太阳能电池发展的新概念和新方向

第３８卷２００９年

增刊２１２月

稀有金属材料与工程

ＲＡＲＥＭＥＴＡＬＭＡＴＥＲＩＡＬＳＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

Ｖ０１．３８，Ｓｕｐｐｌ．２Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２００９

太阳能电池发展的新概念和新方向

林红，李鑫，刘忆翥，李建保

（清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京１０００８４）

摘要：综述了当前太阳能电池发展中的新概念和新方向。为使太阳能电池能够更加充分地吸收太阳光，表现出更高的能量转换效率，同时具备更加低廉的成本及更为广泛的应用领域，薄膜电池、柔性电池以及叠层电池已经成为太阳能电池领域的重要发展方向。还特别指出了新概念染料敏化太阳能电池作为第三代低成本陶瓷基太阳能电池，面临着重要机遇和挑战。

关键词：太阳能电池；薄膜电池；柔性电池；叠层电池；染料敏化太阳能电池中图法分类号：ＴＭ９１４．４

文献标识码：Ａ

文章编号：１００２．１８５Ｘ（２００９）￥２．０７２２．０４

１

太阳能电池的发展背景和现状

诺贝尔奖获得者美国ＲｉｃｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ的Ｓｍａｌｌｅｙ

美元／ｋｇ，２００８年略有回降。而目前太阳能电池的发电成本为５－６元／ｌ【ｗ?ｈ，约为煤电成本的１０倍以上。况且项目投资高，能耗高，一般建１０００ｔ的工厂需要１８个月的工期，投资达ＩＯ亿元以上。另外，中国的产品市场主要在国外。

教授曾经指出，在未来的５０年里，人类面临着随之而来的１０大问题中，能源问题排在首位。目前人类使用的能源中，化石能源占９０％以上。而到２１世纪中叶，其比例将减少到人类使用能源的一半，达到其极值，之后核能和可再生能源将占主导地位。到２１００年时，可再生能源将占人类使用能源的ｌ／３以上１１１。在诸多可再生能源中，包括太阳能、风能、潮汐能、地热能、氢能和生物质能，太阳能所蕴藏的能量是所有其他可再生能源能量总和的上千倍。因此发展太阳能潜力巨大。作为太阳能的主要利用途径，太阳能电池除具有清洁、能量充足的特点外，还可以直接设置在需要用电的地方发电。从２０世纪末起，太阳能电池的国际市场年增长率已达到３０％，并将维持到２０１０年，而在２０３０年前，还会以约２５％的速度持续增长。太阳能光伏装机容量将从２１世纪初的约０．５ＧＷ增长

到２０３０年的３００ＧＷ。中国的可再生能源中长期发展

２太阳能电池发展的新概念和新方向

随着新犁太阳能电池的涌现，以及传统硅电池的不断革新，新的概念已经开始在太阳能电池技术中显现，从某种意义上讲，预示着太阳能电池技术的发展趋势。基于上述太阳能电池的发展背景和现状分析，目前太阳能电池发展的新概念和新方向可以归纳为薄膜电池、柔性电池、叠层电池、以及新概念太阳能电

池。

２．１

薄膜电池

电池器件的薄层化有利于缩短光生载流子在器件

中的扩散距离，降低复合及湮灭的几率，使得在吸光程度大致相当的前提下太阳能电池的效率能够取得进一步的提高。薄层化不仅从原料节省以及效率提高上带来好处，同时也使得器件的制备更为简便。

硅基太阳能电池的硅片厚度已由２０世纪７０年代

的４５０～５００Ｂｍ降低到目前的１８０～２８０Ｌｌｍ，极大地减

规划中，提出２０２０年可再生能源要占到１５％，其中太阳能电池发电容量达到１．８ＧＷ。

目前市场上的太阳能电池主要是硅基太阳能电池，其中又以多晶硅太阳能电池为主流。然而，能够提供太阳能电池用的高纯硅厂家主要在国外，包括美国、日本和德国，且近年来多晶硅原料已经明显出现市场缺口，由此带来了其价格的迅速攀升。多晶硅的市场价格由２００５年的贸美元／ｋｇ猛涨到２００７年的４００

