光伏电池的发展历程和分类

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

 

本文主要讲述光伏电池的分类。

概论

2025 光伏电池的研究起源可追溯至 1883 年，科学家 Charles Fritts 采用硒半导体材料研制出全球首个光伏电池，但该器件的光电转化效率仅为 1%。此后直至 20 世纪 50 年代，贝尔实验室研发出首款具备实际应用价值的硅基光伏电池。经过大半个世纪的技术推广与产业发展，硅光伏电池已广泛应用于军事、建筑、交通等众多领域，融入人们的日常生活。不过，当前光伏电池技术仍受限于成本偏高、能耗较大、污染较严重等问题，因此，科研人员对高效、廉价、环保的新型光伏电池技术的研发与探索从未停止，具有发展潜力的新兴光伏电池技术也持续涌现。

截至目前，光伏电池的发展历程大致可划分为三个阶段：第一代晶体硅光伏电池（涵盖单晶硅电池与多晶硅电池）、第二代薄膜光伏电池（包含非晶硅薄膜电池及化合物半导体薄膜电池），以及第三代新型光伏电池（主要有有机聚合物薄膜光伏电池、染料敏化光伏电池和钙钛矿光伏电池）。经过多年研发，各类光伏电池的光电转化效率均实现大幅提升，美国国家可再生能源实验室（NREL）已详细统计经认证的各类光伏电池光电转化效率的发展趋势。

硅基光伏电池

硅基光伏电池是发展最早且当前市场应用最广泛的光伏电池类型，依据所用材料的差异，可分为单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池与非晶硅光伏电池三类，具体如图 1 所示。

单晶硅光伏电池于 1954 年在贝尔实验室问世，经过半个多世纪的技术迭代与工艺优化，其结构设计和制备流程已逐步成熟。其中，单结非聚光型单晶硅光伏电池经 NREL 认证，最高光电转化效率达 26.1%，在各类光伏电池中始终保持效率领先。不过，该类电池的原材料单晶硅棒需达到 5N 级别纯度（即 99.999%），较高的提取难度、高昂的生产能耗以及复杂的制备工艺，导致单晶硅光伏电池的生产成本一直居高不下，因此其应用场景多集中在航天与军事等对性能要求严苛的领域。

多晶硅光伏电池中的多晶硅薄膜，由众多尺寸不一、晶面取向各异的小晶粒组成，其原材料来源于冶金级硅材料、含单晶颗粒的聚集体以及废弃或次优的单晶硅材料，后续通过熔化浇注工艺制成。相比单晶硅光伏电池，多晶硅光伏电池在生产过程中的能耗与成本大幅降低，而光电转化效率仅略有下降 —— 经 NREL 认证，其最高效率为 22.3%。

自 1976 年美国科学家 Carlson 与 Wronski 研制出首个非晶硅光伏电池后，该类电池逐渐成为全球光伏领域的研究焦点。需要注意的是，单晶硅与多晶硅均属于非直接带隙半导体，光吸收系数较低；而非晶硅作为直接带隙半导体，拥有更高的光吸收系数，仅需一层较薄的非晶硅材料就能高效利用太阳光。此外，非晶硅薄膜还具备原材料来源广泛、反应温度低（可耐受 200℃温度环境）等特点，这使其在制备工艺复杂性与生产成本控制方面也具备显著优势。

全球范围内涌现出众多以非晶硅光伏电池为核心产品的企业或企业分支，例如美国 CHRONAR 公司不仅搭建了满足自身生产需求的生产线，还筹建了 6 条兆瓦级生产线，向海外市场输出技术与产品。在我国，也出现了拓日新能、赣能股份等涉及非晶硅光伏电池业务的上市公司。据统计，20 世纪 80 年代中期，非晶硅光伏电池在全球光伏电池总销量中的占比已达到 40%。发展至今，经 NREL 认证的非晶硅光伏电池最高光电转化效率为 23.3%。若未来能进一步提升其光电转化效率，并解决当前存在的电池稳定性较差等问题，非晶硅光伏电池无疑将成为太阳能电池领域的核心产品之一。

