硅太阳能电池板与新兴太阳能电池技术有何不同？

（本文编译自electronicdesign）

近几十年来，随着各国政府和行业为了努力达成低碳排放目标，对可再生能源的投资与研究激增。太阳能电池板，或称光伏（PV）技术，已成为解决能源危机的关键力量，并吸引了大量关注。去年，全球对太阳能电池板技术的投资超过了对其他所有可再生能源投资的总和。

这一增长的一个关键原因是太阳能资源丰富、可靠且免费。太阳提供了巨大的能量——仅仅90分钟的阳光就足以满足全球一整年的能源需求。尽管太阳能电池的基本效率只有约34%，但这仍然能让我们捕获高达330瓦/平方米的能量，使其成为一项重要且宝贵的资源。

此外，太阳能电池板的多功能性意味着它们可以：

• 集成到更大的电网系统中，并与其他可再生能源技术一起使用。

• 用于小型独立系统，为小型电子产品和物联网设备供电。

• 在没有基于电网的电力系统所需的大规模基础设施的地区，为单个社区供电。

目前，太阳能电池板领域主要由晶体硅（c-Si）技术主导。硅是一种广为人知且广泛使用的半导体材料，这主要得益于其丰富的储量以及吸收可见光的能力。因此，硅是首批实现商业化开发的太阳能电池技术之一。

目前，大量的研究都聚焦于提高硅太阳能电池的效率和改进其制造工艺。

1978年，最高效的晶体硅太阳能电池的效率约为13%。自那时以来，这一效率已经翻了一倍多，截至2023年，最高效的晶体硅器件的效率已达到26.1%（使用聚光器时可达27.6%，聚光器是一种由曲面镜或透镜组成的系统，可将阳光重定向到太阳能电池上）。晶体硅太阳能电池板的效率正接近其理论最大值，即29.43%（使用聚光器时），而大规模生产的晶体硅太阳能电池组件的平均效率为15%至23%。

硅太阳能电池坚固耐用，性能可保持数十年之久，因此成为市场的领导者。在过去几年里，全球大量投资聚焦于扩大光伏生产规模，尤其是在中国。因此，硅光伏组件的价格大幅下降，从2014年的每瓦0.80美元降至2023年的每瓦0.37美元。这一降价使得硅光伏更加普及，仅在2023年初，美国就新增了5.7GW的光伏装机容量。

晶体硅太阳能电池面临的主要挑战之一是硅本身的固有局限性。虽然硅是一种半导体，但其具有间接带隙，这意味着它吸收光的效率不如其他材料。为了能够制造出高效的光伏器件，需要一层厚厚的硅，这使得这些太阳能电池板变得僵硬、笨重且不透明。此外，硅器件必须用乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）和玻璃层封装，这进一步增加了它们的重量和硬度（见图1）。

图1：晶体硅（C-Si）太阳能电池板模块由包含晶体硅薄片的单个太阳能电池组成。这些太阳能电池被封装在一系列玻璃和乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）封装层中，使其变得坚硬且没有柔韧性。

有时候，这不是个问题：新建筑在设计时就会考虑集成太阳能电池板，许多建筑都能轻松容纳它们。然而，在旧建筑上安装僵硬且笨重的太阳能电池板却是一个挑战。此外，晶体硅太阳能电池板在应用方面受到一定限制；它们无法同时实现轻薄、柔韧、半透明以及高效率。这限制了晶体硅太阳能电池板应用的创造性和广泛性。

另外，尽管晶体硅太阳能电池板的生产成本已大幅下降，但其生产过程仍然复杂且耗能较高，这就意味着巨大的启动成本和大量废弃物的产生。

除了硅技术之外，大量研究还聚焦于其他替代太阳能的技术。第二代光伏技术，如铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）和非晶硅（a-Si）等，虽然前景广阔，但由于生产复杂和材料稀缺都面临挑战。在过去15年里，新一代光伏技术应运而生，旨在突破晶体硅太阳能电池的效率极限、降低生产成本并拓宽太阳能技术的潜在应用。

第三代光伏技术利用新型材料，如有机半导体、量子点和钙钛矿等，更有效地捕获太阳能。这些新技术还提供了更大的多功能性，其应用范围从柔性太阳能电池板到能够捕获全太阳光谱的串联结构等。这些创新对于发现更可持续和更具创意的太阳能解决方案至关重要（见图2）。

