太陽能電池發展的新概念及新方向

東營職業學院 張 霄

太陽能電池發展的新概念及新方向

東營職業學院 張 霄

近些年，隨著我國經濟的飛速發展、科技水平的快速提升，太陽能技術已逐漸普及、應用到各個行業領域乃至人們的生活中，而市面上也涌現出了大量的太陽能熱水器、太陽能發電設備、太陽能照明器具等產品。其中，太陽能電池的應用，不僅充分發揮了太陽能技術環保、節能、可再生的特點，同時也有效滿足了當代社會發展、科技進步的需求。本文就太陽能電池發展的新概念及新的方向作簡要的分析、探討。

太陽能電池；發展；新概念；新方向

隨著新型太陽能電池的涌現，以及傳統硅電池的不斷革新，新的概念已經開始在太陽能電池技術中顯現，從某種意義上講，預示著太陽能電池技術的發展趨勢。通過對太陽能電池的發展背景、現狀進行分析，可將太陽能電池發展的新概念、新方向歸納為薄膜電池、柔性電池、疊層電池、以及新概念太陽能電池。

一、陽能電池發展綜述

長期以來，世界各國在大力發展經濟的同時，各行業領域的過度生產消耗了大量的能源，倘若繼續按照此種趨勢發展，在未來的五十年里，能源危機將是影響人類生活、阻礙社會進步的首要問題。目前，不同國家、地區、種類的全部能源中，能夠使用的化石能源占90%以上，若是以現階段世界各國的能源消耗狀態發展到二十一世紀的中期，可供使用的能源儲備、化石能源所占比例將減少近50%，之后的能源需求必將是以可再生能源、核能為主。基于此種趨勢，預計到2100年，在人類所使用的能源中，可再生資源將占有30%以上。可供開發、使用的可再生能源主要有地熱能、生物質能、風能、太陽能、潮汐能、氫能等。其中，太陽能所蘊藏的能量，是其他可再生資源能量總合的數千倍。由此可見，太陽能有著巨大的發展空間、良好的市場前景，而太陽能電池憑借其能量充足、可再生且環保的特點，自研發、應用后，以30%的年度增長率在世界各國、國際市場中得到推廣與普及，截至到2010年，太陽能電池的國際市場年增長率有所減緩，但仍將以25%左右的年增率持續擴大市場份額。此外，國際上的太陽能光伏裝機容量，將從21世紀初的約0.5GW增長到2030年的300GW。對于可再生資源的研發與使用，我國提出了具體的中長期規劃，將初期目標年度設定在了2020年，要求可再生能源的占有量達到15%，而太陽能電池的發電容量將逐步擴充至1.8GW。

目前，在國際市場中可供選擇、使用的太陽能電池較少，主要是以硅基太陽能電池為主流產品，其中多晶硅太陽能電池所占有的市場份額較大。然而，我國尚不具備完善的技術能力與經驗，去生產、制作用以太陽能電池的高純硅材料，主要生產廠家來自美國、德國、日本，而隨著市場需求的加大，國際市場中的多晶硅原料已趨向缺口狀態，以至于多晶硅的市場價格迅速攀升，由2005年的55美元/kg，快速激增到2007年的400美元/kg。此外，現階段應用太陽能電池時所需要的發電成本數額，是煤礦發電生產成本的10倍以上，大致在5元/kW·h到7/kW·h之間。值得注意的是，太陽能電池項目的運行，對于投資數額的需求較大并有著較高的能耗，一般情況下，建設千噸級的工廠需要數十億的項目資金與數十個月的建設周期。在此種市場環境中，我國的太陽能電池產品主要投放于國外市場。

