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[摘 要]目前，环境破坏日益严重，可再生资源不断减少，人类的生存与发展问题面临着极大的压力。新能源的开发也成为社会各领域解决资源与环境问题的突破口。在众多的新能源中，太阳能的利用效率最高，太阳能电池的研究也是新能源研究的重点方向。本文将以太阳电池作为切入点，简要阐述太阳能电池的分类，进一步分析太阳能电池的发展趋势，希望为太阳能电池的研究提供参考意见。
[关键词]太阳能电池 晶体硅 薄膜
中图分类号：IDl66 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）41-0319-01
太阳能作为高效、清洁的新能源，在能源研究领域受到各国专家的重视，其中也包括中国。根据太阳能电池使用材料的不同，太阳能电池主要有硅基太阳能电池以及多元化合物薄膜电池。随着技术不断的开发与研究，太阳能电池的使用材料成本也逐步降低，从而使太阳能的运用更为广泛。
一、 太阳能电池的发展历史和现状
1954年，第一块单晶硅太阳能电池在美国诞生，由贝尔实验室研发，至此人类开始研究太阳能发电。1958年航天器成为太阳能电池首先应用领域。20世纪70年代初，由硅构成的太阳能电池在陆地上开始应用。从80年代开始，太阳能电池的使用效率得到进一步提升，并且生产成本不断降低。在20世纪90年代至20世纪初期，光伏组件的销售速率平均每年以20%的速度增长，尤其是从1997年开始，年增长速度达到30%。近5年来，光伏组件的销售增长速度增至40%。
现阶段太阳能市场主要是硅基太阳能电池，其中多晶硅太阳能电池为主要代表。但是，能够生产太阳能电池材料高纯硅的厂商集中在国外，比如美国、德国以及日本等，而且在市场上多晶硅材料明显供不应求，导致其价格也在不断上涨。这样的情况下，各种减少太阳能电池成本的材料不断运用到太阳能电池中。
二、 太阳能的分类
（一）晶体硅太阳能电池
1.单晶体硅太阳能电池
单晶体硅电池是目前研发最早的太阳能电池，其原材料是高纯度的单晶硅棒，优点是转换率高于其他材料，在实验室进行实验时转换率最高可以达到23%，大规模投入市场的时候效率也可以达到15%。但是高转换率的代价就是高成本，因为其材料是高纯度的硅体，在市场中单晶硅体的成本价远远高于其他材料，所以单晶硅太阳能电池的成本降低很不容易。
2. 多晶硅薄膜太能电池
多晶硅薄膜太阳能电池的材料主要是大量的大小不一、晶面取向不同的小晶粒。其优点是能够很好的感知长波段的光和吸收可见光，并且和晶体硅具有相同的光照稳定性。和单晶硅相比较，其最大的优点就是成本较低，在转换效率方面又比非晶硅薄膜电池高。在实验室转换效率最高可以达到18%，规模生产组件效率可以达到10%。
3. 非晶硅薄膜太阳能电池
非晶硅薄膜太阳能电池的底部可以用玻璃或者不锈钢等材料，这样的优点是一成本较低，有利于厂家大批量的生产，二可以将其建成叠层结构，提高电池的转换效率。但是受到材料的限制，非晶硅薄膜太阳能电池容易产生光致效率衰退的现象，吸收光的稳定性不高，导致在实际的应用中受到极大的影响。如果稳定性和转换效率能够提高，那么非晶硅薄膜太阳能电池的应用将会成为太阳能电池市场的主要产品之一。
4. 多元化合物薄膜电池
多元化合物太阳能电池是利用多元化合物作为材料的电池的总称，详细划分的话主要有砷化镓Ⅲ一Ⅴ族化合物、碲化镉、硫化镉和铜铟镓硒薄膜电池等。
砷化镓Ⅲ一Ⅴ族化合物电池具有很高的转换率，高达28%，且这种材料有很好的光学带隙和吸收率较高，加上具有较强的抗辐射能力，对热不敏感，所以在制作高效的单节电池上适合利用这种材料，如聚光光伏领域。但是因为其较高的成本和含有剧毒元素，这种太阳能电池普及度并不高。
