疊層太陽能電池是光伏業(yè)新希望？

太陽能電池發(fā)展經(jīng)歷了三個階段。以硅片為基礎的“第一代”太陽能電池其技術發(fā)展已經(jīng)成熟，但單晶硅純度要求在99.999%，生產(chǎn)成本太高使得人們不惜犧牲電池轉換率為代價開發(fā)薄膜太陽能電池。

第二代太陽電池是基于薄膜材料的太陽電池。薄膜技術所需材料較晶體硅太陽電池少得多，且易于實現(xiàn)大面積電池的生產(chǎn)，可有效降低成本。薄膜電池主要有非晶硅薄膜電池、多晶硅薄膜電池、碲化鎘以及銅銦硒薄膜電池，其中以多晶硅為材料的太陽能電池最優(yōu)。太陽能光電轉換率的卡諾上限是95%，遠高于標準太陽能電池的理論上限33%，表明太陽能電池的性能還有很大發(fā)展空間。第三代太陽電池具有如下條件：薄膜化，轉換效率高，原料豐富且無毒。

目前第三代太陽電池還處在概念和簡單的試驗研究。已經(jīng)提出的主要有疊層太陽電池、多帶隙太陽電池和熱載流子太陽電池等。其中，疊層太陽能電池是太陽能電池發(fā)展的一個重要方向。

2013年9月，德國弗朗霍夫太陽能系統(tǒng)研究所、法國聚光光伏制造商Soitec公司、德國柏林亥姆霍茲研究中心攜手宣布，他們制造出一款在太陽光濃度為297下光電轉化效率高達44.7%的四結光伏電池，創(chuàng)造了新的世界紀錄。他們表示，最新研究有望大幅降低太陽能發(fā)電的成本并為獲得轉化效率高達50%的太陽能電池鋪平了道路。最新研制出的四結太陽能電池中的單個電池由不同的III-V族(元素周期表中III族的B，Al，Ga，In和V族的N，P，As，Sb等)半導體材料制成，這些結點逐層堆積，單個子電池能吸收太陽光光譜中不同波長的光。

第三代太陽能電池面臨的挑戰(zhàn)

第三代光伏電池綜合考慮了多重能量閾值、低成本的制備方法、豐富無毒的原材料等，使降低每瓦成本變得較容易。疊層設計是目前發(fā)展最好的可通過聚光系統(tǒng)或降低成本或從優(yōu)化薄膜設計增加效率等方面改進從而降低每瓦成本的技術，然而該技術的穩(wěn)定性不是很好。中間帶和上下轉換太陽電池的應用還為時尚早，但它們在利用薄膜材料增加轉換效率和提高光譜穩(wěn)定性方面具有很大潛力。雖然應用碰撞離化和熱載流子概念太陽電池可以大幅度降低每瓦的成本，但這兩種技術都還有很多理論方面的問題有待解決。其它更深奧的新概念電池理論上可以提高轉換效率，但未必能在實際應用中實現(xiàn)。把這些新概念電池結合起來利用也不失為一種好方法，如在同一個電池中既應用上轉換又應用下轉換機理;或者把上轉換和疊層技術結合起來;另外碰撞離化和中間能級也可以應用到下轉換電池中而非用來直接產(chǎn)生載流子。

第三代光伏電池的理論概念及其工藝實現(xiàn)方法是當今光伏電池研究領域的最前沿問題，若能獲得成功將會對整個光伏電池領域的發(fā)展起到里程碑式的貢獻。

第三代太陽能電池前景展望

第三代光伏電池綜合了第一、二代太陽能電池的優(yōu)點，克服了第一代太陽能電池成本較高、第二代薄膜太陽能電池轉換效率低的不足，并且具有原材料豐富、無毒、性能穩(wěn)定耐用、對環(huán)境無危害等優(yōu)點，在未來的光伏市場中會有很好的發(fā)展前景。

作為第三代新型高效太陽能電池的典型代表，GaAs疊層太陽能電池的發(fā)展是與CPV系統(tǒng)緊密相連的。與傳統(tǒng)的晶硅電池發(fā)電系統(tǒng)相比，CPV產(chǎn)業(yè)還處于起步階段，全球CPV裝機容量還不是太大。目前全球裝機容量僅有500MW左右。這主要是因為與晶硅等太陽能發(fā)電技術相比，CPV現(xiàn)在的建設成本并無太大優(yōu)勢，但作為一項新興技術，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大、電池片效率的提高、跟蹤系統(tǒng)、聚光模塊和冷卻模塊設計的改進、生產(chǎn)技術的進步等等，其成本有著巨大的下降空間。未來CPV系統(tǒng)的成本和技術優(yōu)勢將逐步顯現(xiàn)，屆時也將獲得巨大的市場空間。