文章來源：學習那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述光伏電池的分類。

概論

2025 光伏電池的研究起源可追溯至 1883 年，科學家 Charles Fritts 采用硒半導體材料研制出全球首個光伏電池，但該器件的光電轉化效率僅為 1%。此后直至 20 世紀 50 年代，貝爾實驗室研發出首款具備實際應用價值的硅基光伏電池。經過大半個世紀的技術推廣與產業發展，硅光伏電池已廣泛應用于軍事、建筑、交通等眾多領域，融入人們的日常生活。不過，當前光伏電池技術仍受限于成本偏高、能耗較大、污染較嚴重等問題，因此，科研人員對高效、廉價、環保的新型光伏電池技術的研發與探索從未停止，具有發展潛力的新興光伏電池技術也持續涌現。

截至目前，光伏電池的發展歷程大致可劃分為三個階段：第一代晶體硅光伏電池（涵蓋單晶硅電池與多晶硅電池）、第二代薄膜光伏電池（包含非晶硅薄膜電池及化合物半導體薄膜電池），以及第三代新型光伏電池（主要有有機聚合物薄膜光伏電池、染料敏化光伏電池和鈣鈦礦光伏電池）。經過多年研發，各類光伏電池的光電轉化效率均實現大幅提升，美國國家可再生能源實驗室（NREL）已詳細統計經認證的各類光伏電池光電轉化效率的發展趨勢。

硅基光伏電池

硅基光伏電池是發展最早且當前市場應用最廣泛的光伏電池類型，依據所用材料的差異，可分為單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池與非晶硅光伏電池三類，具體如圖 1 所示。

單晶硅光伏電池于 1954 年在貝爾實驗室問世，經過半個多世紀的技術迭代與工藝優化，其結構設計和制備流程已逐步成熟。其中，單結非聚光型單晶硅光伏電池經 NREL 認證，最高光電轉化效率達 26.1%，在各類光伏電池中始終保持效率領先。不過，該類電池的原材料單晶硅棒需達到 5N 級別純度（即 99.999%），較高的提取難度、高昂的生產能耗以及復雜的制備工藝，導致單晶硅光伏電池的生產成本一直居高不下，因此其應用場景多集中在航天與軍事等對性能要求嚴苛的領域。

多晶硅光伏電池中的多晶硅薄膜，由眾多尺寸不一、晶面取向各異的小晶粒組成，其原材料來源于冶金級硅材料、含單晶顆粒的聚集體以及廢棄或次優的單晶硅材料，后續通過熔化澆注工藝制成。相比單晶硅光伏電池，多晶硅光伏電池在生產過程中的能耗與成本大幅降低，而光電轉化效率僅略有下降 —— 經 NREL 認證，其最高效率為 22.3%。

自 1976 年美國科學家 Carlson 與 Wronski 研制出首個非晶硅光伏電池后，該類電池逐漸成為全球光伏領域的研究焦點。需要注意的是，單晶硅與多晶硅均屬于非直接帶隙半導體，光吸收系數較低；而非晶硅作為直接帶隙半導體，擁有更高的光吸收系數，僅需一層較薄的非晶硅材料就能高效利用太陽光。此外，非晶硅薄膜還具備原材料來源廣泛、反應溫度低（可耐受 200℃溫度環境）等特點，這使其在制備工藝復雜性與生產成本控制方面也具備顯著優勢。

全球范圍內涌現出眾多以非晶硅光伏電池為核心產品的企業或企業分支，例如美國 CHRONAR 公司不僅搭建了滿足自身生產需求的生產線，還籌建了 6 條兆瓦級生產線，向海外市場輸出技術與產品。在我國，也出現了拓日新能、贛能股份等涉及非晶硅光伏電池業務的上市公司。據統計，20 世紀 80 年代中期，非晶硅光伏電池在全球光伏電池總銷量中的占比已達到 40%。發展至今，經 NREL 認證的非晶硅光伏電池最高光電轉化效率為 23.3%。若未來能進一步提升其光電轉化效率，并解決當前存在的電池穩定性較差等問題，非晶硅光伏電池無疑將成為太陽能電池領域的核心產品之一。