化合物半导体薄膜光伏电池

化合物半导体薄膜光伏电池是一类拥有创新结构的光伏器件，具备光电转化效率高、原材料消耗少、衬底成本低、性能稳定等优势，近年来实现快速发展且逐步投入实际应用。常见的化合物半导体薄膜光伏电池主要包括碲化镉（CdTe）薄膜光伏电池、铜铟硒（CIS）薄膜光伏电池、铜铟镓硒（CIGS）薄膜光伏电池与铜锌锡硫（CZTS）薄膜光伏电池四类 ，具体如图 2 所示。

碲化镉属于直接带隙半导体材料，拥有理想的禁带宽度（1.45eV），其光谱响应特性与太阳光谱高度匹配，不仅转化效率高，且电池性能稳定。RCA 实验室采用 CdTe 单晶镀铟（In）合金的方式，研制出全球首个碲化镉薄膜光伏电池，当时效率仅为 2.1%；20 世纪 80 年代初，Kodak 实验室将该类电池效率优化至 10%。如今，经 NREL 认证的碲化镉薄膜光伏电池最高效率已达 22.1%。该电池在大面积应用场景中展现出良好的市场潜力，但仍存在含重金属元素等亟待解决的问题。

CuInSe₂（CIS）同样是直接带隙半导体材料，其禁带宽度（1.0eV）较小，也能与太阳光谱匹配，且器件性能稳定，无 ulele 光致衰减效应。1974 年，美国贝尔实验室首次研发出单晶 CIS 薄膜光伏电池。近年来，各国科研人员在 CIS 薄膜制备技术上取得显著突破，但 CIS 薄膜光伏电池仍面临转化效率偏低、含重金属等问题。

CIGS 薄膜光伏电池与 CIS 薄膜光伏电池几乎同时出现，具有禁带宽度可调（1.04~1.7eV）、光谱吸收范围广、光吸收系数高、电池性能稳定、无光致衰减效应、制造成本低廉、可采用柔性衬底等优势。2008 年，西班牙建成并成功运行了装机容量 3.24MW 的 CIGS 光伏电站，标志着 CIGS 薄膜光伏电池进入商业应用阶段。目前，非聚光型 CuInGaSe₂薄膜光伏电池经认证的最高效率已达 23.4%，展现出良好的发展态势。不过，CuInGaSe₂薄膜光伏电池仍存在含铟（In）、硒（Se）等稀有元素的问题，一定程度上限制了其大规模推广。

2010 年 IBM 公司报道 CZTSSe 光伏电池后，研发不含毒性元素硒（Se）的 CuZnSnS（CZTS）薄膜光伏电池，逐渐成为光伏领域的研究热点。通过采用地壳中储量丰富的锌（Zn）、锡（Sn）替代稀有元素铟（In）、镓（Ga）的工艺设计，CZTS 薄膜光伏电池的制造成本得以大幅降低，更利于大规模推广应用。中国、德国、日本等多个国家均对 CZTS 薄膜光伏电池展开深入研究，但目前科研人员对 CZTS 薄膜的特性与结晶性能掌握尚不充分，且电池制备流程复杂，器件能量转化效率偏低、性能重复率不高，仍是需要突破的关键问题。

有机聚合物薄膜光伏电池

有机聚合物薄膜光伏电池是一类极具发展潜力的光伏技术，具有原材料合成成本低廉、功能调控便捷、可通过低温工艺制备等优势。该领域的研究最早可追溯至 20 世纪 50 年代末期，而重大突破则来自邓青云博士于 1986 年报道的双层结构染料光伏器件—— 该器件以酞菁衍生物作为电子给体，以四羧基芘衍生物作为电子受体，构建出双层异质结结构。随后研发的以聚合物 MEH-PPV 为电子给体、C₆₀衍生物 PCBM 为电子受体，通过材料共混制备的本体异质结器件，将效率进一步提升至 2.9%。截至目前，经认证的单节有机聚合物薄膜光伏电池最高光电转化效率已突破 18.2%。

有机聚合物薄膜光伏电池主要分为单层肖特基电池、双层 P-N 异质结电池与体相异质结电池三类，具体如图 3（a）~（c）所示。其中，单层肖特基电池结构简单，仅一层同质单一极性的有机半导体材料嵌入两电极之间，电荷运动的驱动力，来源于有机半导体的 π 轨道能级与功函数较低的金属电极之间形成的肖特基势垒或内建电场；在双层 P-N 异质结电池中，电子给体与电子受体有机材料分层排列，形成平面型给体 - 受体（D-A）界面，更有利于电荷的收集；体相异质结电池中，给体与受体材料均匀混合成膜，形成互穿网络结构，使 D-A 界面广泛分布，大幅增加了给体与受体材料的接触面积。

