目前大部分电能是依靠一次能源如石油、煤的燃烧，而这些在地表内所蕴藏的非再生能源伴随着不断的开采而日益减少，资源短缺问题随之而来，同时大量使用石油和煤炭导致环境越来越恶劣，温室效应越来越严重，面对如此严峻的能源问题和环境问题，寻找一种新能源，既可产生人类所需的电能，减少一次能源的消耗，又不污染环境，成为世界各国的重要任务。
太阳能 —— 取之不尽用之不竭，清洁无污染，刚好满足所寻新能源的特点，若将太阳光能转换成人类所需电能，则可大大缓解能源短缺问题。太阳光无处不在，家庭用户在自家屋顶就可发电，减少输电线路上电能的损失，故如德国、法国、意大利等国家大力发展光伏产业，陆续把太阳能光伏发电作为重要的发展方向，而我国大部分地区光照充沛，光能资源分布均匀，太阳能光伏应用前景十分广阔。
太阳能电池作为光伏发电系统的核心部件，将光能转换成电能，掀起了各国科学家的研究热潮，家庭屋顶太阳能发电、太阳能汽车、太阳能飞机、太阳能服装等产品层出不穷。
2018年上半年，我国光伏产业水平持续稳定、产品出口量持续增长。在产业布局上，我国太阳能电池产业集中分布在江苏、河北、山东、广东、湖北、四川、湖南等地区，依靠一些重点光伏企业为引领者，逐步带动整个地区产业的发展。
1. 晶体硅太阳能电池
晶体硅太阳能电池在太阳能电池材料市场中地位显赫，约占66%左右；硅晶太阳能电池中，单晶硅和多晶硅占据主要份额，约90%左右。
（1）单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池中硅结晶为单晶，纯度高达99.999%，是目前普遍使用的光伏发电材料，也是硅基太阳能电池中技术最成熟的。2018年上半年，我国单晶硅电池产量增加明显：单晶硅片占硅片产量的52.7%；单晶电池片占电池片产量的41%。与2017年相比，我国单晶硅片和电池片产量分别提高了41.2% 和21.2%。单晶硅所用原料纯度高，制造工艺复杂，电耗很大，占太阳能电池生产总成本的54.6%。单晶硅棒呈圆柱状，切割成太阳能电池片的四角亦为圆弧，电池片组装时平面利用率低。诸多因素导致单晶硅太阳能电池价格居高不下，如何降低单晶硅材料生产成本是促进单晶硅太阳能电池大规模使用的关键。
（2）多晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池的原料要求相比单晶硅低得多，一般用废次单晶硅尾料或冶金级硅材料熔化浇铸成硅锭，故材料成本比单晶硅低，是继单晶硅太阳能电池后研发的主要材料。从制作成本上讲，材料制造简便，生产能耗低，比单晶硅太阳能电池节约电耗，生产过程无污染，总的生产成本较低。故20世纪80年代以来，国外一些国家投入巨资研制多晶硅太阳能电池，发展迅速。
多晶硅太阳能电池的制造，原料高纯硅无需提纯成单晶，经熔化浇铸成正方形的硅锭，然后再如加工单晶硅一样切成薄片即可直接获得方形电池片，方形电池片更易组装。单晶硅电池的加工技术同样可应用于多晶硅太阳能电池，只是光电转换效率略低于单晶硅太阳能电池，如何进一步提高多晶硅太阳能电池的光电转换率是其发展的关键。
尽管晶体硅太阳能电池技术进步和市场扩大其成本不断下降，但由于材料和工艺的限制，还需数年时间有望达到1.5元/ W的价格。故在降低晶体硅太阳能电池价格的同时人们也在不断寻找其他类型的太阳能电池材料。
2. 薄膜太阳能电池
目前研究较多的薄膜光伏电池材料有3种：非晶硅薄膜太阳能电池（a - Si）、Ⅲ-Ⅴ族化合物薄膜太阳能电池和Ⅱ-Ⅵ族化合物薄膜太阳能电池，其中非晶硅薄膜电池生产比例最大，在薄膜电池中占38%。
（1）非晶硅薄膜太阳能电池
非晶硅薄膜太阳能电池一般采用等离子增强型化学气相沉积法（PECVD）制备，所用原料为高纯硅烷，在一定的温度下使气体分解后在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积薄膜，故通常情况下非晶硅电池的厚度小于0.5 μm，虽薄薄一层却可有效吸收光子能量，可节省很多硅材料；且生产中可以连续在多个真空沉积室完成，沉积分解温度低，易大面积化生产以实现大批量生产；另外硅烷价格十分便宜，化学工业产量丰富，成本低。