图2：钙钛矿晶体在一个晶胞结构中包含三种不同的有机和无机成分（分别标记为A、B和X），图中显示了等效的晶体结构。

第三代技术中最成功的技术之一是钙钛矿太阳能电池（PSC）。钙钛矿太阳能电池将有机和无机材料结合在一种独特的晶体结构（ABX₃）中，通过改变分子组成可以轻松实现定制化。这种可调性使得设计出与硅相媲美的高效太阳能电池成为可能，2024年其效率记录已达到26.7%（见图3）。

图3：有机太阳能电池通常使用两层有机材料混合而成的夹层，该夹层位于阳极和阴极连接器之间。

其他类型的第三代光伏技术包括量子点太阳能电池和染料敏化太阳能电池（DSSC）。量子点太阳能电池使用纳米级半导体颗粒在薄膜中吸收光。与此同时，染料敏化太阳能电池则依靠染料来吸收阳光，为太阳能提供了一种低成本且半透明的解决方案。

这些新兴技术的一大优势是它们与R2R（roll-to-roll）制造工艺兼容，如喷墨打印、狭缝涂布或喷涂。在连续的R2R生产中，能够在柔性基板上打印或涂覆光伏层，从而实现大规模生产并减少浪费。降低制造成本将增加在商业环境中采用这些技术的机会。

与需要高能耗、高温处理步骤的硅基太阳能电池板不同，一些第三代光伏技术可以在较低温度下进行溶液处理。然而，更敏感的材料可能受控于环境，如手套箱，以防止在制造过程中发生降解。

第三代光伏技术的另一个关键优势是，由于其成分可变，因此能够进行优化以比硅更有效地吸收光。这意味着这些材料的薄层仍能实现高效能量转换。因此，这些技术可用于传统硅面板不适用的应用场景，例如：

• 用于窗户的半透明光伏材料

• 用于曲面或不规则表面的柔性太阳能电池板

• 可在人造光下工作的室内光伏材料

这些创新为太阳能在空间和应用中的集成开辟了广泛的可能性，而以往这些空间和应用受晶体硅（c-Si）面板刚性和厚度所限制。

对于一种新兴的太阳能电池板技术来说，想要与硅基技术竞争，它必须达到或超过硅基技术的水平。也就是说，它必须：

• 在将阳光转化为电能方面提供相当或更高的效率。

• 展现出长期稳定性，在10到25年的使用寿命中至少保持90%的性能。

目前，没有任何一种第三代光伏技术能够同时满足这两点要求。

大多数第三代光伏技术都存在需要克服的稳定性问题，才能与晶体硅（c-Si）面板竞争。有机光伏（OPV）、染料敏化太阳能电池（DSSC）、量子点太阳能电池和钙钛矿太阳能电池由于水分、氧气、紫外线和热量等外部因素会发生降解，这阻碍了它们成为硅的有力竞争对手。与硅相比，染料敏化太阳能电池和量子点太阳能电池的效率也较低。

钙钛矿太阳能电池还存在毒性问题，因为它们使用铅作为主要成分。目前正在进行寻找铅替代物的研究，但使用这些替代物的器件效率显著降低。

然而，通过大量的研究和适当的封装技术，晶体硅和第三代技术在太阳能领域肯定都有发展空间。

第三代光伏技术的另一个令人兴奋的特点是，它们可以串联使用，或者与硅串联在太阳能电池板中结合使用，以进一步提高效率（图4）。通过将钙钛矿太阳能电池堆叠在硅太阳能电池之上，所得串联太阳能电池板能够捕获更宽范围内的太阳光谱，从而提高整体效率。

图4：串联的太阳能电池由两个不同的太阳能电池堆叠而成。顶部的太阳能电池吸收部分光线，同时允许部分光线穿透，这些穿透的光线随后被底部的太阳能电池吸收。

截至2024年，钙钛矿-硅串联太阳能电池的最高报道效率已达到32.5%。这证明了它们增强现有硅基础设施的潜力。这些混合系统为提升当前光伏装置的性能提供了一条令人兴奋的路径,完全无需采用全新的技术。