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摘要
本文根据制作材料的种类和状态的不同将太阳能电池分为以下几种：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池、薄膜型太阳能电池、有机太阳能电池和染料敏化纳米晶太阳能电池，并对每种太阳能电池进行了简要的介绍。对于不同材料的太阳能电池的优缺点进行了比较和分析，从而为以后改进与发展提供依据。采用图表的方式，介绍了目前世界各国不同太阳能电池的实际生产量。由于在材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1％。预期今后10年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。提高转换效率和降低成本仍然是太阳能电池发展的大趋势。概括介绍了几种新的技术探索方向，为今后的科学研究指明了方向。 关键词 太阳能电池 工作原理 单晶硅 多晶硅 化合物 有机物 薄膜 纳米晶
太阳能电池的种类及发展方向
根据材料的种类和状态的不同，太阳能电池主要有以下几种：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池、薄膜型太阳能电池、有机太阳能电池和染料敏化纳米晶太阳能电池，下面分别予以简单介绍。
单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池是开发得最早的一种太阳能电池。硅的禁带宽度为1.leV，是间接迁移型半导体，本来不是制作太阳能电池的最合适材料。但是由于硅蕴藏量非常丰富，已广泛应用于微电子工业，有很完善的技术基础，有利干太阳能电池的开发应用。单晶硅太阳能电池具有比较高的转换效率，规模生产的电池组件的效率可以达到 12—16%。
与其他种类的太阳能电池相比，单晶硅电池的转换效率为最高。作为原料的高纯单晶硅片多是从电子工业半导体器件加工中退出的产品，以往在市场上可大量地以较便宜的价格得到。最新的动向是向超薄、高效发展，不久可有100μm铝滑轨型材左右甚至更薄的单晶硅太阳能电池问世。德国的研究已经证实40μm厚的单晶硅电池的效率达到20％。
单晶硅太阳能电池以半导体材料制成大面积P—N结进行工作，单晶硅太阳能电池一般采用同质P—N结的结构，即在面积约10cm2的P型硅片上用扩散法制出一层很薄的经过重掺杂的N型层。在N型层上面制作金属栅线，形成正面接触电极；在背面制作金属膜，作为欧姆接触电极。为减少光的反射损失，在整个表面覆盖一层膜，即减反射膜。
当阳光从电池表面入射到内部时，入射光分别被各区的价带电子吸收并激发到导带，产生电子一空穴对。势垒的作用将电子扫人N区，而将孔穴扫入P区。各区产生的光载流子在内建电场的作用下，反方向越过势垒，形成光生电流，实现光一电转换过程。如图1所示为P—N结光电转换的原理图。
图1 P—N结光电转换的原理图
单晶硅太阳能电池的实验室实现的转换效率达到24．7％，为澳大利亚新南威尔士大学创造并保持，是目前除了GaAs以外效率最高的太阳能电池产品。与GaAs不同，高效单晶硅电池实现了规模化生产。
多晶硅太阳能电池
单晶硅电池以其转换效率高、质量稳定等特点在国际市场上得到了广泛应用。但单晶硅对原料的纯度要求高，生产成本居高不下，制约了单晶硅在普通领域的广泛推广和应用。
多晶硅太阳能电池以其转换效率较高(19．8％)、性能稳定和成本适中而得到越来越广泛的应用。多晶硅太阳能电池对原料的纯度要求低，原料的来源渠道也较为广阔，使生产成本大大降低。目前多晶硅太阳能电池已超越单晶硅的产量，占据市场的主导地位。多晶硅太阳能电池使用的材料多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅材料和冶金级硅材料熔化浇铸而成，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳能电池片，可提高材料利用率和方便组装。多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池差不多，电耗低，总的生产成本较低。
多晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池的不同之处在于电池的表面存在多种界面，与单晶硅的(100)晶面相比，得到理想的绒面结构比较困难，因此要有多种形式的减反射处理。
非晶硅太阳能电池
非晶硅是硅和氢(约10％)的一种合金，它对阳光的吸收系数高，其光谱响应的峰值与太阳光谱的峰值很接近。1μm厚度就能充分吸收太阳光，厚度不足单晶硅的1／100。活性层对硅材料的需求量大大减少，可明显节省昂贵的半导体材料。同时沉积温度低(约200℃)，减少能源消耗，并可直接沉积在玻璃、不锈钢和塑料膜等廉价的衬底材料上，生产成本低，单片电池面积大，便于工业化大规模生产。另外，由于非晶硅材料光学带隙相对较宽，所以比单晶硅有更好的温度特性。在同样的工作温度下，非晶硅太阳能电池的饱和电流远小于单晶硅太阳能电池，而短路电流的温度系数却高于单晶硅电池的1倍，这十分有利于在较高温下保持较高的开路电压和曲线因子。
