关于光伏电池前沿技术的分析和介绍

一、前言 光伏发电简言之—就是将太阳光辐射能直接转换为电能的技术。作为光伏发电的核心—光伏电池，大家耳熟能详的有晶硅和薄膜电池，随着越来越广泛的应用这些电池的技术水平正在飞速发展。 那么光伏电池的是如何发电的？它们未来的技术发展方向是怎样的？除了晶硅和薄膜，还有没有其他的光伏电池？成本会不会更有优势？发电效率会不会更高？ “ 今天小固就为大家总结下近些年光伏行业最具前瞻性和探索性的光伏电池前沿技术。   二、晶硅前沿技术 2006年以来晶硅组件在全球光伏应用市场时钟占据着80%以上的份额，占光伏应用的主导地位。作为当下光伏市场主流的晶硅光伏技术，也一直在转化效率方面寻求突破。从双玻组件、高效光伏组件到聚光光伏，技术一直在不断迭代前行。下面小固就对几种新兴的晶硅光伏技术作详细介绍。 N型高效单晶光伏电池技术  
目前研究的N型单晶高效电池主要有：PERT电池，PERL电池，HIT电池，IBC电池，HBC电池等。根据电池受光面不同分为单面受光型和双面受光型，N型单晶硅太阳能电池的分类示意图如下所示。

图1 N型单晶硅太阳能电池的分类 由常州天合光能光伏科学与技术国内某国家重点实验室独立研发的6英寸大面积IBC电池效率已达22.9%，成为了6英寸IBC电池的最高转换效率。德国Fraunhofer实验室利用PassDop技术制备的N-PERT型小面积电池（4cm2），其转化效率可达23.2%（Voc=699mV，Jsc=41.3mA/cm2，FF=80.5%），电池结构如图2所示。

图2 N型高效单晶光伏电池 不断追求效率提升和成本降低是光伏行业永恒的主题，N型晶硅电池与传统的P型晶硅电池相比，由于其无光致衰减等天然优势，具有更大的效率提升空间和潜力，是高效电池技术路线的必然选择，而且随着电池新技术的引入，N型晶硅电池的效率优势会越来越明显。 聚光光伏电池技术 聚光太阳能是使用透镜或反射镜面等光学元件，将大面积的阳光汇聚到一个极小的面积上，再进行进一步利用产生电能的太阳能发电技术。CPV是聚光太阳能发电技术中最典型的代表。2014年，弗劳恩霍夫及其合作伙伴法国Soitec公司及其法国研究机构CEA-Leti，创造了光电转化效率高达46%的聚光太阳能电池，是光电转化效率的最高纪录，展现出其工业应用的潜力。  

图3 聚光CPV光伏组件     三、薄膜前沿技术 薄膜太阳能电池可以使用在价格低廉的陶瓷、石墨、金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数μm，生产成本更加低廉。薄膜太阳能电池技术正迎来技术革新，发展势头迅猛。下面小固就对薄膜太阳能电池技术取得的突破性进展进行阐述。   化合物薄膜太阳电池  1 CIGS(铜铟镓硒)薄膜太阳能电池 CIGS薄膜太阳能电池，由Cu（铜）、In（铟）、Ga（镓）、Se（硒）四种元素构成最佳比例的黄铜矿结晶薄膜太阳能电池，是组成电池板的关键技术。几周前，位于德国斯图加特的巴符州太阳能和氢能研究中心获得了CIGS(铜铟镓硒)薄膜太阳能电池能源转化率最优值，这块大小只有0.5平方厘米的太阳能电池转化率达到22.6%。因此，巴符州太阳能和氢能研究中心的研究者超越此前日本创下的22.3%，成为了这项纪录新的保持者。CIGS(铜铟镓硒)薄膜太阳能电池具有光吸收能力强、发电稳定性高、成产成本低、能源回收周期短等优点。  

图4 CIGS薄膜太阳能电池片       2 碲化镉(CdTe)薄膜光伏电池 碲化镉薄膜电池是一种以P型碲化镉(CdTe)和N型硫化镉(CdS)的异质结为基础的太阳能电池。它是在玻璃或是其它柔性衬底上依次沉积多层薄膜而形成的光伏器件。与其他太阳能电池相比，碲化镉薄膜太阳能电池结构比较简单，一般而言，其电池由五层结构组成，即玻璃衬底、透明导电氧化层(TCO层)、硫化镉(CdS)窗口层、碲化镉(CdTe)吸收层、背接触层和背电极。  

