文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述光伏電池的分類。

概論

2025 光伏電池的研究起源可追溯至 1883 年，科學(xué)家 Charles Fritts 采用硒半導(dǎo)體材料研制出全球首個光伏電池，但該器件的光電轉(zhuǎn)化效率僅為 1%。此后直至 20 世紀(jì) 50 年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出首款具備實(shí)際應(yīng)用價值的硅基光伏電池。經(jīng)過大半個世紀(jì)的技術(shù)推廣與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，硅光伏電池已廣泛應(yīng)用于軍事、建筑、交通等眾多領(lǐng)域，融入人們的日常生活。不過，當(dāng)前光伏電池技術(shù)仍受限于成本偏高、能耗較大、污染較嚴(yán)重等問題，因此，科研人員對高效、廉價、環(huán)保的新型光伏電池技術(shù)的研發(fā)與探索從未停止，具有發(fā)展?jié)摿Φ男屡d光伏電池技術(shù)也持續(xù)涌現(xiàn)。

截至目前，光伏電池的發(fā)展歷程大致可劃分為三個階段：第一代晶體硅光伏電池（涵蓋單晶硅電池與多晶硅電池）、第二代薄膜光伏電池（包含非晶硅薄膜電池及化合物半導(dǎo)體薄膜電池），以及第三代新型光伏電池（主要有有機(jī)聚合物薄膜光伏電池、染料敏化光伏電池和鈣鈦礦光伏電池）。經(jīng)過多年研發(fā)，各類光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率均實(shí)現(xiàn)大幅提升，美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）已詳細(xì)統(tǒng)計(jì)經(jīng)認(rèn)證的各類光伏電池光電轉(zhuǎn)化效率的發(fā)展趨勢。

硅基光伏電池

硅基光伏電池是發(fā)展最早且當(dāng)前市場應(yīng)用最廣泛的光伏電池類型，依據(jù)所用材料的差異，可分為單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池與非晶硅光伏電池三類，具體如圖 1 所示。

單晶硅光伏電池于 1954 年在貝爾實(shí)驗(yàn)室問世，經(jīng)過半個多世紀(jì)的技術(shù)迭代與工藝優(yōu)化，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備流程已逐步成熟。其中，單結(jié)非聚光型單晶硅光伏電池經(jīng) NREL 認(rèn)證，最高光電轉(zhuǎn)化效率達(dá) 26.1%，在各類光伏電池中始終保持效率領(lǐng)先。不過，該類電池的原材料單晶硅棒需達(dá)到 5N 級別純度（即 99.999%），較高的提取難度、高昂的生產(chǎn)能耗以及復(fù)雜的制備工藝，導(dǎo)致單晶硅光伏電池的生產(chǎn)成本一直居高不下，因此其應(yīng)用場景多集中在航天與軍事等對性能要求嚴(yán)苛的領(lǐng)域。

多晶硅光伏電池中的多晶硅薄膜，由眾多尺寸不一、晶面取向各異的小晶粒組成，其原材料來源于冶金級硅材料、含單晶顆粒的聚集體以及廢棄或次優(yōu)的單晶硅材料，后續(xù)通過熔化澆注工藝制成。相比單晶硅光伏電池，多晶硅光伏電池在生產(chǎn)過程中的能耗與成本大幅降低，而光電轉(zhuǎn)化效率僅略有下降 —— 經(jīng) NREL 認(rèn)證，其最高效率為 22.3%。

自 1976 年美國科學(xué)家 Carlson 與 Wronski 研制出首個非晶硅光伏電池后，該類電池逐漸成為全球光伏領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。需要注意的是，單晶硅與多晶硅均屬于非直接帶隙半導(dǎo)體，光吸收系數(shù)較低；而非晶硅作為直接帶隙半導(dǎo)體，擁有更高的光吸收系數(shù)，僅需一層較薄的非晶硅材料就能高效利用太陽光。此外，非晶硅薄膜還具備原材料來源廣泛、反應(yīng)溫度低（可耐受 200℃溫度環(huán)境）等特點(diǎn)，這使其在制備工藝復(fù)雜性與生產(chǎn)成本控制方面也具備顯著優(yōu)勢。