化合物半導體薄膜光伏電池

化合物半導體薄膜光伏電池是一類擁有創新結構的光伏器件，具備光電轉化效率高、原材料消耗少、襯底成本低、性能穩定等優勢，近年來實現快速發展且逐步投入實際應用。常見的化合物半導體薄膜光伏電池主要包括碲化鎘（CdTe）薄膜光伏電池、銅銦硒（CIS）薄膜光伏電池、銅銦鎵硒（CIGS）薄膜光伏電池與銅鋅錫硫（CZTS）薄膜光伏電池四類 ，具體如圖 2 所示。

碲化鎘屬于直接帶隙半導體材料，擁有理想的禁帶寬度（1.45eV），其光譜響應特性與太陽光譜高度匹配，不僅轉化效率高，且電池性能穩定。RCA 實驗室采用 CdTe 單晶鍍銦（In）合金的方式，研制出全球首個碲化鎘薄膜光伏電池，當時效率僅為 2.1%；20 世紀 80 年代初，Kodak 實驗室將該類電池效率優化至 10%。如今，經 NREL 認證的碲化鎘薄膜光伏電池最高效率已達 22.1%。該電池在大面積應用場景中展現出良好的市場潛力，但仍存在含重金屬元素等亟待解決的問題。

CuInSe?（CIS）同樣是直接帶隙半導體材料，其禁帶寬度（1.0eV）較小，也能與太陽光譜匹配，且器件性能穩定，無 ulele 光致衰減效應。1974 年，美國貝爾實驗室首次研發出單晶 CIS 薄膜光伏電池。近年來，各國科研人員在 CIS 薄膜制備技術上取得顯著突破，但 CIS 薄膜光伏電池仍面臨轉化效率偏低、含重金屬等問題。

CIGS 薄膜光伏電池與 CIS 薄膜光伏電池幾乎同時出現，具有禁帶寬度可調（1.04~1.7eV）、光譜吸收范圍廣、光吸收系數高、電池性能穩定、無光致衰減效應、制造成本低廉、可采用柔性襯底等優勢。2008 年，西班牙建成并成功運行了裝機容量 3.24MW 的 CIGS 光伏電站，標志著 CIGS 薄膜光伏電池進入商業應用階段。目前，非聚光型 CuInGaSe?薄膜光伏電池經認證的最高效率已達 23.4%，展現出良好的發展態勢。不過，CuInGaSe?薄膜光伏電池仍存在含銦（In）、硒（Se）等稀有元素的問題，一定程度上限制了其大規模推廣。

2010 年 IBM 公司報道 CZTSSe 光伏電池后，研發不含毒性元素硒（Se）的 CuZnSnS（CZTS）薄膜光伏電池，逐漸成為光伏領域的研究熱點。通過采用地殼中儲量豐富的鋅（Zn）、錫（Sn）替代稀有元素銦（In）、鎵（Ga）的工藝設計，CZTS 薄膜光伏電池的制造成本得以大幅降低，更利于大規模推廣應用。中國、德國、日本等多個國家均對 CZTS 薄膜光伏電池展開深入研究，但目前科研人員對 CZTS 薄膜的特性與結晶性能掌握尚不充分，且電池制備流程復雜，器件能量轉化效率偏低、性能重復率不高，仍是需要突破的關鍵問題。

有機聚合物薄膜光伏電池

有機聚合物薄膜光伏電池是一類極具發展潛力的光伏技術，具有原材料合成成本低廉、功能調控便捷、可通過低溫工藝制備等優勢。該領域的研究最早可追溯至 20 世紀 50 年代末期，而重大突破則來自鄧青云博士于 1986 年報道的雙層結構染料光伏器件—— 該器件以酞菁衍生物作為電子給體，以四羧基芘衍生物作為電子受體，構建出雙層異質結結構。隨后研發的以聚合物 MEH-PPV 為電子給體、C??衍生物 PCBM 為電子受體，通過材料共混制備的本體異質結器件，將效率進一步提升至 2.9%。截至目前，經認證的單節有機聚合物薄膜光伏電池最高光電轉化效率已突破 18.2%。

有機聚合物薄膜光伏電池主要分為單層肖特基電池、雙層 P-N 異質結電池與體相異質結電池三類，具體如圖 3（a）~（c）所示。其中，單層肖特基電池結構簡單，僅一層同質單一極性的有機半導體材料嵌入兩電極之間，電荷運動的驅動力，來源于有機半導體的 π 軌道能級與功函數較低的金屬電極之間形成的肖特基勢壘或內建電場；在雙層 P-N 異質結電池中，電子給體與電子受體有機材料分層排列，形成平面型給體 - 受體（D-A）界面，更有利于電荷的收集；體相異質結電池中，給體與受體材料均勻混合成膜，形成互穿網絡結構，使 D-A 界面廣泛分布，大幅增加了給體與受體材料的接觸面積。

