011 年NREL 研制的小面積(0.99 cm2)GaAs 薄膜太陽(yáng)電池實(shí)現(xiàn)了28.3%的光電轉(zhuǎn)換效率，其制備的面積為856.8 cm2的GaAs 薄膜太陽(yáng)電池組件效率也達(dá)到了23.5%［7］。

GaAs 薄膜太陽(yáng)電池可以極大的減小電源系統(tǒng)的重量和體積，同時(shí)又保持了超高的光電轉(zhuǎn)換效率，因而在航天衛(wèi)星、宇宙飛船和空間站等方面的應(yīng)用上有著廣闊發(fā)展前景。

1.2 薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

第三代太陽(yáng)電池被稱(chēng)作先進(jìn)的薄膜電池，與第一代和第二代技術(shù)相比成本更低、效率更高。在第三代太陽(yáng)電池中，納米材料和納米技術(shù)被廣泛應(yīng)用。

具有納米結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體太陽(yáng)電池除適應(yīng)于薄膜結(jié)構(gòu)之外，也被認(rèn)為可以提供超高的光電轉(zhuǎn)換效率。這種高的光電轉(zhuǎn)換效率來(lái)源于以下的效應(yīng):(1)納米級(jí)的晶體尺寸可與載流子的散射長(zhǎng)度相比較，從而可顯著減少散射幾率提高載流子的收集效率;(2)由于態(tài)密度的增加，納米結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的光吸收系數(shù)。此外通過(guò)改變納米材料的尺寸還可以調(diào)節(jié)其禁帶寬度，以吸收特定波長(zhǎng)的光子能量。下面介紹幾種第三代太陽(yáng)電池。

1.2.1 染料敏化太陽(yáng)電池(DSSC)

將納米技術(shù)成功應(yīng)用于太陽(yáng)能電池以瑞士Gr?tzel 教授提出并發(fā)展的染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)最受推崇，DSSC 由透明導(dǎo)電玻璃、多孔納米薄膜、電解質(zhì)溶液及對(duì)電極構(gòu)成［28，29］。這種太陽(yáng)電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30%。

目前DSSC 的單體電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了11.4%［30，31］，面積為17.11 cm2小組件的效率達(dá)到了9.9%［32］。該類(lèi)電池轉(zhuǎn)換效率較低的主要原因在于充當(dāng)光陽(yáng)極的TiO2薄膜中存在著大量的表面態(tài)，束縛了電子在薄膜中的運(yùn)動(dòng)，使電子傳輸時(shí)間增長(zhǎng)，增大了與電解質(zhì)復(fù)合的幾率，從而降低了電子的收集，影響了太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率。此外，所有的染料都具有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，因此其敏化作用存在局限性。

1.2.2 有機(jī)聚合物薄膜太陽(yáng)電池

有機(jī)聚合物薄膜太陽(yáng)電池具有成本低、重量輕、制作工藝簡(jiǎn)單、可制備柔性器件等突出優(yōu)點(diǎn)。另外，有機(jī)聚合物材料種類(lèi)繁多、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，通過(guò)材料的改性來(lái)提高太陽(yáng)電池的性能方面存在巨大空間。

1992 年美國(guó)的Heeger 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)了共軛聚合物/C60 之間光誘導(dǎo)超快電荷轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象［33］，繼而在1995 年又發(fā)明了可溶液加工的共軛聚合物/可溶性C60 衍生物共混型“本體異質(zhì)結(jié)”聚合物太陽(yáng)電池［34］。此后的有機(jī)聚合物太陽(yáng)電池主要采用了本體異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)。2007 年其研究小組通過(guò)制備疊層電池，使得聚合物太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率超過(guò)了6%［35］。2010 年12 月，經(jīng)德國(guó)弗萊堡太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所和美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室分別證實(shí)，德國(guó)Heliatek 公司和美國(guó)Konarka 公司各自開(kāi)發(fā)出了轉(zhuǎn)換效率達(dá)8.3%的有機(jī)薄膜太陽(yáng)電池［36］。2011 年4 月，Science 報(bào)道了日本三菱化學(xué)通過(guò)改良有機(jī)半導(dǎo)體材料及采用涂布技術(shù)制備了光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)9.2%的有機(jī)薄膜太陽(yáng)電池［37］。2011年日本的AIST 研制的有機(jī)太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了10%［37］，面積為294.5 cm2的組件效率達(dá)到了4.2%［38］。

