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编者按：
王文静研究员，博士生导师，电工所太阳电池技术研究室主任。从事太阳电池研究十余年，主要研究方向为硅基太阳电池，发表论文八十余篇。本文全面介绍了太阳电池的概念、分类、产业化技术和实验室技术，并展望了太阳电池技术的前景。
正文：
太阳电池是把光能转换成电能的一种半导体器件。当光照射到半导体光伏器件上时，在器件内产生电子一空穴对，受半导体内部PN结内建电场的吸引，电子流入N区，空穴流入P区，在PN结附近形成与内建电场方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还在N区和P区之间的薄层产生电动势，这就是光生伏特效应。此时，如果将PN结两端的外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，形成光生电流。
自从1893年法国人贝克勒尔发现“光生伏特效应”以来，历经一百多年的历史，太阳电池技术已经发展成了一个相当庞大的学科，同时伴随着产生了一个相当庞大的产业链。
从产生技术的成熟度来区分，太阳电池可以分成：
l 第一代太阳电池：晶体硅太阳电池
l 第二代太阳电池：各种薄膜太阳电池，包括：非晶硅薄膜太阳电池（a-Si）、碲化铬太阳电池（CdTe）、铜铟镓硒太阳电池（CIGS）、砷化镓太阳电池、纳米二氧化钛染料敏化太阳电池
l 第三代太阳电池：各种叠层太阳电池、热光伏电池（TPV）、量子阱及量子点的超晶格太阳电池、中间带太阳电池、上转换太阳电池、下转换太阳电池、热载流子太阳电池、碰撞离化太阳电池等新概念太阳电池。
其中，第一代太阳电池已经进入大规模产业化阶段，第二代太阳电池正在产业化前期阶段，有部分种类已经实现量产，但是技术成熟度还有待提高。第三代太阳电池是向着超高效率的方向努力，具备真正突破现有技术瓶颈的概念，但是目前这种电池还只是停留在概念及理论设计阶段，甚至没有成形的样品问世。
太阳电池从所使用的材料来区分，又可区分为：
l 硅基太阳电池：以硅材料为基本材质，其中包括：单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、纳米硅薄膜太阳电池、微晶硅薄膜太阳电池、非晶硅/晶体硅异质结太阳电池
l II-VI族材料太阳电池：CdTe太阳电池、CIGS太阳电池
l III-V族太阳电池：GaAs系列多结太阳电池、热光伏太阳电池
l 染料敏化太阳电池：主要利用染料对于太阳电池光谱吸收的可变特性，与二氧化钛材料组装在一起，制备成可供多种吸收波段的太阳电池器件。
l 有机材料太阳电池：正在开发使用有机材料制备出类似叶绿素的太阳电池。
图1 各种非硅太阳电池材料的储藏量
从材料方面来评价太阳电池在未来的地位的话，人们有理由认为，只有硅基材料的太阳电池在未来最有可持续性。因为硅在地球上的丰度为26%，仅次于氧属于世界上第二丰富的材料，相比之下其他太阳电池相关材料的丰度都是很有限，难以在太阳电池产业中形成支配性的地位。图1给出了与太阳电池有关的各种非硅材料的世界总储量，可见各种材料的储量都很有限，再加上有其他产业在争夺原材料，因此任何一种材料都很难支撑作为太阳电池主流产品的原材料。因此，在未来世界太阳电池的主流产品仍旧为硅基太阳电池。
2．硅基太阳电池的产业化技术
目前太阳电池的产业化技术可以分为主流技术和非主流技术两类。
主流技术主要是指目前大规模量产的太阳电池。主要是单晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池。
非主流技术是指目前产量还不是很大，但是已经有批量生产的新型太阳电池。目前主要包括以下几种：
l 非晶硅薄膜太阳电池：非晶硅单层太阳电池、非晶硅/微晶硅双叠层太阳电池、非晶硅锗三叠层太阳电池
l CdTe太阳电池
l CIGS太阳电池
l 非晶硅/晶体硅异质结太阳电池
l 全背电极太阳电池
l 刻槽埋栅太阳电池
l 带硅太阳电池