（2）Ⅲ - Ⅴ族化合物薄膜太阳能电池
Ⅲ-Ⅴ族的半导体材料具有直接能隙，与太阳光谱匹配较好，典型代表为砷化镓（GaAs）电池。采用化学气相沉积法在单晶硅基板上析出GaAs薄膜，制成薄膜太阳电池，因其吸光系数高，光电转换率可达33% ，且该电池耐反射损伤性佳对温度变化不敏感，多应用于宇宙空间，如“神舟3号”飞船、“神舟8号”飞船、“天宫一号”飞船等。该电池单位价格比多晶硅太阳能电池高数十倍甚至百倍，因此不是民用主流。
（3）Ⅱ- Ⅵ族化合物薄膜太阳能电池
①碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池
碲化镉能隙值为1.45e V，处于理想太阳能电池的能隙范围内且吸光系数高，为获得高光电转化率奠定了基础。加之快速成膜技术的应用，大大缩短加工时间，提高生产效率，极具应用潜力，近年来CdTe薄膜太阳能电池已广泛用于屋顶太阳能电池的制备。但镉污染是制约该薄膜电池发展的因素。
②铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池
铜铟镓硒吸光范围广，优良的稳定性尤其是户外环境下，材料制造成本低，符合太阳能电池材料选材要求。在转换效率方面，标准光强照射条件下为14%左右，采取聚光措施能达到30%左右,近单晶硅太阳能电池的转换效率。由于其抗辐射损伤能力强，不仅可用于大面积的地面发电，还可应用于太空领域。目前铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池的应用普及度不高，仍需进一步提高光电转换效率及大幅降低成本，这是未来努力的方向。
③柔性衬底薄膜太阳电池
在柔性衬底如织布上制备薄膜电池，可任意卷曲折叠、成本低廉，应用于太阳能背包、太阳能敞篷等，另外可以集成在窗户或屋顶、外墙、汽车、飞机上形成光伏建筑一体化以及太阳能汽车、甚至太阳能飞机等，应用前景广阔。目前美国托利多（Toledo）大学在柔性衬底非晶硅太阳电池领域的研究处于世界领先地位。
虽然薄膜电池尚未形成产业化，但材料消耗少、制备能耗低、一个车间内就可完成组件生产的优势势不可挡，相信若干年后随着科学技术的不断进步，薄膜电池的转化效率将不是问题，规模化生产指日可待，加之光伏建筑一体化等分布式光伏的建设与应用，预计薄膜电池未来可能成为市场的主流选择。
3. 新型太阳能电池
（1）有机太阳能电池
以共轭聚合物为基体代替无机材料制备太阳能电池掀起又一轮太阳能电池的研究热潮。有机材料具有柔性好、易加工、材料来源广泛、成本低廉等优点，这对降低太阳能电池的价格提供了重要途径。该方法仅仅处于探索阶段，光电转换效率和使用寿命目前都不及其他太阳能电池，这一设想是否可行，还有待于进一步研究探索。
（2）纳米晶化学太阳能电池
自瑞士Gratzel教授成功研制出纳米二氧化钛（TiO2）化学太阳能电池，其成本廉价，仅为硅太阳能电池的1/10 ～1/5 ；工艺简单、性能稳定，寿命能达到20年以上，受到国内研究者的青睐。目前我国才刚刚开始接触此类电池的研究，未来将逐步走上市场。
另外，利用聚光光学系统将太阳能通过透镜或镜面，直接放大上百上千倍后，将能量聚焦在效率极高的小电池上，随后通过逆变器等，把直流电转换为交流电，可大幅提高光电转换效率，但由于该系统不能直接使用太阳光，须借助跟踪器将系统调整到与太阳精确相对，实施聚焦，要求较高，且该技术尚不成熟，有待深入研究。
1. 单晶硅太阳能电池材料
随着科学技术的不断进步，单晶硅大阳能电池光电转换效率实验室达26.3%，无疑最高，在市场应用中占据主导地位 。但单晶硅太阳能电池价格昂贵，采取措施降低其价格是关键。适当放宽单晶硅太阳能电池的材料要求，根据情况可适当部分采用半导体器件加工的头尾料以及废次单晶硅材料，或经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒。
