太阳能电池(钙钛矿可以制成太阳能电池)

在太阳能电池中引入“潜在库存”

每个人都应该熟悉太阳能电池。太阳能电池又称“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光发电的光电半导体芯片，在光照下瞬间输出电压，在电路条件下产生电流。

太阳能电池

太阳能电池怎么命名？看吸收层材料

太阳能电池由许多层材料组成，每层都有不同的功能。最重要的一层叫做吸收层，大部分入射光被吸收。吸收层吸收的光越多，产生的电流越大。

因此，大多数太阳能电池以吸收层材料的特性或名称命名。例如，晶体硅太阳能电池，吸收层材料为单晶硅或多晶硅；薄膜太阳能电池，吸收层是几微米的薄膜材料；钙钛矿太阳能电池的吸收层由钙钛矿结构材料制成。

太阳能电池内部结构示意图

三代太阳能电池，各有千秋

根据太阳能电池的发展，人们将太阳能电池分为三代。

第一代是晶体硅太阳能电池。这种电池的特点是技术成熟，效率高。但由于硅是一种间接带隙半导体，光吸收系数低，需要将电池做得很厚，以吸收大部分入射的太阳光，这就要消耗更多的原材料，成本高。

第二代是薄膜太阳能电池。顾名思义，电池可以做得很薄，节省原材料，但是商用组件的效率还处于起步阶段，还达不到晶体硅的水平。

第三代是钙钛矿太阳能电池。短短几年，这类电池实验室的最高效率从3.8%(2009年)迅速上升到22.1%(2016年)，接近晶体硅的效率。但这类电池存在材料稳定性、高效电池器件稳定性等问题，无法投入使用。

第一代、第二代和第三代单体电池的示意图(

薄膜太阳能电池：厚积薄发

从市场份额来看，第一代晶体硅太阳能电池仍然是太阳能电池的主力军，约占90%的市场份额；从科学研究的角度来看，目前最流行的太阳能电池是第三代钙钛矿太阳能电池。

但是第二代薄膜太阳能电池在市场和科研方面并不是特别突出。那么，它是如何在这场激烈的竞争中占据一小块世界的呢？

它有两个“绝活”:一是微光优势明显；第二，品种丰富。

首先，薄膜电池在低光强方面有明显的优势。也就是说，即使光线很暗，它仍然可以产生电流。这在晶体硅太阳能电池中是没有的。

薄膜太阳能电池在光照条件差的山区或用作建筑幕墙时，具有不可替代的地位。因此，薄膜太阳能电池是现有晶体硅太阳能电池主导的光伏市场的良好补充。

其次，薄膜太阳能电池有很多种，各有各的特点。目前的星型薄膜太阳能电池包括砷化镓、碲化镉和铜铟镓硒太阳能电池。

砷化镓具有极高的转化率，最高元件效率可达24.1%，并具有抗辐射的特性。当然，准备过程也很严格，主要用于航天领域不计成本；

碲化镉是薄膜太阳能电池市场的活跃投资项目，技术成熟，但仍处于美国First Solar的独家垄断阶段，模块效率达到18.6%；

铜铟镓硒电池性能稳定，抗辐射能力强。目前，实验室小面积电池的光电转换效率约为各种商用薄膜太阳能电池的22.6%，大面积模块的最高效率约为17.5%。

以上三种薄膜太阳能电池虽然在航天或商业领域表现良好，但都含有地球上的稀有有毒元素，如砷、碲、铟等，极大地限制了未来大规模产业化的发展。

如何让薄膜太阳能电池变得绿色环保？可以从材料入手

从2009年开始，人们开始关注一种新型薄膜太阳能电池材料，它在地球上具有丰富的无毒成分，是一种非常有前途的绿色电池。其结构和性能与Cu、InGa、se非常相似。

然而，其实验室的最高效率仅为12.7%，远低于铜铟镓硒的最高效率(22.6%)。原因之一是缺陷行为与铜铟镓硒中的缺陷行为有很大不同。

近日，中国科学院固体研究所研究员曾志对铜、锌、硒、硫的缺陷进行了系统研究。他们从理论上筛选出了铜、锌、硒、硫中阻碍电池效率的缺陷，并提出了抑制方法。建议在实验合成铜、锌、硒、硫时，锡的实际用量大于物料的化学配比，用镉稀释铜、锌、硒、硫。这两种方案可以减少有害缺陷，提高电池效率。

缺陷控制机制

铜锌硒硫太阳能电池的发展为实现低成本高效率的环境友好型太阳能电池提供了可能。但如果其效率要赶上硅太阳能电池，从材料本身的调控入手是远远不够的，需要结合器件技术和光学工程的技术。

随着技术的不断发展，如果薄膜太阳能电池的效率能提高到晶体硅的水平，成本会比晶体硅电池低很多。因此，从长远的产业布局来看，发展薄膜技术是毋庸置疑的，这对优化我国能源结构非常有利。

中国科学院合肥物质科学研究院