目前有機(jī)太陽(yáng)電池已實(shí)現(xiàn)了小批量生產(chǎn)，但效率比較低，需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

1.2.3 納米(量子點(diǎn))太陽(yáng)電池

量子點(diǎn)(或者納米顆粒)是直徑為1 ～10 nm 范圍內(nèi)的半導(dǎo)體晶體，當(dāng)量子點(diǎn)尺寸小于它的波爾半徑的時(shí)候，連續(xù)的能帶結(jié)構(gòu)變成具有分子特性的分立能級(jí)結(jié)構(gòu)。量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)在理論上是可以實(shí)現(xiàn)熱載流子電池、多激子效應(yīng)電池、中間能帶電池等新概念太陽(yáng)電池，以盡可能滿足“充分吸收光能，盡量減少轉(zhuǎn)化損失”這兩點(diǎn)，最終獲得超過(guò)的轉(zhuǎn)換效率。，文獻(xiàn)報(bào)道，采用量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多激子效應(yīng)，增加了對(duì)光電流的貢獻(xiàn)，單結(jié)電池光電轉(zhuǎn)換效率可從33.7%增至44.4%［39］。更有甚者，在直徑3.9 nm 的PbSe量子點(diǎn)中，當(dāng)用4Eg 光子能量激發(fā)時(shí)可得到300%的量子產(chǎn)率［40］。2011 年美國(guó)NREL 實(shí)驗(yàn)室的Octavi E. Semonin 等人研究的PbSe 量子點(diǎn)太陽(yáng)電池得到了外量子效率達(dá)到114 ±1%，內(nèi)量子效率130%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［41］。馬德里理工大學(xué)的Luque 和Marti通過(guò)理論計(jì)算指出，在太陽(yáng)電池器件中引入半導(dǎo)體量子點(diǎn)中間帶可獲得超過(guò)Shockley－Queisser 模型單結(jié)太陽(yáng)電池31%的極限效率，單結(jié)太陽(yáng)電池的理論效率可達(dá)63%［42］。

納米尺度半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)就像階梯一樣，從而可設(shè)計(jì)出最適于太陽(yáng)光譜的帶隙材料與電池結(jié)構(gòu)。以納米量子點(diǎn)效應(yīng)為基點(diǎn)的新型太陽(yáng)電池器件正在成為研究的熱點(diǎn)，但尚屬于概念驗(yàn)證階段，需長(zhǎng)期歸還研究。

1.2.4 碳類(lèi)薄膜太陽(yáng)電池

作為光伏應(yīng)用的新材料，經(jīng)濟(jì)環(huán)保的碳基材料已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外研究人員的極大關(guān)注。日本報(bào)道了一種a－C:H/p－Si 結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)2.1%［43］。上海交通大學(xué)的沈文忠教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)采用離子束濺射技術(shù)沉積出用于太陽(yáng)電池的非晶氮化碳薄膜(a－C:N)，并制成ITO/a－CNx/Al結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池［44］。美國(guó)Solasta 公司的M. Naughton提出以碳納米管結(jié)構(gòu)/非晶硅吸收層/金屬的納米結(jié)構(gòu)，預(yù)期電池效率可達(dá)25%。

雖然碳類(lèi)薄膜太陽(yáng)電池取得的光電轉(zhuǎn)換效率并不高，但隨著新設(shè)備新工藝的不斷出現(xiàn)，太陽(yáng)電池用的碳類(lèi)材料會(huì)不斷成熟，碳類(lèi)太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性等將會(huì)得到進(jìn)一步提高。

2 未來(lái)發(fā)展展望

發(fā)展可彎曲、可折疊的高質(zhì)量比功率的柔性薄膜太陽(yáng)電池，相比剛性太陽(yáng)電池質(zhì)量可輕5 倍以上，可降低太陽(yáng)電池陣成本數(shù)倍，將大大提高我國(guó)軍事電源領(lǐng)域的發(fā)展水平，尤其是對(duì)于空間飛行器、空間站和其他軍用電源系統(tǒng)，顯示出巨大的應(yīng)用前景。