对于主流太阳电池，其工艺流程度下图所示：
图2 太阳电池的工艺流程
目前，由于使用了氮化硅减反射膜技术，使得目前单晶硅太阳电池的效率达到16.5%。而多晶硅电池使用了表面织构化技术、氮化硅减反射膜和表面钝化技术，其效率达到14.5%~15%。由于硅基太阳电池和半导体行业的发展使得高纯硅材料的供应空前紧张，因此，主流太阳电池的产业化技术进展主要是进行硅片的超薄化，晶体太阳电池的厚度已经降到了200~230微米，在一两年内还将继续下降到180微米。如此薄的硅片为太阳电池的制备增加了难度，使得制备技术有很大的改进，包括新型水平清洗技术、链式扩散技术、硼背场技术、激光去边技术等等。而且，也要求整条生产线具有更高的自动化水平，出现全自动的生产线，以降低破损率。
3． 太阳电池实验室技术
太阳电池实验室技术也有了很大的进展。
澳大利亚华裔和学家赵建华保持了单晶硅太阳电池的最高纪录：24.7%。在这种太阳电池技术中使用了倒金字塔结合双层减反射膜以降低表面的反射；采用了硼背场以减少背表面少数载流子的损失；采用了硼背场结合背表面钝化技术减少背表面的复合效应；采用了前后电极的选择性扩散以减少欧姆接触电阻。经过这些技术的改进才到达这样高的效率，这种效率已经非常接近晶体硅太阳电池的理论效率，因此自从1997年达到这样的效率纪录以来没有人能突破这一纪录。
美国的Sunpower公司制备了一种将P型电极和N型电极全部坐在背面的太阳电池，大大提高了太阳电池的效率，使得产业化太阳电池的效率提高到20%以上。
日本的三洋公司将非晶硅的PECVD技术与晶体硅衬底相结合的太阳电池技术，制备出了HIT太阳电池，其效率达到21%以上，大面积产业化效率达到19.3%。该种电池可以双面受光，制造成本较低。
图3 各种太阳电池的实验室效率进展
加拿大的研究人员发明了一种球形太阳电池，他们使用一种真空滴液技术制备成P型掺杂的硅球，在硅球的外表面扩散成N型区，将其一端磨平露出内部的P型区，形成PN结，再与特殊制成的电极连接制成电池，形成一个很特别的电池，可以在一些特殊场合下使用。
此外，新型的硅基太阳电池还有Sliver电池，MIS电池，刻槽埋栅电池，这些新技术的发展为太阳电池开拓了广泛的应用领域。
中科院电工研究所太阳电池研究室在国家“十一五”期间承担了有关HIT异质结太阳电池的863项目，该项目瞄准目前世界上产业化效率最高的单晶硅太阳电池进行研究，争取攻克这项核心技术。另外，该室还开展高效太阳电池的研究、非晶硅薄膜太阳电池的研究、太阳电池的产业化技术的研究等，使得电工所成为国内太阳电池领域具有高水平的研究团队。
4． 前景展望
经过数十年的发展，太阳电池在技术上有了飞速的发展，对于材料上丰度最高的硅基太阳电池已经成熟，但是其研究活动反而越来越活跃，使得这种类型的太阳电池的效率越来越高，制造成本越来越低。
而随着太阳电池的成本的进一步降低，太阳能发电在世界各国的能源结构中将会越来越占据重要的地位。因为，目前世界上的石油、天然气、煤、核燃料等将会在数十年到一二百年之间消耗殆尽，在未来人类依靠何种能源生存，成为摆在全人类面前的一个生死攸关的问题。另一方面，由于人类大量地、无节制的消耗一次性化石能源，产生大量的有害排放物，造成大气层的臭氧层空洞、气候变暖、空气污染、酸雨、沙漠化等等，将不可逆转的改变着我们人类赖以生存的地球的环境，使得这个星球越来越不适于人类生存。能源和环境问题已经成为高悬在人类头上的克里克斯利剑，可能对整个人类产生灭顶之灾。
要解决人类在能源和环境问题上的双重困局，有两条路：大量使用可再生能源；实现热核聚变。后者目前还看不出迹象能在50年内为人类所用。那末，目前现实的选择主要是使用可再生能源替代部分化石能源，减缓化石能源的消耗，同时缓解环境污染问题。而太阳能利用又是可再生能源中一个非常重要的部分。
综上所述，太阳电池的发展将会是一个对未来整个人类生存具有决定意义的领域，具有无限广阔的前景。
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