六、太阳能电池技术
太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转变为电能的器件，又叫光伏器件。物质吸收光能产生电动势的现象，称为光生伏打效应。这种现象在液体和固体物质中都会发生。但是，只有在固体中，尤其是在半导体中，才有较高的能量转换效率。所以，人们又常常把太阳能电池称为半导体太阳能电池。
半导体材料的种类很多，按其化学成分，可分为元素半导体和化合物半导体；按其是否有杂质，可分为本征半导体和杂质半导体；按其导电类型，可分为N型半导体和P型半导体。此外，根据其物理特性，还有磁性半导体、压电半导体、铁电半导体、有机半导体、玻璃半导体、气敏半导体等。目前获得广泛应用的半导体材料有锗、硅、硒、磷化镓、锑化铟等，其中以锗、硅材料的半导体生产技术最为成熟，应用得最多。
太阳能电池发电利用了特定半导体材料的光伏效应。光与半导体的相互左右可以产生光载流子。当产生的电子一空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极时，产生电势，称为光生伏打效应。当连上外接电路时，只要有足够的阳光照射，就能产生源源不断的电流。半导体光电器件应该满足以下两个条件。
①半导体材料对入射光有足够大的吸收系数，即入射光的能量应大于半导体的禁带宽度。吸收系数大，则光的透入深度就浅，所需材料就少，比如晶体硅需要200～300微米才能吸收太阳光谱中波长较长的光，而GaAs和非晶硅因为光吸收系数大，只需1微米，可以大大节约材料。
②半导体有光伏结构，必须要能形成内生电池对应的势垒。晶体硅太阳能电池掺杂磷和硼，形成P-N结，从而得到P-N结势垒。金属，半导体化合物能形成肖特基势垒。此外，还有异质结势垒等。基本的光伏原理和晶体硅太阳能电池类似。
太阳能电池的转换效率是衡量太阳能电池的关键指标。转换效率高低取决于电池材料的特性和整个系统的构架。
太阳能电池发电基于半导体材料的光伏效应，而由于半导体工业的飞速发展，硅材料成了最为普及的半导体材料，人类对于硅材料及其与其他材料相互作用的认识也达到了一个相当的高度。因此，硅基太阳能电池技术理所当然地成为了最先发展，也是目前最为成熟，应用最广的太阳能光伏技术。硅基太阳能电池一直占全球太阳能电池产量的94%以上。
硅基薄膜、多元化合物薄膜、燃料敏化等形形色色的替代技术随之诞生。
薄膜太阳能技术光吸收系数高，因此所需原料远少于晶体硅技术；生产工序能够实现连续化，相对于晶体硅技术的间歇操作，效率大大提高且易于规模化；能够生产大尺寸电池，有助于规模化生产。薄膜技术的优点都能帮助大幅度降低生产成本，因而被认为有可能将太阳能电池推向大众市场。特别是在目前多晶硅供应紧张，价格高的背景下，各国都加强了对薄膜太阳能电池的研究，以期能在下一代太阳能电池技术的竞赛中抢得先机。但目前的化合物薄膜都会用到稀有金属，原料的来源恐怕也是大规模生产后一个让人头疼的问题。
染料敏化TiO2纳米电池材料来源丰富且廉价，并可使用纯度不高的材料，大大降低了成本，也被认为是一种较有希望的选择。
太阳能电池的应用上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于通信供电。上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种清洁和直接的能源形式愈加重视，不仅在空间应用，在众多民用领域中也大显身手。如太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电独立系统、光伏水泵、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇路标、高速公路路标等。
欧美先进国家将光伏发电系统并人城市用电系统及边远地区自然村落供电系统。太阳电池与建筑系统结合，已经形成产业化趋势。太阳能光伏玻璃幕墙将逐步代替普通玻璃幕墙。它具有反射光强度小、保温性能好等特点。用双玻璃光伏建筑组件建成光伏屋顶，面积93平方米，日发电量最高达到18千瓦，年发电量平均达到5000千瓦，可以节省约1900公斤标准煤，减少排放二氧化碳6吨。在节省常规能源和减少二氧化碳排放方面具有重要意义。
1980年，美国宇航局和能源部提出在空间建设太阳能发电站的设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满太阳能电池，可提供500万千瓦电力。这需要解决向地面无线输电问题。现已提出微波束、激光束等输电方案。目前已用模型飞机实现短距离、短时间、小功率的微波无线输电，但离实用还有漫长的路程。
太阳能电池分类根据所用材料不同，太阳能电池可分为硅电池、多元化合物薄膜电池、聚合物多层修饰电极型电池、纳米晶体电池4类，其中硅太阳能电池发展最成熟，在应用中居主导地位。
(1)硅太阳能电池
硅太阳能电池分为单晶硅电池、多晶硅薄膜电池和非晶硅薄膜电池3种。
单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术最为成熟。实验室最高转换效率为23%，规模生产效率为15%，在大规模应用和工业生产中占据主导地位。由于单晶硅成本高，发展多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作为单晶硅电池的替代产品。多晶硅薄膜电池与单晶硅比较，成本低廉，效率高于非晶硅薄膜电池，实验室转换效率最高为18%，工业规模生产效率为10%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场占据主导地位。非晶硅薄膜太阳能电池成本低，重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，潜力极大。受制于材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响实际应用。如果进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池主要发展产品之一。
(2)多元化合物薄膜太阳能电池
多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，主要包括砷化镓Ⅲ-V族化合物、硫化镉及铜铟硒薄膜电池等。硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池高，成本较单晶硅电池低，易于大规模生产。由于镉有剧毒，会对环境造成严重污染，并不是晶体硅太阳能电池理想的替代产品。
砷化镓化合物电池的转换效率可达28%。GaAs化合物材料具有较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。GaAs材料价格不菲，限制了GaAs电池的普及。
铜铟硒薄膜电池适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为发展太阳能电池的重要方向。唯一问题是材料来源，铟和硒都是稀有元素，发展必然受到限制。
(3)聚合物电极型太阳能电池——可卷曲的电池
以有机聚合物代替无机材料，是太阳能电池研究方向。有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低，从而对大规模利用太阳能、提供廉价电能具有重要意义。以有机材料制备太阳能电池的研究刚刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率，都不能和无机材料，特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，有待于进一步探索。
(4)纳米晶体太阳能电池纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近开发的，优点在于廉价的成本、简单的工艺和稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10，寿命达到20年以上。此类电池的研究和开发刚刚起步，不久的将来会走上市场。