相较于非晶硅薄膜电池，碲化镉、硫化镉多晶薄膜电池转换效率更高，成本上又低于单晶硅电池，所以这种材料的电池很容易实现大批量的生产。但是因为镉元素也含有剧毒，会严重污染使用环境，故而这种材料并不能代替晶体硅太阳能电池。
铜铟镓硒薄膜电池简称CIGS，这种材料是现阶段甚至以后太阳能电池发展的新方向，最新技术已可使其在实验室的转换率达到20%，组件效率15%。它的优点主要是在光电转换中不会有光致衰退现象，与多晶硅一样具有较高的转换效率，并且价格低，性能好，工艺简单等。
三、 太阳电池发展新方向和趋势
（一）新方向
1.薄膜电池
如今电池器件越来越向薄层化发展，比如硅基太阳能电池中硅片的厚度从20世纪70年代的450～500？m降到现在的180～280？m。这样不仅减少了硅材料的使用量，节约太阳能电池的成本，还促进了太阳能电池的转换效率提升。除了实现硅基太阳能电池的薄层化之外，薄膜电池典型代表还有多元化合物薄膜电池，比如CIGS、GaAs等电池。虽然这种新型电池的材料稀缺，并包含一些有毒物质，但是在转换效率具有明显的优势，所以这种薄膜电池也是太阳能电池研究的新方向。
2. 叠层电池
叠层电池就是让电池的性能通过一定的结构安排得以叠加。电池的薄层化为叠加电池的实现提供了可行性。在叠层电池中，不仅相同的部件可以叠加，异类器件同样可以实现叠层。因为每个叠层结构的感光部分在光响应性能方面存在差异，所以太阳能的不同波段可以被叠层电池的不同结构分别吸收。通过叠层，太阳能电池对太阳光的全波段可以进行较好的吸收，并且因为器件之间具有一定的耦合性，所以电池的光能转换效率在整体水平会得到大幅度提高。
3.柔性电池
柔性电池一般情况下是利用具有柔韧性的聚合物半导体当作感光器件，或者在多元化合物薄膜电池中安装柔性有机基板电极。与平板类的太阳能电池比较，柔性电池的最大好处就是可以适用于更多的领域，像太阳能汽车、飞机、飞艇、建筑、衣服、头盔和帐篷等具有一定曲面的物体。随着制备工艺的进步，现阶段成卷生产技术应用到柔性电池的可行性逐渐提高，借此太阳能电池的生产面积就会更进一步，并且成本也会大大降低。同时，由于柔性电池能够弯曲折叠，所以有利于人们方便携带，从而使太阳能电池的普及度得到提高。
（二） 发展趋势
从市场的角度来说，太阳能电池发展总趋势是提高太阳能电池的转换效率，降低电池生产成本，并且在不破坏环境的情况下实现电池的大规模生产。在材料方面，太阳能电池的发展趋势主要表现在以下几点。首先，因为多晶硅以及非晶硅薄膜电池具有转换效率较高、成本相对较低等优点，所以太阳能电池市场将主要是多晶硅和非晶硅薄膜电池，单晶硅电池会逐渐退出太阳能电池市场；其次，虽然多元化合物薄膜电池具有很高的转换效率，但是因为材料的稀缺和有毒物质的存在，这种太阳能电池不会成为市场中的主导产品；第三，染料敏化纳米TiO2薄膜电池的研究虽然取得了很好的成绩，但是依然具有敏化剂高成本制造问题；最后，纳米技术的研发，使太阳能电池领域又出现新的电池材料——纳米晶，这种高效、低价、无污染的电池将对太阳能电池领域造成巨大的冲击，在科学技术的不断发展之下，这种电池的应用也必将成为太阳能电池领域的发展趋势。
结束语：
在科学技术不断进步的条件下，太阳能电池的材料不断发生着改变，比如单晶硅电池向非晶硅薄膜电池的转变。而这种转变的最终目的是提高太阳能电池的转换效率，降低电池的生产成本，减少材料的消耗。同时，随着太阳能电池材料不断改进，其生产的规模也在逐步扩大，太阳能电池的普及度也会越来越高，从而为新能源的应用做出巨大贡献。
参考文献
[1] 梁昌鑫，陈孝祺.太阳能电池现状及其发展前景[J]. 上海电机学院学报，2010，（03）.
[2] 王慧，邵竹锋.太阳能电池概述[J]. 中国建材科技，2008，（06）.