如图 3（d）所示，经过多年探索，有机聚合物薄膜光伏电池在技术研发上取得一定成果，但相较于其他类型光伏电池，仍存在光响应范围较窄、载流子迁移率偏低、光电转化效率有待提升等问题；此外，有机材料器件的稳定性欠佳，也在一定程度上限制了其实际应用场景的拓展。

染料敏化光伏电池

染料敏化光伏电池(DSSC)于1991年由瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的Gratzel教授提出,具有原材料丰富、工艺简单、成本低廉、稳定性较高、对环境友好、可制备柔性器件、易于大规模工业化生产等优点,一问世便受到了研究人员的广泛关注。染料敏化光伏电池如图4所示。经过几十年的发展,其研究工作在染料、电极、电解质等方面均取得了很大进展。DSSC经NREL认证的最高效率为13%,效率只有硅基光伏电池的一半左右,但制备成本大约仅有硅基光伏电池的1/10~1/5,预计每峰瓦的电池成本在10元以下,器件使用寿命可达到15~20年,并且制备电池所需能耗较低,能源回收周期短,性价比极高, 理论发电成本基本与化石燃料的持平,极具发展潜力。但一些问题仍未得到妥善解决,如电解液中存在不可逆反应及液体的挥发和泄漏、染料中含有昂贵且污染环境的钌元素等,阻碍了染料敏化光伏电池的进一步发展。

有机 - 无机杂化钙钛矿光伏电池

有机 - 无机杂化钙钛矿光伏电池（简称 PSC）由染料敏化光伏电池衍生发展而来。2009 年，日本桐荫横滨大学的 Miyasaka 团队首次报道了具有钙钛矿晶体结构的 CH₃NH₃PbI₃与 CH₃NH₃PbBr₃材料，可作为光敏化剂应用于染料敏化光伏电池中，初步实现了 3.8% 的光电转化效率；但该类材料在液态电解质中稳定性极差，器件仅几分钟后便完全失去效能。

2012 年，韩国成均馆大学（SKKU）Park 教授课题组将 Spiro-OMeTAD 用作固态空穴传输层融入电池结构，成功制备出全固态钙钛矿电池器件，其光电转化效率可达 9.7%，并表现出优异的稳定性。自此，钙钛矿光伏电池成为光伏领域的研究焦点 —— 在短短数年时间里，基于有机 - 无机杂化钙钛矿材料的新型光伏电池效率已从 3.8% 跃升至 25.7%，最高效率与发展较为成熟的多晶硅、碲化镉及铜铟镓硒光伏电池不相上下。

作为光吸收层的有机 - 无机杂化钙钛矿材料，具备直接带隙 、宽吸收光谱 、高光吸收系数、禁带宽度可调、高载流子迁移率等显著优势；同时，该类电池制备工艺简便、成本低廉且支持溶液加工，与适用于大规模生产的卷对卷技术工艺高度适配。此外，钙钛矿晶体薄膜的制备温度较低（通常不超过 150℃），可适配各类柔性衬底，能够满足电子产品轻量化、薄型化、可折叠及可穿戴的发展需求。值得注意的是，钙钛矿电池属于全固态器件，无需使用液体电解质，因此无需像染料敏化光伏电池那样担忧电解质泄漏引发的污染问题；且与有机材料相比，有机 - 无机杂化钙钛矿材料的稳定性更高。综合来看，有机 - 无机杂化钙钛矿光伏电池拥有广阔的产业化前景，是现有商用光伏电池的有力竞争技术。

当前，有机 - 无机杂化钙钛矿光伏电池仍存在诸多亟待解决的问题，例如材料中含铅成分易造成环境污染、器件对环境湿度较为敏感、高温稳定性偏低、难以实现大面积制备等。该类电池的发展尚处于研发探索阶段，初期面临各类挑战属于正常现象。由于其能量转化效率具备显著提升潜力，越来越多的研究人员投身于该领域，通过深入探究材料特性及电池相关作用机理，未来必将找到针对性的改进方案，逐步解决当前面临的问题。