全球范圍內(nèi)涌現(xiàn)出眾多以非晶硅光伏電池為核心產(chǎn)品的企業(yè)或企業(yè)分支，例如美國 CHRONAR 公司不僅搭建了滿足自身生產(chǎn)需求的生產(chǎn)線，還籌建了 6 條兆瓦級生產(chǎn)線，向海外市場輸出技術(shù)與產(chǎn)品。在我國，也出現(xiàn)了拓日新能、贛能股份等涉及非晶硅光伏電池業(yè)務(wù)的上市公司。據(jù)統(tǒng)計(jì)，20 世紀(jì) 80 年代中期，非晶硅光伏電池在全球光伏電池總銷量中的占比已達(dá)到 40%。發(fā)展至今，經(jīng) NREL 認(rèn)證的非晶硅光伏電池最高光電轉(zhuǎn)化效率為 23.3%。若未來能進(jìn)一步提升其光電轉(zhuǎn)化效率，并解決當(dāng)前存在的電池穩(wěn)定性較差等問題，非晶硅光伏電池?zé)o疑將成為太陽能電池領(lǐng)域的核心產(chǎn)品之一。

化合物半導(dǎo)體薄膜光伏電池

化合物半導(dǎo)體薄膜光伏電池是一類擁有創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的光伏器件，具備光電轉(zhuǎn)化效率高、原材料消耗少、襯底成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，近年來實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展且逐步投入實(shí)際應(yīng)用。常見的化合物半導(dǎo)體薄膜光伏電池主要包括碲化鎘（CdTe）薄膜光伏電池、銅銦硒（CIS）薄膜光伏電池、銅銦鎵硒（CIGS）薄膜光伏電池與銅鋅錫硫（CZTS）薄膜光伏電池四類 ，具體如圖 2 所示。

碲化鎘屬于直接帶隙半導(dǎo)體材料，擁有理想的禁帶寬度（1.45eV），其光譜響應(yīng)特性與太陽光譜高度匹配，不僅轉(zhuǎn)化效率高，且電池性能穩(wěn)定。RCA 實(shí)驗(yàn)室采用 CdTe 單晶鍍銦（In）合金的方式，研制出全球首個碲化鎘薄膜光伏電池，當(dāng)時效率僅為 2.1%；20 世紀(jì) 80 年代初，Kodak 實(shí)驗(yàn)室將該類電池效率優(yōu)化至 10%。如今，經(jīng) NREL 認(rèn)證的碲化鎘薄膜光伏電池最高效率已達(dá) 22.1%。該電池在大面積應(yīng)用場景中展現(xiàn)出良好的市場潛力，但仍存在含重金屬元素等亟待解決的問題。

CuInSe?（CIS）同樣是直接帶隙半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度（1.0eV）較小，也能與太陽光譜匹配，且器件性能穩(wěn)定，無 ulele 光致衰減效應(yīng)。1974 年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室首次研發(fā)出單晶 CIS 薄膜光伏電池。近年來，各國科研人員在 CIS 薄膜制備技術(shù)上取得顯著突破，但 CIS 薄膜光伏電池仍面臨轉(zhuǎn)化效率偏低、含重金屬等問題。

CIGS 薄膜光伏電池與 CIS 薄膜光伏電池幾乎同時出現(xiàn)，具有禁帶寬度可調(diào)（1.04~1.7eV）、光譜吸收范圍廣、光吸收系數(shù)高、電池性能穩(wěn)定、無光致衰減效應(yīng)、制造成本低廉、可采用柔性襯底等優(yōu)勢。2008 年，西班牙建成并成功運(yùn)行了裝機(jī)容量 3.24MW 的 CIGS 光伏電站，標(biāo)志著 CIGS 薄膜光伏電池進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段。目前，非聚光型 CuInGaSe?薄膜光伏電池經(jīng)認(rèn)證的最高效率已達(dá) 23.4%，展現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢。不過，CuInGaSe?薄膜光伏電池仍存在含銦（In）、硒（Se）等稀有元素的問題，一定程度上限制了其大規(guī)模推廣。