[3] 李丽，张贵友，陈人杰，陈实，吴锋.太阳能电池及关键材料的研究进展[J]. 化工新型材料，2008，（11）.
[4] 梁宗存，沈輝，李戬洪.太阳能电池研究进展[J]. 能源工程，2000，（04）.
[关键词]太阳能电池 晶体硅 薄膜
中图分类号：IDl66 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）41-0319-01
太阳能作为高效、清洁的新能源，在能源研究领域受到各国专家的重视，其中也包括中国。根据太阳能电池使用材料的不同，太阳能电池主要有硅基太阳能电池以及多元化合物薄膜电池。随着技术不断的开发与研究，太阳能电池的使用材料成本也逐步降低，从而使太阳能的运用更为广泛。
一、 太阳能电池的发展历史和现状
1954年，第一块单晶硅太阳能电池在美国诞生，由贝尔实验室研发，至此人类开始研究太阳能发电。1958年航天器成为太阳能电池首先应用领域。20世纪70年代初，由硅构成的太阳能电池在陆地上开始应用。从80年代开始，太阳能电池的使用效率得到进一步提升，并且生产成本不断降低。在20世纪90年代至20世纪初期，光伏组件的销售速率平均每年以20%的速度增长，尤其是从1997年开始，年增长速度达到30%。近5年来，光伏组件的销售增长速度增至40%。
现阶段太阳能市场主要是硅基太阳能电池，其中多晶硅太阳能电池为主要代表。但是，能够生产太阳能电池材料高纯硅的厂商集中在国外，比如美国、德国以及日本等，而且在市场上多晶硅材料明显供不应求，导致其价格也在不断上涨。这样的情况下，各种减少太阳能电池成本的材料不断运用到太阳能电池中。
二、 太阳能的分类
（一）晶体硅太阳能电池
1.单晶体硅太阳能电池
单晶体硅电池是目前研发最早的太阳能电池，其原材料是高纯度的单晶硅棒，优点是转换率高于其他材料，在实验室进行实验时转换率最高可以达到23%，大规模投入市场的时候效率也可以达到15%。但是高转换率的代价就是高成本，因为其材料是高纯度的硅体，在市场中单晶硅体的成本价远远高于其他材料，所以单晶硅太阳能电池的成本降低很不容易。
2. 多晶硅薄膜太能电池
多晶硅薄膜太阳能电池的材料主要是大量的大小不一、晶面取向不同的小晶粒。其优点是能够很好的感知长波段的光和吸收可见光，并且和晶体硅具有相同的光照稳定性。和单晶硅相比较，其最大的优点就是成本较低，在转换效率方面又比非晶硅薄膜电池高。在实验室转换效率最高可以达到18%，规模生产组件效率可以达到10%。
3. 非晶硅薄膜太阳能电池
非晶硅薄膜太阳能电池的底部可以用玻璃或者不锈钢等材料，这样的优点是一成本较低，有利于厂家大批量的生产，二可以将其建成叠层结构，提高电池的转换效率。但是受到材料的限制，非晶硅薄膜太阳能电池容易产生光致效率衰退的现象，吸收光的稳定性不高，导致在实际的应用中受到极大的影响。如果稳定性和转换效率能够提高，那么非晶硅薄膜太阳能电池的应用将会成为太阳能电池市场的主要产品之一。
4. 多元化合物薄膜电池
多元化合物太阳能电池是利用多元化合物作为材料的电池的总称，详细划分的话主要有砷化镓Ⅲ一Ⅴ族化合物、碲化镉、硫化镉和铜铟镓硒薄膜电池等。
砷化镓Ⅲ一Ⅴ族化合物电池具有很高的转换率，高达28%，且这种材料有很好的光学带隙和吸收率较高，加上具有较强的抗辐射能力，对热不敏感，所以在制作高效的单节电池上适合利用这种材料，如聚光光伏领域。但是因为其较高的成本和含有剧毒元素，这种太阳能电池普及度并不高。
相较于非晶硅薄膜电池，碲化镉、硫化镉多晶薄膜电池转换效率更高，成本上又低于单晶硅电池，所以这种材料的电池很容易实现大批量的生产。但是因为镉元素也含有剧毒，会严重污染使用环境，故而这种材料并不能代替晶体硅太阳能电池。