對(duì)于硅基薄膜太陽(yáng)電池，其發(fā)展主要集中在以下幾個(gè)方向:(1)采用高速沉積新技術(shù)生長(zhǎng)Si 基薄膜;(2)進(jìn)一步發(fā)展多結(jié)結(jié)構(gòu)電池，包括將薄膜Si 和其他的吸收層或光伏技術(shù)相結(jié)合;(3)將量子點(diǎn)等新技術(shù)引入硅基薄膜太陽(yáng)電池中，提高單結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)換效率;(4)開(kāi)發(fā)新型封裝材料和優(yōu)化封裝工藝以降低成本。

對(duì)于化合物半導(dǎo)體薄膜太陽(yáng)電池，首先是針對(duì)CIGS 電池體系，其發(fā)展主要集中在以下幾個(gè)方向:(1)開(kāi)發(fā)吸收層快速沉積工藝技術(shù)，提高原材料利用率;(2)發(fā)展高效率無(wú)Cd 緩沖層的CIGS 電池組件;(3)發(fā)展CIGS 電池組件級(jí)聯(lián)技術(shù)與封裝技術(shù);(4)發(fā)展采用Roll－to－Roll 工藝制備CIGS 電池組件技術(shù);(5)發(fā)展CIGS 電池組件和廢料的循環(huán)利用技術(shù)。此外，為了進(jìn)一步提高CIGS 薄膜太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率，還可開(kāi)展陷光技術(shù)、納米粒子技術(shù)和多結(jié)疊層技術(shù)等領(lǐng)域的研究。理論計(jì)算表明雙結(jié)CIGS 薄膜太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)37%，三結(jié)電池達(dá)40%。另一個(gè)發(fā)展方向是加快CZTS 系列廉價(jià)太陽(yáng)電池技術(shù)研發(fā)，加大投入力度，加快研究進(jìn)度，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

此外，新興太陽(yáng)電池技術(shù)尤其是納米技術(shù)的有效應(yīng)用需要密切關(guān)注。

3 結(jié) 語(yǔ)

最近幾年薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，為大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，但仍需大幅降低成本才能得以生存，而提高轉(zhuǎn)換效率是競(jìng)爭(zhēng)中最具效力的關(guān)鍵。因此，該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)仍然是提高效率、降低成本。在進(jìn)一步挖掘現(xiàn)有太陽(yáng)電池技術(shù)，尤其是產(chǎn)業(yè)化技術(shù)潛能的同時(shí)，需引入新的概念和新的技術(shù)，才能得以突破目前光伏領(lǐng)域面臨的諸多挑戰(zhàn)，真正實(shí)現(xiàn)高效、廉價(jià)、綠色的第三代太陽(yáng)電池，將太陽(yáng)電池的電價(jià)達(dá)到與傳統(tǒng)電價(jià)相匹敵的水平。

［1］耿新華. 中國(guó)薄膜太陽(yáng)電池的發(fā)展［C］//第八屆全國(guó)光伏會(huì)議，深圳，2004:23－29.

［2］ SPEER B，MENDELSOHN M，CORY K. Insuring Solar Photovoltaics:Challenges and Possible Solutions［R］.2010.

［3］YAN B，YUE G，YANG J，et al. Correlation of Current Mismatch and Fill Factor in Amorphous and Nanocrystalline Silicon Based High Efficiency Multi－Junction Solar Cells［C］//33rd IEEE PVSC，San Diego，California，USA，2008:1－6.

［4］BENAGLI S，BORRELLO D，VALLAT－SAUVAIN E，et al.High－Efficiency Amorphous Silicon Devices on LPCVDZnO TCO Prepared in Industrial KAITM－M R＆D Reactor［C］//24th European Photovoltaic Solar Energy Conference，Hamburg，2009:2293－2298.

［5］YAMAMOTO K，YOSHIMI M，TAWADA Y，et al. Thin－Film Poly－Si Solar Cells on Glass Substrate Fabricated at Low Temperature［J］. Applied Physics A:Materials Science ＆ Processing，1999，69(2):179－185.

［6］BANERJEE A，SU T，BEGLAU D，et al. High－Efficiency，Multijunction Nc－Si:H－Based Solar Cells at High Deposition Rate［J］. IEEE Journal of Photovoltaics，2012，2(2):99－103.