少了硅材料的用量，对太阳能电池成本降低起到了重

要作用。预计２０２０年硅片厚度将降低到８０－１００岫【２１。

然而进一步降低硅材料的用量却很困难。

除了硅基太阳能电池的薄层化外，近年来发展起

来的ＩＩＩ／Ｖ及ＩＩ／Ｗ族半导体化合物电池是典型的薄膜

收稿日期：２００９－０６－３０

基金项目：国家“８６３”项Ｉ；１（２００６ＡＡ０３２２１８）：国家自然科学基金（５０６７２０４Ｉ）’

作者简介：林红，女。１９６４年生，博士，清华大学材料科学与工程系，北京１０００８４，电话：０１０－６２７７２６７２，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｏｎｇ．岣ｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ

万方数据　

增刊２林红等：太阳能电池发展的新概念和新方向

?７２３?

太阳能电池，包括ＣＩＧＳ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ电池等。虽然这些电池的一部分材料资源有限，有的还含有有害物质，但其转换效率较高，在一些特定场合下有明显优

势。其他薄膜太阳能电池包括非晶硅太阳能电池、有

机太阳能电池以及第３节重点讨论的染料敏化太阳能

电池。

２．２叠层电池

叠层电池使得电池的性能可以得到叠加。太阳能电池的薄层化使其可以做得更薄，因此器件的叠层也变得更为现实可行。叠层电池可以是同种器件的叠层，也可以是异类器件的叠层。每一个叠层单元，由于感光部分的光响应性能不同，可分别吸收利用不同波段的太阳光。经过叠层，太阳光可以在全波段上都受到较好的吸收；同时由于器件之间的耦合效应，整体的光能转换效率可以达到更高水平。例如，单个ＩＩＩ／Ｖ族化合物薄膜电池光电转换效率在１０％一２０％之间，经过叠层，能量转换效率亦可达到３０％以上【３１。在新概念电池方面，８．１８％的染料敏化太阳能电池经过与１３．９％

的ＣＩＧＳ电池叠层，整体效率可达到１５．０９％【４】。２．３柔性电池

柔性电池能用在平板类太阳能电池难以胜任的许多领域，例如太阳能汽车、飞机、飞艇、建筑、纺织品、帐篷、服装、头盔，玩具等特殊曲面上。从制备

工艺上看，

由于该种电池有望采用成卷生产技术，便

于大面积连续生产，降低成本的潜力很大。另外，柔性电池可以进行卷曲折叠，从而方便携带。

柔性电池通常采用柔韧的聚合物半导体作为感光组元组装器件，或者在其他新概念电池中采用导电的柔性有机基板电极。目前几乎各种类型的光伏器件都在不同程度上实现了柔性化。如聚合物有机半导体太阳能电池【５１、无机半导体太阳能电池【６１、非晶硅【７１、以及第３节重点讨论的染料敏化太阳能电池【８】等。

３新概念电池——染料敏化太阳能电池

３．１

染料敏化太阳能电池特点及产业化前景国际权威机构ＳｃｈｏＲ

ＳｏｌａｒＧｍｂＨ公司预测，到

２０１０年，太阳能电池市场上除了目前占主导地位的第一代硅基太阳能电池，以及部分第二代半导体化合物薄膜太阳能电池外，将要出现新概念太阳能电池。目前国际上普遍公认染料敏化太阳能电池即为第三代新概念太阳能电池。图１为不同技术太阳能电池的

发展预测。

染料敏化太阳能电池是一种新型的陶瓷基光化学太阳能电池。１９９１年，瑞士的Ｇｒａｅｔｚｅｌ教授通过钉（ＩＩ）

的联吡啶配合物敏化介孔Ｔｉ０２薄膜光阳极，获得了

万　

方数据７％的光电转换效率，从此开启了染料敏化太阳能电池的新领域。该电池制备工艺十分简单，不需要昂贵又耗能的高温处理和高真空，也不需要高纯原料。因此成本十分低廉，仅为硅基太阳能电池的１／３～１／５。它还具有一些目前硅基电池所不具有的特点，比如可以做成透明的或者多彩多色的，也可以做成柔性的可弯曲电池。目前，器件的光电转换效率已优化至１１％以上［９ｌ，超过非晶硅太阳能电池的转换效率。