图5 碲化镉(CdTe)薄膜光伏电池     碲化镉薄膜太阳能电池的理论光电转换效率约为28%，2015年2月5日，世界领先的太阳能光伏模块制造商之一First Solar宣布其碲化镉（CdTe）太阳能电池转换效率达到21.5%，刷新历史记录。自2011年以来，这已是第八次CdTe效率大幅刷新世界记录，高效而廉价的碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池因其本身所固有的良好材料性能和自身实践，而被越来越多的投资者所关注，有可能成为未来光伏电池的主流产品之一。 有机化合物薄膜光伏电池 近年来，以GaAs、GaAb、GalnP、Culnse2等为代表的新型有机化合物薄膜太阳能电池，取得了较高的光伏转化效率，GaAs电池的转化效率目前已经达到30%，而Gu、ln等为比较稀有的元，Cd等为有毒元素，因此，这类电池的发展必然将受到资源、环境的限制。因此，凝聚态稳定的有机薄膜太阳能电池备受关注；潜在的低成本、轻质量、柔韧易加工性、可低成本大面积制备等突出优点，使得它具有很强的竞争力。   四、其他发电前沿技术 在太阳能电池家族中，有很多其他的新材质和新技术用于其中，比如用树木制造的太阳能电池、用B，Al，Ga，In半导体材料制成的多结太阳能电池等。小固选取几种技术比较成熟、转化效率较高的新型发电技术给用户做介绍。 聚合物太阳电池    1992年AlanJ.Heeger教授组发现了共轭聚合物和富勒烯之间存在超快的电荷转移，并在1995年实现了由溶液制备的聚合物/富勒烯衍生物PCBM体异质结太阳能电池。此后，在过去的20余年里，人们先后在共轭聚合物吸光材料的设计与合成、器件的工作机理、活性层形貌与电子给-受体分相行为的调控、界面层的影响与低成本器件工艺等方面做了大量的研究并取得了很多突破性的进展。其中瑞典林雪平大学和中国科学院（中科院)）科学家合作，将PBDB-T聚合物和ITIC小分子进行结合，使得太阳能转换效率达到11%，刷新无富勒烯聚合物太阳能光伏电池新纪录，效率值超过绝大多数聚合物太阳能电池。

图6 聚合物太阳能光伏电池 钙钛矿太阳电池    发展迅速的钙钛矿电池，近几年来一直是太阳能产业的研究热点。下图为用二维钙钛矿材料制作三种大面积太阳能电池：左边的是室温铸造薄膜；中间偏上的是有问题的带隙样本；右边的是具有最佳能量性能的热铸试样。

图7 钙钛矿太阳能光伏电池 钙钛矿电池具有成本低廉、工艺简单(适用于各种产业化技术，包括溶液操作、卷对卷加工、热蒸镀等)等优势，但是钙钛矿电池的发展也面临着严峻的挑战：自然环境稳定性瓶颈，以及Pb的毒性、环境污染和材料循环利用等关键技术问题。近日，大连理工大学精细化工国家重点实验室针对这一难题进行了破解：使得该类电池获得了目前基于碳对电极最高的光电转换效率。 诞生的新一代钙钛矿电池，作为“世界十大科技突破”之一，其在短短四年内，效率已经超过22.1%，极大地挑战了传统的光伏技术。 无机纳米晶太阳能电池    乔治亚理工学院的教授伯纳德·基普伦和普渡大学材料科学与工程学院副教授杰弗里·扬布拉德对无机纳米晶太阳能电池进行了研究。他们的研究成果为寻找真正的可循环、可持续、可再生太阳能电池技术打开了一道新的大门。它们使用木料制作的纤维素纳米材料作为基板，其具有绿色环保，可再生又可持续的特点，相信在未来的些许年，他们的团队可以将功率转化效率提升到10%以上。   五、总结     本文小固从晶硅前沿技术、薄膜前沿技术、其他发电前沿技术三个方面对太阳能电池进行了介绍。话说，科技创新是行业发展的不竭动力，随着科学技术的进步、太阳能电池生产成本还会持续降低，这也会用户在有限的空间条件下带来更多的发电量、更好的投资收益回报。