在盛夏，太阳能电池表面温度经常达到60～70℃，具有良好的温度特性十分重要。据报道，在空间应用时，由于辐照和高温的原因，初始稳定效率为9％的非晶硅太阳能电池，其性能优于初始效率为14％的单晶硅太阳能电池。缺点是由于非晶硅材料光学禁带宽度为1．7eV，对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，限制了非晶硅电池的效率，且其效率会随着光照时间的延续而衰减(即光致衰退)，使电池性能不稳定。
目前非晶硅电池仍处在发展之中。与晶体硅太阳能电池不同，非晶硅薄膜太阳能电池在制
备过程中可实现单体电池的内连接，即非晶硅电池可直接制成所需的电参数的组件形式。非晶硅太阳能电池的转换效率和稳定性都不够好。非晶硅及其合金的光暗电导率随着光照的时间加长而减少，经过170℃—200微调电容℃的退火处理，又可以恢复到光照之前的值。这一现象首先由Staebler和Wronski发现，被称为S—K效应。S—K效应使非晶硅太阳能电池的转换效率由于光照时间加长而衰退，长期以来成为非晶硅太阳能电池应用的主要障碍。
非晶硅的制备多用硅烷作为原料，主要可通过化学气相沉积工艺。目前生产非晶硅太阳能电池多采用等离子增强化学气相沉积，可用单室沉积，也可多室沉积。掺杂气主要有和磷烷。
化合物太阳能电池
化合物太阳能电池包括III—V族化合物电池和II—VI族化合物电池。III—V族化合物电池主要有GaAs电池、InP 电池、Gasb电池等；II—VI族化合物电池主要有CaS/Culnse电池、CaS/CdTe电池等。上世纪七十年代末，以GaAs为代表的III—V族化合物电池材料（包括叠层电池材料），因具有很高的光电转换效率和优异的抗辐射性能而受到重视，发展很快。最新的一项研究成果就是在加利福尼亚获得了一种变质处理的三叠层GaInP /GaInAs /Ge材
料，它在240个太阳辐射，AM1.5情况下的转换效率为40.7%。
化合物太阳能电池中，目前转换效率最高的是n型硫化镉(CdS)和P型碲化镉(CdTe)组成的太阳能电池。这种电池的优点是，从pn结到电极全部可以用丝网印刷和烧结制成，制造方法简单，制造成本控制得很低，转换效率可达13％左右，但同其他许多化合物太阳能电池一样，有镉(Cd)引起的公害问题，所以至今不能广泛普及。人们除了研究烧结型的块状硫化镉太阳能电池外，更着重研究薄膜型硫化镉太阳能电池。它是用硫化亚铜为阻挡层，构成异质结，按硫化镉材料的理论计算，其光电转换效率可达16．4％。中国科学院长春应用化学研究所于20世纪80年代初曾把薄膜硫化镉太阳能电池的光电转换效率做到7．6％。
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尽管非晶硅薄膜电池在国际上有较大影响，但是至今有些国家仍指望发展硫化镉太阳能电池，因为它在制造工艺上比较简单，设备问题容易解决。含镉的太阳能电池对环境的影响一直使人们对其难以释怀。事实上，美国布鲁克海文国家实验室和哥伦比亚大学的联合研究表明，与煤、石油、晶体硅太阳能电池相比，在发电同样多的情况下，碲化镉薄膜太阳能电池的镉和其他重金属的排放是最低的。
薄膜型太阳能电池
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膜型太阳能电池材料主要有铜铟镓硒、碲化镉等。铜锢稼硒薄膜太阳能电池开发时间还不长，是较有前途而被寄予厚望的新型低成本太阳能电池。该薄膜太阳能电池单元的制备是先用溅射、喷涂或蒸发法在基片上沉积Cu，In和Ga层，再在Se气氛中硒化。碲化镉(CdTe)已成为公认的高效、稳定、廉价的薄膜光伏器件材料，而且在各种制备条件下都可以得到较好的电池结果，包括非常粗糙的工艺，如电镀。与传统型太阳能电池（结晶型）相比，年发电量更多，硅的使用量与制造耗能较少，采用无铅焊料等环保部件，能够以与非晶硅型太阳能电池相同的尺寸实现1.3倍的发电输出。图2所示为生产薄膜型太阳能电池及其他型太阳能电池生产流程。
图2薄膜型太阳能电池及其他型太阳能电池流程图
有机太阳能电池
有机太阳能电池具有柔韧性和成本低廉的优势，是近年出现的新型太阳电池。与结构工艺复杂、成本高昂、光电压受光强影响波动大的传统半导体固结太阳电池相比，有机太阳能电池制备工艺简单，可采用真空蒸镀或涂敷的方法制备成膜，且可以制备在可弯曲折香的衬底上形成柔性太阳能电池。
有机物太阳能电池材料的分子结构还可以自行设计合成.材料选择余地大，加工容易，毒性小，成本低，可制造面积大，在太阳能电池产业引起了科学家的极大关注。
与无机硅太阳能电池相比，其具有结构可设计性、材料重量轻、制作成本低、加工性能好、便于制造大面积太阳能电池和能吸收可见光等优点，尽管这类电池的光电转化效率目前还比较低，但由于上述优良的性能，已被国际上誉为第四代太阳能电池。有机太阳能电池存在着室外条件下长时间的稳定性、温度变化对太阳能电池性能的影响、液体电解质溶液的封装和泄露等关键问题。要实现有机太阳能电池的适用化，必须解决在有机太阳能电池中遇到的这些关键问题，或者研究和发展有机固体太阳能电池。自1992年Heeger等发现从共轭聚合物到富勒烯的光诱导快速电子转移，电荷分离的量子效率接近100％以来，有
机太阳能电池(含富勒烯)的研究取得了长足的进展，得到了光电转换效率为3．5％的有机太阳能电池器件。
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