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图ｌ不同技术太阳能电池的发展预测

Ｆｉｇ．１

Ｆｏｒｅｃａｓｔｏｆｓｏｌａｒｃｅｌｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ

（ＣｏｕｒｔｅｓｙＤｒ．ＷｉｎｆｒｉｅｄＨｏｆｆｍａｎ，ＣＥＯ，ＲＷＥ，ＳＣＨＯＩ”ｒ

Ｓｏｌａｒ

ＧｍｂＨ）

日本ＡｉｓｉｎＳｅｉｋｉ公司的中试工作表明，相同设计功率下，和多晶硅太阳能电池对比，染料敏化太阳能电池总发电量比多晶硅太阳能电池多出２０％～３０％。目前在日本、澳大利亚、欧洲以及中国都有中试线或示范工程。２００６年１０月，Ｇ２４９ＩＪ新有限公司宣布在英国南威尔士，建立世界第一家，也是目前世界上唯一的一家染料敏化太阳能电池生产基地。最初的市场瞄准移动消费电子商品，如手机充电器、智能纺织品（如将电池缝制到衣服上）、应急安全灯、ＭＰ３播放器、笔记本电脑和掌上游戏机等。第一批手机充电电池预计于２００８年秋季网上贩卖。将来要发展到与建筑产品结合起来。

３．２国际上染料敏化太阳能电池研究现状

国际上目前关于染料敏化太阳能电池的研究主要围绕光阳极、染料、电解质、对电极等材料，以及电子传输机理、大面积电池设计、电池稳定性等方面展开。特别在光阳极材料的研究方面，下列研究方向值

’７２４。

稀有金属材料与工程

第３８卷

ｅｔ

得关注和跟踪。

【４】ＬｉｓｋａＰ＇ＴｈａｍｐｉＫ凡ＧｒａｔｚｅｌＭ

１０３

ａ１．Ａｐｐｌｉｅｄ脚ｓｉｃｓ

ｅｔ

传统的光阳极材料为Ｔｉ０２纳米多孔粒子结构。近Ｌｅｔｔｅ船［ＪＪ，２００６，８８：２０３年来，为提高电子传输寿命，减少载流子复合，纳米管阵列‘１０１、纳米线阵列㈣等一维传输结构受到瞩目。同时，包覆结构已经显现出其明显优势，ＣａＣ０３包覆【５】ＳａｒｉｃｉｆｔｅｉＮＳ，ＳｍｉｌｏｗｉｔｚＬ，ＨｅｅｇｅｒＡＪ

１９９２，２５８：１４７４

ａ１．Ｓｃｉｅｎｃｅ［Ｊ］，

【６】Ｔｉｗａｄ

Ａ

Ｎ，ＫｒｅｊｃｉＭ，Ｈａｕｇ

ＦＪｅｔ

ａ１．Ｐｒｏｇｒｅｓｓ

ｉｎ

Ｔｉ０２结构可以将转换效率从７．８４％提高到９．６８％１１２】。Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ：ＲｅｓｅａｒｃｈＡｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］，１９９９，７：３９３

除了Ｔｉ０２光阳极以外，ＺｎＯｌｌ”、Ｎｂ２０５【１４１、Ｓｎ０２［１５】等其他宽带隙半导体光阳极材料也引起人们重视。在光阳极薄膜制备方法方面，丝网印刷［Ｍ１已成为大面积薄膜制备方法的主流。而为了在有机基板上获得低温７１、水热法【１８ｌ、电泳法【１９１、

我国在２０世纪９０年代已经介入该领域的研究，目前研究成果达到世界先进水平。特别是在新型染料

２１。首次在离娃

当日

；五

，口

新概念的涌现代表了太阳能电池发展的新动向。Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ

Ｙ．ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙＭａｔｅｒｉａｌｓ＆ＳｏｌａｒＣｅｌｌ［Ｊ］，２００２，