另一方面，我国单晶硅材料的加工工艺已相对成熟，发展空间有限，今后应着重提高单晶硅电池的性能。结合先进的加工技术进行电池生产，针对电池表面不同的区域采用不同的制造技术，必要时采用新型的分区参杂技术等进一步提高电池的转化效率。
2. 多晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池的光电转换效率只有21.9%左右，这与多晶硅内存在明显的晶粒界面，晶格错位等缺陷有关。如何进一步提高多晶硅太阳能电池的光电转换率是其发展的关键。不断研究新技术，快速发展硼镓共掺、铸造单晶等长晶技术；进一步提高切割技术，获得高性能的多晶硅薄片，加速多晶钝化发射极及背接触（PERC）技术产业升级，提高电池片量产等。
另外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短，可采取提高载流子迁移率等措施提高其使用寿命。
3. 非晶硅太阳能电池
非晶硅太阳能电池的光电转换效率一直没有超过10%，针对这一情况，可以从以下2个方面提高非晶硅太阳能电池的效率：①提高非晶硅太阳能电池对光的吸收；②通过叠层技术提高非晶硅太阳能电池的光电转换率。提高电池对光的吸收，可以考虑将氧化物薄膜制成绒面形状，以减少反射进而增加电池对光的吸收，或者通过改变电池层的结构提高光电转换效率；通过非晶硅电池叠层技术，同时采用渐变带隙设计、隧道结中的微晶化掺杂层等技术改善载流子收集，提高电池转换效率的同时提高单结太阳能电池的稳定性。
非晶硅太阳能电池的另一个致命缺陷就是寿命短、性能不稳定。其光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，即光致衰退效应（S -W效应），在光的不断照射下光电转化效率会下降到原来的25%。对S - W效应的起因及造成衰退的微观机制，目前没有形成统一的观点，有科学家判断与非晶硅所存在的悬挂键、断键、空穴等缺陷有关，对其进行氢掺杂以饱和它的部分悬挂键，来降低其缺陷态密度，以期改善其性能。
4. 薄膜太阳能电池
我国薄膜太阳能电池产业起步晚，在最近几年才成规模，不论技术水平、行业成熟度、供应链等均处于不断探索的过程中。薄膜太阳能电池生产设备复杂昂贵，几乎是晶体硅电池设备投资额的10倍，尤其是关键设备，长期以来一直依靠进口，被欧美企业所垄断，价格高昂，我国薄膜太阳能电池发电成本的7成左右用于生产设备的购买与维护，故价格高出传统电价一大截。降低薄膜太阳能电池成本的关键是实现薄膜产业高端装备国产化，扩大薄膜电池的产量，以规模化带动成本降低和提高效率。
另外，可以通过发展较宽能隙（大于1.5 eV）的CIGS技术以及CIGS薄膜低温制造技术降低制造成本。由于铟（In）和镓（Ga）的蕴藏量有限，且制造工艺复杂，投资成本高等因素对CIGS太阳电池的发展也有一定的影响。
随着聚光技术的发展，砷化镓高效聚光太阳能发电站的建设应用，对降低发电站的成本功不可没。不过砷有毒，对于环境安全和生产工人自身的安全都是一个不小的威胁。尽管染料敏化纳米TiO2薄膜太阳能电池的研究已取得喜人成就，但敏化剂的制备成本较高仍是重大问题，高效低价无污染的太阳能电池仍是未来的研究方向。
硅晶太阳能电池之所以能够占据90%左右的市场份额，综合成本低于薄膜太阳能电池，与硅晶太阳能电池的规模化和高转化率密不可分。未来10年，尽管薄膜太阳能电池快速发展，却很难撼动晶体硅在整个太阳能电池材料中的主导地位；而薄膜太阳能电池如果能够提高转换效率、薄膜电池制备设备的国产化，则薄膜电池的发展将会获得质的飞跃。
另外，今后太阳能电池将朝着自动化、智能化、柔性化的方向发展。随着光伏产品的日益多样化，除去高效和可靠性外，智能化、轻量化、与建筑的完美结合等要求也越来越高，逐步扩大应用范围和安装条件，促进能源互联网的发展。光伏产业不再局限于太空领域和发电站的应用，民用生活也是其未来的发展方向。
DOI：10.19599/j.issn.1008-892x.2018.10.014
