【烧脑】技术预测：太阳能光伏电池的未来

1991年，B.OREGAN等开创性地合成了一种成本低廉、可应用于商业的染料敏化纳米二氧化钛（TiO2）薄膜太阳能电池，将该领域研究推向一个新时期。1993年，德国斯图加特大学物理电子学院的SCHMIDD提出了在多晶CIS（CuInSe2）薄膜表面基础上形成异质节的新模型，进一步提高了光电转化率。几乎同一时期，M.K.Nazeeruddin等使用CIS－X2BIS在纳米TiO2电极上进行了分点离子敏化，在理论和实践上均取得了突破性进展。这一时期太阳能电池材料发展迅速，形成了时间跨度小但研究内容相对集中的第二集团（见图1上中部），极大地推动了相关技术的发展。

1995年前后至今，太阳能电池发展进入黄金时期，不仅在光电转换材料方面突破不断，还出现了针对电池片制造加工技术的研究，表明太阳能电池正从实验室走向市场。值得注意的是，M.Jorgensen在2008年关于聚合物太阳能电池稳定性及退化的研究成了关键节点，这说明对太阳能电池的评价指标体系越来越完善，也可被视为该技术正在趋于成熟的标志。这一时期，研究领域之间相互重叠，关键节点分布密集，是太阳能电池研究的重要阶段（见图1中右部）。

在上述参数设置前提下，得到前9个关键节点文献，相关的文献信息如表3所示。

由表3可知，在排名前9的节点文献中，有4篇涉及光电转换材料、4篇涉及太阳能电池片的制造、1篇涉及聚合物太阳能电池的可靠性分析，分别共被引1261次、565次、219次，这些节点将图谱中各领域紧密连接在一起，代表了太阳能电池领域的关键技术。结合图谱中文献分布情况可知，当前太阳能电池领域研究主要集中在光电转换材料、电池片制造加工以及可靠性3个方面。

　　1.1、太阳能电池材料技术

在我国太阳能光伏产业“十二五”规划中，太阳能电池薄膜材料成为发展重点。薄膜太阳能电池是一种直接把光能转化为电能的装置，它以硫化镉、砷化镓、硅等为基体材料，所制成的薄膜厚度在微米量级，具有对太阳能量的吸收律高、易取材、成本低、韧性强等优势，可以应用于建筑、电力供应、军事、旅行等方面。

作为硅太阳能电池的一种，分为非晶硅薄膜太阳能电池和多晶硅薄膜太阳能电池两种。其中，非晶硅薄膜太阳能电池具有成本低、自重轻的优点，适合大批量生产，但其自身的稳定性还不够成熟，因此还未大规模的应用；多晶硅薄膜太阳能电池相对于单晶硅薄膜太阳能电池成本低，相对于非晶硅薄膜太阳能电池转化率高，但就环保和材料获取而言，它的发展空间着实有限。目前，在各种类型的太阳能电池中，晶体硅太阳能电池仍占据着主导地位，但随着薄膜太阳能电池技术的发展成熟，其制造成本正大幅度降低，在未来几年内，以非晶硅和铜铟镓硒、碲化镉等为薄膜材料的化合物太阳能电池产量将会快速增长。一方面，高纯度晶硅的生产受到产业技术和原料资源的限制，其产能扩张受到限制；另外晶体硅太阳能电池的生产技术已经发展到成熟阶段，其单位产出增长已接近极限，这就给薄膜太阳能电池提供了发展的空间，其发展速度已经远远超越单晶硅太阳电池。

有机聚合物太阳能电池领域的新兴技术之一，具有成本低、韧性好、材料易获取等优势。2002年美国加州大学伯克利分校的研究人员HUYNHWU在《Science》杂志上发表的一篇关于“混合纳米棒---聚合物太阳电池（Hybrid Nanorod－polymer Solar Cells）”的文章，在聚合物太阳能电池的研究中起到了重要的作用。HUYNH在研究中证明了可以通过增大半导体纳米棒的长径比，使它们垂直地排列在基底平面上，从而改善与聚合物的内界面以便消除纳米棒表面的陷阱，从而提高电子的迁移率，使电子更快、更直接地传输到电极上。该项技术发挥了纳米棒的高载流子迁移率的潜能，提高了用纳米棒和共轭聚合物制成的纳米晶体杂化薄膜太阳电池的效率［Hybrid Nanorod－polymer Solar Cells］。尽管如此，有机聚合物太阳能电池的研究还刚刚起步，其转化效率低、使用寿命短等问题都还无法使之成为具有实用价值的技术。

1.2、太阳能电池片制造加工技术

虽然光电转换材料是太阳能电池的核心技术，但是作为一种产品，仅仅有材料是远远不够的，还需要解决发电主体（电池片）、电路系统、背板等组件的制造加工技术，惟有如此才能最终实现产品功能。在众多组件中，电池片在太阳能电池中最为重要，它集成了光电转换材料和电路系统，主要作用是实现光能向电能的转换。因为光电转换材料多种多样，所以电池片的制造加工也各不相同，针对不同材料设计电池片及其制造工艺是太阳能电池领域的重要研究内容之一。

2009年，F.C.Krebs系统梳理了聚合物太阳能电池的制造技术，成为连接太阳能电池材料和制造加工的关键节点。文章对比分析了当今常用的成膜技术（Film－form-ing Techniques）和极具量产潜力的印刷涂层技术（Printingand Coating Techniques），指出虽然前者相对成熟，但是针对不同材料其工艺条件往往是单一的，而且只能满足实验室研究、难以量化生产，相比之下，后者在工艺适用性方面有所突破，却应用不多。作者将印刷涂层技术的各个步骤分别进行评价，进一步剖析了其优势和不足，成为研究人员完善印刷涂层技术的重要参考。

这一关键节点的出现不仅是对之前电池片制造加工技术的总结，也是此后相关研究的发轫之作，该时期F.C.Krebs和J.Y.Kim针对聚合物电池片制造的研究同样以关键节点出现，证明其已经成为太阳能电池领域亟待突破的关键技术。

1.3、聚合物太阳能电池的可靠性技术

在排名前10的节点文献中，M.Jorgensen的研究探讨了聚合物太阳能电池的稳定性和退化机理，是其中惟一一篇关注太阳能电池可靠性的文献，却以219次的总被引频次居第4位。同时，以该节点为中心，衍生出结构完整的文献共被引网络，更说明其研究内容代表了2008年以后太阳能电池领域一个重要的研究方向。分析该领域早期文献不难发现，多数研究致力于提高材料的光电转换效率，对其他指标要求不高。从科学技术发展的角度来看，在新技术的发展初期，人们往往只关心与其性能密切相关的最主要指标，具体到太阳能电池，这一最主要指标即为光电转换效率，因此到21世纪之前，本领域的研究仍仅着眼于材料的光电转换性能；随着技术的不断发展，技术本身逐渐满足了核心性能要求，而为了能够将其应用，需要综合考虑其他性能指标，以保证产品高效平稳运行，因此自2005年至今，出现了大量以满足大规模生产制造要求、延长电池使用寿命为目的的研究成果，标志着太阳能电池技术逐渐走向成熟，也就要求构建更加完善的指标体系来促进其发展。

责任编辑：solar_robot