2010 年 IBM 公司報(bào)道 CZTSSe 光伏電池后，研發(fā)不含毒性元素硒（Se）的 CuZnSnS（CZTS）薄膜光伏電池，逐漸成為光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通過采用地殼中儲量豐富的鋅（Zn）、錫（Sn）替代稀有元素銦（In）、鎵（Ga）的工藝設(shè)計(jì)，CZTS 薄膜光伏電池的制造成本得以大幅降低，更利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。中國、德國、日本等多個國家均對 CZTS 薄膜光伏電池展開深入研究，但目前科研人員對 CZTS 薄膜的特性與結(jié)晶性能掌握尚不充分，且電池制備流程復(fù)雜，器件能量轉(zhuǎn)化效率偏低、性能重復(fù)率不高，仍是需要突破的關(guān)鍵問題。

有機(jī)聚合物薄膜光伏電池

有機(jī)聚合物薄膜光伏電池是一類極具發(fā)展?jié)摿Φ墓夥夹g(shù)，具有原材料合成成本低廉、功能調(diào)控便捷、可通過低溫工藝制備等優(yōu)勢。該領(lǐng)域的研究最早可追溯至 20 世紀(jì) 50 年代末期，而重大突破則來自鄧青云博士于 1986 年報(bào)道的雙層結(jié)構(gòu)染料光伏器件—— 該器件以酞菁衍生物作為電子給體，以四羧基芘衍生物作為電子受體，構(gòu)建出雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。隨后研發(fā)的以聚合物 MEH-PPV 為電子給體、C??衍生物 PCBM 為電子受體，通過材料共混制備的本體異質(zhì)結(jié)器件，將效率進(jìn)一步提升至 2.9%。截至目前，經(jīng)認(rèn)證的單節(jié)有機(jī)聚合物薄膜光伏電池最高光電轉(zhuǎn)化效率已突破 18.2%。

有機(jī)聚合物薄膜光伏電池主要分為單層肖特基電池、雙層 P-N 異質(zhì)結(jié)電池與體相異質(zhì)結(jié)電池三類，具體如圖 3（a）~（c）所示。其中，單層肖特基電池結(jié)構(gòu)簡單，僅一層同質(zhì)單一極性的有機(jī)半導(dǎo)體材料嵌入兩電極之間，電荷運(yùn)動的驅(qū)動力，來源于有機(jī)半導(dǎo)體的 π 軌道能級與功函數(shù)較低的金屬電極之間形成的肖特基勢壘或內(nèi)建電場；在雙層 P-N 異質(zhì)結(jié)電池中，電子給體與電子受體有機(jī)材料分層排列，形成平面型給體 - 受體（D-A）界面，更有利于電荷的收集；體相異質(zhì)結(jié)電池中，給體與受體材料均勻混合成膜，形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使 D-A 界面廣泛分布，大幅增加了給體與受體材料的接觸面積。

如圖 3（d）所示，經(jīng)過多年探索，有機(jī)聚合物薄膜光伏電池在技術(shù)研發(fā)上取得一定成果，但相較于其他類型光伏電池，仍存在光響應(yīng)范圍較窄、載流子遷移率偏低、光電轉(zhuǎn)化效率有待提升等問題；此外，有機(jī)材料器件的穩(wěn)定性欠佳，也在一定程度上限制了其實(shí)際應(yīng)用場景的拓展。