二、太陽能電池發展的新方向

（一）薄膜太陽能電池

薄膜太陽能電池，其主要是將電氣器件的規格減小、厚度降低，此種做法不僅能夠有效縮短電池器件中的光生載流子擴散距離，大幅減小發生湮滅、復合的可能性，同時在吸光程度基本保持不變的情況下，進一步提高了太陽能電池的效率。相較于常規電池，薄膜太陽能電池的生產節約了大量的原材料，制備電池器件的工藝、操作較為簡便。在硅基太陽能電池的發展初期，硅片的厚度通常在450μm到500μm左右，而現階段國際市場中的硅片厚度則降低到180μm到280μm左右，大幅降低了硅材料的使用量，從而節約了太陽能電池的生產成本。綜合考慮太陽能電池的發展現狀與國際市場情況，預計到2020年，硅基太陽能電池的硅片厚度將降低到80μm到100μm之間，在此基礎上若要繼續縮減硅材料的用量將十分困難。對此，近些年有關專家、學著經過不斷的創新研發、技術改造，相繼推出了III/V族與II/IV族半導體化合物電池，目前市場面可供選擇、使用的電池有CdTe、CIGS、GaAs等，作為一種新型薄膜太陽能電池，III/V、II/IV族半導體化合物電池的部分生產原料較為稀缺，同時存有一定的有害物質，但憑借其優勢明顯的轉換效率，可應用于一些特定場所。由此可見，太陽能電池薄層化，是未來太陽能技術發展的必要途徑。

（二）疊層太陽能電池

疊層太陽能電池，主要是建立在薄層電池技術的基礎上之上，通過疊加多層器件使太陽能電池的性能得到提升。在具體的生產制作中，電池器件的疊加可以是同種類的復合，也可以是多個種類器件的結合。對于單一層次的電池器件，由于不同感光區域的光相應性能有所區別，從而能夠分別吸收、利用自讓陽光中的多種波段，而通過對電池器件層的疊加，不僅能夠高質量、高效率的吸收、利用太陽光線的全波段，同時在不同層次、各組器件的耦合效應下，可進一步提高太陽能電池的光能轉換效率。對于新概念太陽能電池，通過疊層處理CIGS電池、染料敏化太陽能電池，能夠將其原有13.9%、8.18%的光能轉換效率提高至15.09%。

（三）柔性太陽能電池

相較于傳統的平板類太陽能電池，柔性電池可應用在建筑工程、汽車制造、飛機環保、紡織用品、安全防護用具等多個領域中，充分滿足了對電池的特殊曲面需求。近些年，隨著世界各國逐步加大太陽能電池的研發力度，柔性電池的生產、制備有望采用成卷技術，由此便可大規模的連續生產，能夠有大幅降低產品成本。一般情況下，柔性太陽能電池的實現，主要采用帶有一定軟度、韌性的聚合物半導體材料，將其作為感光組員來生產、制備電池器件，從而可以進行彎曲、折疊，為使用者帶來了便利。此外，對于新概念太陽能電池，可利用具有導電性能的柔性有機基板電極來實現電池的柔性化。目前，國際市場中的無機、有機半導體太陽能電池，以及非晶硅太陽能電池等多種類型的光伏器件均逐步完成了柔性化改造。

三、太陽能電池發展的新概念

目前，在國際市場上眾多的新概念太陽能電池中，染料敏化太陽能電池憑借其制備工藝簡單、生產成本低廉等特點、優勢得到了廣泛的支持與認可。作為一種新型的陶瓷基光化學電池，染料敏化電池的生產并不需要以往常規太陽能電池的高真空、高溫處理，也不需要價格昂貴、存量有限的稀缺原料，相較于硅基太陽能電池，能夠節省20%到35%左右的投資成本。此外，此種新概念太陽能電池有著其他常規電池不可比擬的優勢、特點，能夠根據實際需要而制作成透明、多色、圖案等多種形式，也可作疊加、柔化、薄層處理。雖然，目前對于染料敏化太陽能電池的研發、應用仍處于初期發展階段，但此種電池的光電轉換效率以達到11%，明顯優于其他太陽能電池。據有關試驗表明，在設計功率相同的情況下，相較于傳統的多晶硅太陽能電池，新概念染料敏化電池的發電總量多出近30%左右。對此，澳大利亞、日本等海外發達國家相繼建立了中試線工程，而我國也初步完成了示范工程的建設。染料敏化太陽能電池的產業化發展，逐步瞄準了電子市場與移動通信市場，待技術條件趨于成熟后，還將投放于建筑產業等多種領域。