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ＭＪ

ｅｔ

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Ｐｒｅｓｓ，

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Ｂｏｓｉ

Ｍ，ＰｅｌｏｓｉＣ．Ｐｒｏｇｒｅｓｓ

ｉｎ

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万　

方数据【７】

Ｉｃｈｉｋａｗａ

Ｙ

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Ｔｅｔ

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ｏｆ

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ＣｈｅｍｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ［ｊＪ】，２００８，１３０：１０７２０【２２】ＷａｎｇＨ，ＬｉＨ，ＸｕｅＢ

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【２３】ＤａｉＳＹ，ＷｅｎｇＪ，ＳｕｉＹＦ

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ｅｔ

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ｏｆ

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ｅｔ

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（２）：６４９

【２６】ＺｈａｎｇＬＺ，ＬｉｎＨ，ＷａｎｇＮ

ｅｔ

ａ１．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｌｌｏｙｓａｎｄ

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柔性光阳极材料，压力法【１微波法［２０】等显现了其低温合成及成膜优势。３．３国内研究特色

合成ｆ引１、半固态电解质研究ｆ２２ｌ、以及示范工程‘２３ｌ方面

有明显特色。而清华大学在一维光阳极材料的基础研

Ｔｉ０２纳米线阵列取得了目前国际．卜阵列材料在染料敏

究方面做了大量工作ｔ２４也”。利用水热法合成制备的Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ

化太阳能电池中应用的最高效率【２７】。特殊形貌电极材

料ＺｎＯ［２８１、ＮｉＣ０２０４㈣的研究也已经取得突破。利用

极配纳米材料，在１５０℃的低温下制备Ｔｉ０２光阳极并组装了性能良好的柔性太阳能电池【３０￣３子液体电解质中引入具有纳米通道的层状无机纳米材料，发现电解质中氧化还原对的交换电流密度及扩散常数提高了２倍左右［３３，３４］。此外，在光阳极修饰、稳

定性和叠层电池方面也已经取得重要进展。

４叶

在未来的一段时期内，薄膜电池、柔性电池以及叠层阳能电池作为第三代低成本陶瓷基太阳能电池，已经受到国际科学家和产业界的青睐和瞩目，在经历了中试和稳定性考验之后，近期内将在电池市场卜发挥重

要作用。

电池将成为太阳能电池研究领域的主流。染料敏化太Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ

参考文献

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｅｗｃｏｎｃｅｐｔｓａｎｄｎｅｗｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ

ａｒｅｏｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｏｌａｒｃｅｌｌｗｅｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｉｎｆｉｌｍｃｅｌｌ，ｆｌｅｘｉｂｌｅｃｅｌｌ，ａｎｄｔａｎｄｅｍｃｅｌｌｅｖｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏａｂｓｏｒｂｓｕｎｌｉｇｈｔｍｏｒｅａｄｅｑｕａｔｅｌｙ，ｐｅｒｆｏｒｍ

ａｈｉｇｈｅｒｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓａｎｄｐｒｏｍｉｓｅａｍｕｃｈｂｒｏａｄｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈｌｏｗｅｒｃｏｓｔ．Ｄｙｅ－ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄｓｏｌａｒｃｅｌｌ，ａｓ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒｃｅｌｌ；ｔｈｉｎｆｉｌｍｃｅｌｌ；ｆｌｅｘｉｂｌｅｌｏｗ—ｃｏｓｔ，ｃｅｒａｍｉｃ?ｂａｓｅｄｃｅｌｌ，ｈａｓｓｈｏｗｎｉｔｓｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙａｎｄｃｈａｌｌｅｎｇｅｎｏｗ．ｃｅｌｌ；ｔａｎｄｅｍｃｅｌｌ；ｄｙｅ?ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄｓｏｌａｒｃｅｌｌ

Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＬｉｎＨｏｎｇ，Ｐｈ．Ｄ．，ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ，Ｔｅｌ：００８６?１０?６２７７２６７２，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｏｎｇ－ｌｉｎ＠ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ

万方数据　

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太阳能电池发展的新概念和新方向

作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷(期)：

被引用次数：林红， 李鑫， 刘忆翥， 李建保， Lin Hong， Li Xin， Liu Yizhu， Li Jianbao清华大学,新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室,北京,100084稀有金属材料与工程RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING2009,38(z2)4次

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