介紹一支太陽能電池裡的「潛力股」

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提起太陽能電池，大家應該都不陌生。太陽能電池又稱為「太陽能晶元」或「光電池」，是一種利用太陽光發電的光電半導體薄片，在光照條件下瞬間就可輸出電壓及在有迴路的情況下產生電流。

太陽能電池

太陽能電池怎麼命名？看吸收層材料

太陽能電池片由許多層材料層層堆積而成，每一層的功能不同，其中最重要的一層叫做吸收層，絕大部分入射的光都是在這一層被吸收，吸收層吸收的光越多，產生的電流越大。

因此，絕大部分太陽能電池都是用吸收層材料的特性或者名字來命名的。比如，晶體硅太陽能電池，吸收層材料是單晶硅或者多晶硅；薄膜太陽能電池，吸收層是幾個微米的薄膜材料；鈣鈦礦太陽能電池，吸收層是鈣鈦礦結構的材料。

太陽能電池內部結構示意圖

三代太陽能電池，各有千秋

根據太陽能電池的發展歷程，目前人們把太陽能電池劃分為三代。

第一代，是晶體硅太陽能電池。這類電池的特點是工藝成熟、效率高，但是由於硅是間接帶隙半導體，光吸收係數低，電池需要做厚才能吸收絕大部分入射的太陽光，耗費原材料多，成本高。

第二代，是薄膜太陽能電池。顧名思義，電池可以做很薄，節約原材料，但是目前商業化的組件效率還達不到晶體硅的水平，尚處於萌芽狀態。

第三代，是鈣鈦礦太陽能電池。該類電池實驗室的最高效率在短短的幾年間由3.8%（2009年）迅速增加到22.1%（2016年）接近晶體硅的效率，但是這類電池存在材料的穩定性以及高效電池器件的穩定性等問題，還無法投入應用。

第一代、第二代和第三代單節電池的示意圖（圖片來自網路）

薄膜太陽能電池：厚積薄發

從市場佔有份額來看，第一代晶體硅太陽能電池依然是太陽能電池的主力軍，約佔90%的市場份額；從科學研究來看，當下最熱門的太陽能電池要數第三代的鈣鈦礦太陽能電池。

而第二代的薄膜太陽能電池，無論從市場還是科研的角度，它表現都不是特別突出。那麼，它是怎麼在這激烈的競爭中佔據自己的一小片天地呢？

它有兩個「獨門絕技」：第一，弱光性優勢明顯；第二，種類豐富。

首先，薄膜電池弱光性優勢明顯。就是說，它在光線較暗的情況下，依然能夠產生電流。這是晶體硅太陽能電池不具備的。

薄膜太陽能電池的弱光性，讓它在光照條件不好的山區，或者作為建築幕牆使用時具有不可替代的地位。因此，薄膜太陽能電池是對現有晶體硅太陽能電池主導的光伏市場的良好的補充。

其次，薄膜太陽能電池種類多，每一種都各具特色。目前的明星薄膜太陽能電池包括：砷化鎵、碲化鎘和銅銦鎵硒太陽能電池。

• 砷化鎵，轉換率非常高，組件效率最高可以到達24.1%，並且具有抗輻射的特性，當然製備工藝也非常嚴苛，主要應用在不計成本的太空領域；
• 碲化鎘是薄膜太陽能電池市場比較活躍的投資項目，技術成熟，但是還處在美國First Solar獨家壟斷階段，組件效率達到18.6%；
• 銅銦鎵硒電池性能穩定、抗輻射能力強，實驗室小面積電池的光電轉換效率目前是各種商業薄膜太陽電池之首約為22.6%，大面積組件最高效率約為17.5%。

以上三種薄膜太陽能電池儘管在太空或者商業領域表現良好，但他們都含有地球中儲量稀少，並且有毒的元素，比如，砷、碲和銦，極大地限制了未來大規模產業化的發展。

如何讓薄膜太陽能電池變得綠色環保？可以從材料入手

自2009年起，人們開始關注一種新的薄膜太陽能電池材料，它的所有組成元素在地球中儲量豐富、無毒，是非常有希望的綠色環保電池，結構和性能都與銅銦鎵硒有很大的相似性——銅鋅錫硫。

但是它的實驗室最高效率也只有12.7%，遠不及銅銦鎵硒的實驗室最高效率22.6%。其中一個原因，就是其中的缺陷行為跟銅銦鎵硒中的差異很大。

最近，中科院固體所的曾雉研究員團隊，對銅鋅錫硫的缺陷進行了系統的研究。他們從理論上篩選出了銅鋅錫硫中阻礙電池效率的缺陷類型，並提出了抑制辦法，建議實驗上在合成銅銅鋅錫硫的時候，錫的實際用量比材料化學配比所需的多，並且用鎘對銅鋅錫硫進行稀摻雜，採取這兩種方案能夠降低有害缺陷，提高電池效率。

缺陷調控機理

銅鋅錫硫太陽能電池的發展，為實現環境友好的低成本高效率太陽能電池提供了可能。然而，它的效率要想趕超硅太陽能電池，單單從材料本身調控上入手還是遠遠不夠的，還需要結合器件工藝、光學工程等技術。

隨著技術的不斷發展，薄膜太陽能電池的效率若能提高到晶體硅的水平，其成本將遠低於晶體硅電池。因此從產業的長遠布局來看，發展薄膜技術是毋庸置疑的，非常有利於優化我國的能源結構。

作者：張小麗

來源：中國科學院合肥物質科學研究院