現階段，世界各國對于染料敏化太陽能電池的研究，在器件、材料方面，主要圍繞對電極、光陽極、染料等多個方面進行；在產品性能方面，主要包括大面積電池的設計、電子傳輸機理以及電池運作期間的效率、質量等諸多事項。值得注意的是，太陽能電池的光陽極材料，以往傳統、常規材料所采用的是TiO2納米多孔粒子結構，而為進一步延長電子傳輸的有效期限，減少、避免載流子復合現象，一維傳輸結構逐漸得到國際專家、學著的關注與重視，具體包括納米線陣列、納米管陣列等。與此同時，CaCO3包覆TiO2結構的應用，能夠有效提高太能能電池的光能轉換效率，上升幅度在2%左右。此外，在太陽能電池的國際市場中，Nb2O5、ZnO、SnO2等其他寬帶隙半導體光陽極材料，有著同樣的性能及優勢，從而逐漸得到關注與重視。染料敏化太陽能電池憑借其優良的性能、靈活多變的制備形式以及優勢明顯的性價比，必將成為未來太陽能電池國際市場的主流產品，世界各國的專家、學著以及諸多產業已著手實施了技術研發，在新型染料合成、光陽極修飾、穩定性和疊層電池等多個方面取得了重要進展。

四、結束語

綜上所述，在未來的一段時期內，薄膜電池、柔性電池以及疊層電池將成為太陽能電池研究領域的主流。染作為新型陶瓷基太陽能電池，料敏化太陽能電池已逐漸得到國際專家、學者以及多領域產業的關注與重視，待技術條件成熟后，將成為國際市場的主流產品。

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本期部分作者風采展示

▲ 伍麟珺

▲ 張 宵

▲ 王心怡

▲ 穆亞輝

▲ 劉順清

▲ 陳 斌

伍麟珺（1982—），女，碩士，湖南工學院電氣與信息工程系講師，主要研究方向：數字信號處理，電子線路設計。

張宵（1980.5—），山東東營人，大學本科，畢業于中國石油大學，東營職業學院助教，研究方向：電子產品工藝設計、電子電路仿真、光伏材料加工與應用等，多次指導學生在省級電子競技大賽中獲得好成績，多次成功指導學生開發研制電子產品。王心怡，2007年畢業于山東科技大學，助理工程師，現供職于江蘇自動化研究所，從事結構設計工藝研究。

穆亞輝，1999年7月畢業于河南科技學院機電系機電教育專業，高校講師，現從事可編程序控制器等教學工作，把培養學生創新精神、塑造學生健康人格作為教育教學的目標，充分發掘豐富的、有效的課程資源，使教學內容貼近學生的實際生活，反映學生的真實需要。積極參加各級各類教學教研活動，2008年被評為許昌職業技術學院“評估先進個人、優秀教師”，先后參與國家級新型實用專利4項，河南省科技廳成果5項；出版教材5部；撰寫科研論文10多篇；鼓勵學生積極參加各種豐富多彩的課外活動，輔導的學生在2011年全國電子設計大賽中獲得河南賽區一等獎，2010年全國自動化生產線安裝與調試大賽中獲得三等獎。

劉順清（1965.12－），男，研究生同等學歷，中共黨員，高級工程師，現為中國職教學會高職委員會會員，中石化長嶺煉化公司科協會員，湖南石油化工職業技術學院紀委委員、石化裝備工程系主任，參加工作25年來，先后31次榮獲湖南省教育廳、岳陽市教育局、中石化長嶺煉化公司、湖南石油化工職業技術學院等優秀教師、先進教育工作者、優秀黨員、優秀黨務工作者、優秀團干等各種榮譽稱號。業績被收入《二十一世紀人才庫》。

陳斌（1978.3－），男，湖北武漢人，1996年至2000年就讀于武漢理工大學電子信息學院，2000年至2003年就讀于武漢理工大學自動化學院，碩士研究生，館員，2003年至今在江漢大學圖書館從事信息資源管理、圖書館自動化系統等研究，曾在《計算機工程》、《現代圖書情報技術》、《現代情報》等雜志上發表論文9篇，參與國家級課題，省市級課題10余項。