一文读懂太阳能电池的过去、现在和未来

几个世纪以来，人类一直在利用太阳的力量，从聚光镜到玻璃集热器，各种各样的巧妙方法。现代太阳能电池技术的基础是亚历山大·贝克勒尔（AlexandreBecquerel）于1839年建立的，当时他观察了某些材料的光电效应。表现出光电效应的材料在暴露于光时会发射电子，从而将光能转换为电能。1883年，查尔斯·弗里特（CharlesFritt）通过在硒上涂上一层很薄的金来设计了一个光伏电池。这种基于金-硒结的太阳能电池的效率为1％。亚历山大·斯托列托夫（AleksandrStoletov）于1988年根据外部光电效应创建了一个电池。

爱因斯坦在1904年发表的有关光电效应的论文拓宽了太阳能电池的研究范围，贝尔实验室于1954年生产了第一个现代光电电池。它们的效率达到了4％，但仍无法达到成本效益，因为可以使用更便宜的替代品：煤。然而，事实证明，这项技术具有成本效益，非常适合为太空飞行任务提供动力。1959年，霍夫曼（Hoffman）电子成功制造出效率为10％的太阳能电池。

太阳能电池技术逐渐变得更加有效，到1970年代，在地面上使用太阳能电池板变得可行。在接下来的几年中，太阳能电池模块的成本显着降低，并且其使用变得更加广泛。随着时间的推移，晶体管时代的到来以及随后的半导体技术的实现，使太阳能电池的效率大大提高。

第一代太阳能电池

常规的基于晶片的电池属于第一代类别。这些基于晶体硅的电池主导了商业市场。单元的结构可以是单晶或多晶的。单晶太阳能电池是通过切克劳斯基（Czochralski）工艺由硅酮晶体构成的。硅晶体是从大锭上切下来的。单晶的发展需要精确的处理，因为电池的“重结晶”阶段非常昂贵且复杂。这些电池的效率约为20％。多晶硅太阳能电池通常由许多不同的晶体组成，在制造过程中，这些晶体在一个电池中组合在一起。多晶硅电池更经济，因此迄今为止最受欢迎。

第二代太阳能电池

第二代太阳能电池安装在建筑物和独立系统中。电力公司也倾向于太阳能电池板中的这项技术。这些电池使用薄膜技术，并且比第一代基于晶圆的电池经济得多。硅晶片的光吸收层的厚度约为350μm，而薄膜电池的厚度约为1μm。第二代太阳能电池的三种常见类型是：

1.非晶硅（a-Si）

2.碲化镉（CdTe）

3.硒化铜铟镓（CIGS）

非晶硅薄膜太阳能电池已经投放市场超过20年，a-Si可能是最成熟的薄膜太阳能电池技术。在非晶（a-Si）太阳能电池生产过程中的低处理温度允许使用各种低成本的聚合物和其他柔性基板。这些基板需要较少的处理能量。“非晶”一词用于描述这些电池，因为它们的结构不如结晶晶片。它们是通过在衬底背面涂覆掺杂的硅含量制成的。

CdTe是具有直接带隙晶体结构的化合物半导体。这对于光吸收是极好的，因此效率显着提高。在整个生命周期的基础上，该技术更便宜，碳足迹最小，用水最少，回收期更短。尽管镉是有毒的，但这可以通过材料回收来解决。然而，仍然存在对此的关注，因此广泛使用受到限制。

CIGS电池是通过在塑料或玻璃基板上沉积一层薄薄的铜，铟，镓和硒化物制成的。电极两侧均安装有电流以收集电流。由于高吸收系数并因此强烈吸收了阳光，因此该材料需要比其他半导体材料薄得多的薄膜。CIGS电池非常经济且非常有效。

第三代太阳能电池

第三代太阳能电池包括旨在超越Shockley-Queisser（SQ）限制的最新新兴技术。这是单个pn结太阳能电池可以达到的最大理论效率（31％至41％）。当前，最流行，最先进的新兴太阳能电池技术包括：

1.量子点太阳能电池

2.染料敏化太阳能电池

3.聚合物基太阳能电池

4.钙钛矿基太阳能电池

量子点（QD）太阳能电池由过渡金属基半导体的纳米晶体组成。将纳米晶体在溶液中混合，然后分层到硅衬底上。通常，光子将通过在常规化合物半导体太阳能电池中创建单个电子空穴对来激发电子。但是，如果光子击中特定半导体材料的QD，则会产生几对（通常是两对或三对）电子空穴。

染料敏化太阳能电池（DSSC）最早是在1990年代开发的，具有广阔的发展前景。它们按照人工光合作用的原理工作，由电极之间的染料分子组成。这些电池具有成本效益，并具有易于加工的优点。它们是透明的，并在很宽的温度范围内保持稳定性和固态。据报道这些电池的效率高达13％。

聚合物太阳能电池被认为是“柔性”太阳能电池，因为所使用的基材是聚合物或塑料。它们由薄薄的功能层组成，这些薄层依次连接并涂覆在带或聚合物箔上。它通常是供体（聚合物）和受体（富勒烯）的组合。存在多种类型的日光吸收材料，包括诸如共轭聚合物的有机材料。聚合物太阳能电池的特殊属性为开发包括纺织品和织物在内的可拉伸太阳能设备开辟了新的门户。

基于钙钛矿的太阳能电池是相对较新的创新，它们基于钙钛矿化合物（两种阳离子和卤化物的组合）。这些太阳能电池基于最先进的技术，效率约为31％。它们具有极大地改变汽车工业的潜力，但是这些电池的稳定性仍然存在问题。

从基于硅晶片的电池到最新的“新兴”太阳能电池技术，太阳能电池技术显然已经走了很长一段路。这些进步无疑将在减少碳足迹并最终实现可持续能源梦想方面发挥重要作用。基于纳米晶体量子点的技术具有将全部太阳光谱的60％以上转化为电能的理论潜力。此外，基于聚合物的柔性太阳能电池开辟了可能性的领域。新兴技术的主要问题是随着时间的推移不稳定和退化。但是，正在进行的研究显示出希望，这些最新的太阳能电池模块的广泛商业化可能还差得很远。