染料敏化光伏電池

染料敏化光伏電池(DSSC)于1991年由瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)的Gratzel教授提出,具有原材料豐富、工藝簡單、成本低廉、穩(wěn)定性較高、對環(huán)境友好、可制備柔性器件、易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),一問世便受到了研究人員的廣泛關(guān)注。染料敏化光伏電池如圖4所示。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,其研究工作在染料、電極、電解質(zhì)等方面均取得了很大進(jìn)展。DSSC經(jīng)NREL認(rèn)證的最高效率為13%,效率只有硅基光伏電池的一半左右,但制備成本大約僅有硅基光伏電池的1/10~1/5,預(yù)計(jì)每峰瓦的電池成本在10元以下,器件使用壽命可達(dá)到15~20年,并且制備電池所需能耗較低,能源回收周期短,性價比極高, 理論發(fā)電成本基本與化石燃料的持平,極具發(fā)展?jié)摿?。但一些問題仍未得到妥善解決,如電解液中存在不可逆反應(yīng)及液體的揮發(fā)和泄漏、染料中含有昂貴且污染環(huán)境的釕元素等,阻礙了染料敏化光伏電池的進(jìn)一步發(fā)展。

有機(jī) - 無機(jī)雜化鈣鈦礦光伏電池

有機(jī) - 無機(jī)雜化鈣鈦礦光伏電池（簡稱 PSC）由染料敏化光伏電池衍生發(fā)展而來。2009 年，日本桐蔭橫濱大學(xué)的 Miyasaka 團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的 CH?NH?PbI?與 CH?NH?PbBr?材料，可作為光敏化劑應(yīng)用于染料敏化光伏電池中，初步實(shí)現(xiàn)了 3.8% 的光電轉(zhuǎn)化效率；但該類材料在液態(tài)電解質(zhì)中穩(wěn)定性極差，器件僅幾分鐘后便完全失去效能。

2012 年，韓國成均館大學(xué)（SKKU）Park 教授課題組將 Spiro-OMeTAD 用作固態(tài)空穴傳輸層融入電池結(jié)構(gòu)，成功制備出全固態(tài)鈣鈦礦電池器件，其光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá) 9.7%，并表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。自此，鈣鈦礦光伏電池成為光伏領(lǐng)域的研究焦點(diǎn) —— 在短短數(shù)年時間里，基于有機(jī) - 無機(jī)雜化鈣鈦礦材料的新型光伏電池效率已從 3.8% 躍升至 25.7%，最高效率與發(fā)展較為成熟的多晶硅、碲化鎘及銅銦鎵硒光伏電池不相上下。

作為光吸收層的有機(jī) - 無機(jī)雜化鈣鈦礦材料，具備直接帶隙 、寬吸收光譜 、高光吸收系數(shù)、禁帶寬度可調(diào)、高載流子遷移率等顯著優(yōu)勢；同時，該類電池制備工藝簡便、成本低廉且支持溶液加工，與適用于大規(guī)模生產(chǎn)的卷對卷技術(shù)工藝高度適配。此外，鈣鈦礦晶體薄膜的制備溫度較低（通常不超過 150℃），可適配各類柔性襯底，能夠滿足電子產(chǎn)品輕量化、薄型化、可折疊及可穿戴的發(fā)展需求。值得注意的是，鈣鈦礦電池屬于全固態(tài)器件，無需使用液體電解質(zhì)，因此無需像染料敏化光伏電池那樣擔(dān)憂電解質(zhì)泄漏引發(fā)的污染問題；且與有機(jī)材料相比，有機(jī) - 無機(jī)雜化鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性更高。綜合來看，有機(jī) - 無機(jī)雜化鈣鈦礦光伏電池?fù)碛袕V闊的產(chǎn)業(yè)化前景，是現(xiàn)有商用光伏電池的有力競爭技術(shù)。

當(dāng)前，有機(jī) - 無機(jī)雜化鈣鈦礦光伏電池仍存在諸多亟待解決的問題，例如材料中含鉛成分易造成環(huán)境污染、器件對環(huán)境濕度較為敏感、高溫穩(wěn)定性偏低、難以實(shí)現(xiàn)大面積制備等。該類電池的發(fā)展尚處于研發(fā)探索階段，初期面臨各類挑戰(zhàn)屬于正?，F(xiàn)象。由于其能量轉(zhuǎn)化效率具備顯著提升潛力，越來越多的研究人員投身于該領(lǐng)域，通過深入探究材料特性及電池相關(guān)作用機(jī)理，未來必將找到針對性的改進(jìn)方案，逐步解決當(dāng)前面臨的問題。