铜铟镓硒薄膜电池简称CIGS，这种材料是现阶段甚至以后太阳能电池发展的新方向，最新技术已可使其在实验室的转换率达到20%，组件效率15%。它的优点主要是在光电转换中不会有光致衰退现象，与多晶硅一样具有较高的转换效率，并且价格低，性能好，工艺简单等。
三、 太阳电池发展新方向和趋势
（一）新方向
1.薄膜电池
如今电池器件越来越向薄层化发展，比如硅基太阳能电池中硅片的厚度从20世纪70年代的450～500？m降到现在的180～280？m。这样不仅减少了硅材料的使用量，节约太阳能电池的成本，还促进了太阳能电池的转换效率提升。除了实现硅基太阳能电池的薄层化之外，薄膜电池典型代表还有多元化合物薄膜电池，比如CIGS、GaAs等电池。虽然这种新型电池的材料稀缺，并包含一些有毒物质，但是在转换效率具有明显的优势，所以这种薄膜电池也是太阳能电池研究的新方向。
2. 叠层电池
叠层电池就是让电池的性能通过一定的结构安排得以叠加。电池的薄层化为叠加电池的实现提供了可行性。在叠层电池中，不仅相同的部件可以叠加，异类器件同样可以实现叠层。因为每个叠层结构的感光部分在光响应性能方面存在差异，所以太阳能的不同波段可以被叠层电池的不同结构分别吸收。通过叠层，太阳能电池对太阳光的全波段可以进行较好的吸收，并且因为器件之间具有一定的耦合性，所以电池的光能转换效率在整体水平会得到大幅度提高。
3.柔性电池
柔性电池一般情况下是利用具有柔韧性的聚合物半导体当作感光器件，或者在多元化合物薄膜电池中安装柔性有机基板电极。与平板类的太阳能电池比较，柔性电池的最大好处就是可以适用于更多的领域，像太阳能汽车、飞机、飞艇、建筑、衣服、头盔和帐篷等具有一定曲面的物体。随着制备工艺的进步，现阶段成卷生产技术应用到柔性电池的可行性逐渐提高，借此太阳能电池的生产面积就会更进一步，并且成本也会大大降低。同时，由于柔性电池能够弯曲折叠，所以有利于人们方便携带，从而使太阳能电池的普及度得到提高。
（二） 发展趋势
从市场的角度来说，太阳能电池发展总趋势是提高太阳能电池的转换效率，降低电池生产成本，并且在不破坏环境的情况下实现电池的大规模生产。在材料方面，太阳能电池的发展趋势主要表现在以下几点。首先，因为多晶硅以及非晶硅薄膜电池具有转换效率较高、成本相对较低等优点，所以太阳能电池市场将主要是多晶硅和非晶硅薄膜电池，单晶硅电池会逐渐退出太阳能电池市场；其次，虽然多元化合物薄膜电池具有很高的转换效率，但是因为材料的稀缺和有毒物质的存在，这种太阳能电池不会成为市场中的主导产品；第三，染料敏化纳米TiO2薄膜电池的研究虽然取得了很好的成绩，但是依然具有敏化剂高成本制造问题；最后，纳米技术的研发，使太阳能电池领域又出现新的电池材料——纳米晶，这种高效、低价、无污染的电池将对太阳能电池领域造成巨大的冲击，在科学技术的不断发展之下，这种电池的应用也必将成为太阳能电池领域的发展趋势。
结束语：
在科学技术不断进步的条件下，太阳能电池的材料不断发生着改变，比如单晶硅电池向非晶硅薄膜电池的转变。而这种转变的最终目的是提高太阳能电池的转换效率，降低电池的生产成本，减少材料的消耗。同时，随着太阳能电池材料不断改进，其生产的规模也在逐步扩大，太阳能电池的普及度也会越来越高，从而为新能源的应用做出巨大贡献。
参考文献
[1] 梁昌鑫，陈孝祺.太阳能电池现状及其发展前景[J]. 上海电机学院学报，2010，（03）.
[2] 王慧，邵竹锋.太阳能电池概述[J]. 中国建材科技，2008，（06）.
[3] 李丽，张贵友，陈人杰，陈实，吴锋.太阳能电池及关键材料的研究进展[J]. 化工新型材料，2008，（11）.
[4] 梁宗存，沈輝，李戬洪.太阳能电池研究进展[J]. 能源工程，2000，（04）.