［7］GREEN M A，EMERY K，HISHIKAWA Y，et al. Solar Cell Efficiency Tables［J］. Prog. Photovolt:Res. Appl.2012，20:12－20.

［8］YOSHIMI M，SASAKI T，SAWADA T，et al. High Efficiency Thin Film Silicon Hybrid Solar Cell Module on 1 m2－Class Large Area Substrate［C］//3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion，Osaka，2003:1566－1569.

［9］YANG J，BANERJEE A，GLATFELTER T，et al. Progress in Triple－Junction Amorphous silicon Based Alloy Solar Cells and Modules Using Hydrogen Dilution［C］//1st World Conference on Photovoltaic Energy Conversion，Hawaii，1994:380－385.

［10］趙 穎，戴松元，孫云，等. 薄膜太陽(yáng)電池的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］. 自然雜志，2010，32(3):156－142.

［11］ZHAO Y，ZHANG X D，XUE J M，et al. Research Status of Silicon－Based Thin Film Solar Cells in Nankai University［J］.Physica Status Solidi C，2009，6(3):758－764.

［12］ JACKSON P，HARISKOS D，LOTTER E，et al. New World Record Efficiency for Cu(In，Ga)Se2 Thin－Film Solar Cells Beyond 20%［J］. Progress In Photovoltaics:Research and Applications，2011，19(7):894－897.

［13］KESSLER J，WENNERBERG J，BODEGARD M，et al.Highly Efficient Cu(In，Ga)Se2 Mini－Modules［J］. Solar Energy Materials ＆ Solar Cells，2003，75(1－2):35－46.

［14］CHIBA Y，KIJIMA S，SUGIMOTO H，et al. Achievement of 16% Milestone with 30cm × 30cm－Sized CIS－Based Thin－Film Submodules［C］//35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC)，2010:164－168.

［15］ MIASOLE. MiaSole Achieves 15. 7% Efficiency with Commercial－Scale CIGS Thin Film Solar Modules［EB/OL］. ［2010－12－02］. http://www.miasole.com/

［16］ADRIAN C，STEPHAN B，F(xiàn)ABIAN P，et al. Highly Efficient Cu(In，Ga)Se2 Solar Cells Grown on Flexible Polymer Films［J］. NATURE MATERIALS，2011，10(11):857－861.

［17］CHIHARU M，KAZUNORI S，SHIROU K，et al.First Flight Demonstration of Film－Laminated InGaP/GaAs and CIGS Thin－Film Solar Cells by JAXA's Small Satellite in LEO［J］.Prog.Photovolt:Res.Appl.2011，19(7):825－833.

［18］KATAGIRI H，SASAGUCHI N，HANDO S，et al. Preparation and Evaluation of Cu2ZnSnS4Thin Films by Sulfurization of E－B Evaporated Precursors［J］. Solar Energy Materials and Solar Cells，1997，49(1－4):407－414.

［19］KATAGIRI H，JIMBO K，YAMADA S，et al. Enhanced Conversion Efficiencies of Cu2ZnSnS4－Based Thin Film Solar Cells by Using Preferential Etching Technique［J］.Applied Physics Express，2008，1(4).

［20］KATAGIRI H，JIMBO K，MAW W S，et al.Development of CZTS－Based Thin Film Solar Cells［J］. Thin Solid Films，2009，517(7):2455－2460.

［21］WANG K，GUNAWAN O，TODOROV T，et al. Thermally Evaporated Cu2ZnSnS4Solar Cells［J］. Applied Physics Letters，2010，97(14):143508－143508－3.

［22］JIMBO K，KIMURA R，KAMIMURA T，et al.Cu2ZnSnS4－Type Thin Film Solar Cells Using Abundant Materials［J］. Thin Solid Films，2007，515(15):5997－5999.

［23］GUO Q，F(xiàn)ORD G M，YANG W C，et al. Fabrication of 7. 2% Efficient CZTSSe Solar Cells Using CZTS Nanocrystals［J］. Journal of the American Chemical Society，2010，132(49):17384－17386.

［24］ TODOROV T K，REUTER K B，MITZI D B. High－Efficiency Solar Cell with Earth－Abundant Liquid－Processed Absorber［J］. Advanced Materials，2010，22(20):E156－E159.