如圖 3（d）所示，經過多年探索，有機聚合物薄膜光伏電池在技術研發上取得一定成果，但相較于其他類型光伏電池，仍存在光響應范圍較窄、載流子遷移率偏低、光電轉化效率有待提升等問題；此外，有機材料器件的穩定性欠佳，也在一定程度上限制了其實際應用場景的拓展。

染料敏化光伏電池

染料敏化光伏電池(DSSC)于1991年由瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)的Gratzel教授提出,具有原材料豐富、工藝簡單、成本低廉、穩定性較高、對環境友好、可制備柔性器件、易于大規模工業化生產等優點,一問世便受到了研究人員的廣泛關注。染料敏化光伏電池如圖4所示。經過幾十年的發展,其研究工作在染料、電極、電解質等方面均取得了很大進展。DSSC經NREL認證的最高效率為13%,效率只有硅基光伏電池的一半左右,但制備成本大約僅有硅基光伏電池的1/10~1/5,預計每峰瓦的電池成本在10元以下,器件使用壽命可達到15~20年,并且制備電池所需能耗較低,能源回收周期短,性價比極高, 理論發電成本基本與化石燃料的持平,極具發展潛力。但一些問題仍未得到妥善解決,如電解液中存在不可逆反應及液體的揮發和泄漏、染料中含有昂貴且污染環境的釕元素等,阻礙了染料敏化光伏電池的進一步發展。

有機 - 無機雜化鈣鈦礦光伏電池

有機 - 無機雜化鈣鈦礦光伏電池（簡稱 PSC）由染料敏化光伏電池衍生發展而來。2009 年，日本桐蔭橫濱大學的 Miyasaka 團隊首次報道了具有鈣鈦礦晶體結構的 CH?NH?PbI?與 CH?NH?PbBr?材料，可作為光敏化劑應用于染料敏化光伏電池中，初步實現了 3.8% 的光電轉化效率；但該類材料在液態電解質中穩定性極差，器件僅幾分鐘后便完全失去效能。

2012 年，韓國成均館大學（SKKU）Park 教授課題組將 Spiro-OMeTAD 用作固態空穴傳輸層融入電池結構，成功制備出全固態鈣鈦礦電池器件，其光電轉化效率可達 9.7%，并表現出優異的穩定性。自此，鈣鈦礦光伏電池成為光伏領域的研究焦點 —— 在短短數年時間里，基于有機 - 無機雜化鈣鈦礦材料的新型光伏電池效率已從 3.8% 躍升至 25.7%，最高效率與發展較為成熟的多晶硅、碲化鎘及銅銦鎵硒光伏電池不相上下。

作為光吸收層的有機 - 無機雜化鈣鈦礦材料，具備直接帶隙 、寬吸收光譜 、高光吸收系數、禁帶寬度可調、高載流子遷移率等顯著優勢；同時，該類電池制備工藝簡便、成本低廉且支持溶液加工，與適用于大規模生產的卷對卷技術工藝高度適配。此外，鈣鈦礦晶體薄膜的制備溫度較低（通常不超過 150℃），可適配各類柔性襯底，能夠滿足電子產品輕量化、薄型化、可折疊及可穿戴的發展需求。值得注意的是，鈣鈦礦電池屬于全固態器件，無需使用液體電解質，因此無需像染料敏化光伏電池那樣擔憂電解質泄漏引發的污染問題；且與有機材料相比，有機 - 無機雜化鈣鈦礦材料的穩定性更高。綜合來看，有機 - 無機雜化鈣鈦礦光伏電池擁有廣闊的產業化前景，是現有商用光伏電池的有力競爭技術。

當前，有機 - 無機雜化鈣鈦礦光伏電池仍存在諸多亟待解決的問題，例如材料中含鉛成分易造成環境污染、器件對環境濕度較為敏感、高溫穩定性偏低、難以實現大面積制備等。該類電池的發展尚處于研發探索階段，初期面臨各類挑戰屬于正常現象。由于其能量轉化效率具備顯著提升潛力，越來越多的研究人員投身于該領域，通過深入探究材料特性及電池相關作用機理，未來必將找到針對性的改進方案，逐步解決當前面臨的問題。