［25］BARKHOUSE D A R，GUNAWAN O，GOKMEN T，et al.Device Characteristics of a 10. 1% Hydrazine－Processed Cu2ZnSn(Se，S)4Solar Cell［J］.Prog.Photovolt:Res.Appl. 2012，20(1):6－11.

［26］STEINER M A，GEISZ J F，REEDY R C，et al. A Direct Comparison of Inverted and Non－Inverted Growths of GaInP Solar Cells［C］. 33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference，California，USA，2008.

［27］ATAVARTJ R，HILLIER G，DZANKOVIC A，et al.Lightweight Low Cost GaAs Solar Cells on 4" Epitaxial Liftoff(ELO)Wafers［C］. 33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference，California，USA，2008:1－4.

［28］O'REGAN B，GRATZEL M.A Low－Cost，High Efficiency Solar Cell Based on Dye－Sensitized Colloidal TiO2Films［J］. Nature，1991，353(3):734－740.

［29］ CHRISTOPHE J，GRATZEL M. Nanocrystalline Titanium Oxide Electrodes for Photovoltaic Application［J］. J.Am. Ceram. Soc.，1997，80 (12):3157－3171.

［30］ KOIDE N，YAMANAKA R，KATAYAMA H. Recent Advances of Dye－Sensitized Solar Cells and Integrated Modules at SHARP［J］. MRS Proceedings. 2009，1211:R1202－R121208.

［31］HAN L. NIMS Sets a New World Record for the Highest Conversion Efficiency in Dye－Sensitized Solar Cells［EB/OL］. ［2011－08－25］. http://www. nims. go. jp/eng/news/press/2011/08/p201108250.html

［32］MOROOKA M，OGURA R，ORIHASHI M，et al. Development of Dye－Sensitized Solar Cells for Practical Applications［J］. Electrochemistry. 2009，77:960－965.

［33］SARICIFTCI N S，SMILOWITZ L，HEERGER A J，et al.Photoinduced Electron Transfer from a Conducting Polymer to Buckminsterfullerene［J］.Science，1992，258(5087):1474－1476.

［34］YU G，GAO J，HUMMELEN J C，et al. Polymer Photovoltaic Cells－Enhanced Efficiencies via a Network of Internal Donor－Acceptor Heterjunction［J］. Science，1995，270(5243):1789－1791.

［35］KIM J Y，LEE K，COATES N E，et al. Efficient Tandem Polymer Solar Cells Fabricated by All－Solution Processing［J］. Science，2007，317(5835):222－225.

［36］SARA V B. Organic Solar Cells Push Efficiency Thresholds to 8.3%［EB/OL］. http://www.lusplasticelectronics. com/energyorganic－solar－cellspush－efficiency－thresholds－to－8－3－per－cent－20819.

［37］SERVICE R F. Outlook Brightens for Plastic Solar Cells［J］. Science，2011，332(6027):293－293.

［38］MIYAKE K，UETANI Y，SEIKE T，et al. Development of Next Generation Organic Solar Cell［R］. 2010.

［39］ KEVIN B. Future Generation Photovoltaic Devices and Processes Selections［R］. DOE Solar Energy Technology Program，USA，2007.

［40］ELLINGSON R J，BEARD M C，JOHNSON J C，et al.Highly Efficient Multiple Exciton Generation in Colloidal PbSe and PbS Quantum Dots［J］. Nano Lett.，2005，5(5):865－871.

［41］SEMONIN O E，LUTHER J M，CHOI S，et al. Peak External Photocurrent Quantum Efficiency Exceeding 100%via MEG in a Quantum Dot Solar Cell［J］. Science，2011，334(6062):1530－1533.

［42］LUQUE A，MARTI A. Increasing the Efficiency of Ideal Solar Cells by Photon Induced Transitions at Intermediate Levels［J］.Phys.Rev.Lett.，1997，78(26):5014－5017.

［43］TIAN X，SOGA T，JIMBO T，et al. The a－C:H/p－Si Solar Cell Deposited by Pulsed Laser Deposition［J］. Journal of Non－Crystalline Solids，2004，336(1):32－36.

［44］ZHOU Z B，CUI R Q，PANG Q J，et al. Schottky Solar Cells with Amorphous Carbon Nitride Thin Films Prepared by Ion Beam Sputtering Technique［J］. Solar Energy Materials and Solar Cells，2002，70(4):487－493.