1.1 能源环境趋势

随着现代科学技术的快速发展，经济社会对能源的需求不断加剧。据统计，地球的能源组成为：可再生能源占据26.5%，不可再生能源则占据73.5%。以天然气等为主要代表的传统能源日益匮乏，根据2015年6月发布的《BP世界能源统计年鉴》显示。截止2014年底，在世界范围内探寻到的石油储量为2398亿吨，天然气为187.1万立方米，按现有的人口消耗量预估可以满足全球分别使用52.5年和54.1年。伴随着能源危机，长期的化石能源消耗带来的环境问题也日益严重，特别是进入21世纪以来，人类活动引发的全球环境、能源以及气候问题已经对全球自然生态系统造成了不可估量的损害 [1]。因此，寻找可再生的、环境友好的清洁能源替代传统能源是具有重大意义的。

为此，世界各国政府都出台相应的能源战略决策来解决或缓解能源危机带来的问题，降低人类活动对自然生态的影响。在这一国际趋势的背景下，我国在2020年联合国大会上基于本国基本国情明确“双碳”战略，即在2030年实现“碳达峰”、2060年实现“碳中和”的宏远目标。其中，风能、核能、地热能、水能、太阳能等可再生能源的高效开发利用是推动实现“零碳排放”这一宏远目标的主要依托方式。然而大部分清洁能源的发展由于自身的特点或多或少受到了一定的限制。例如，风能、水能以及地热能受到地理条件的限制，不能大规模、有选择地利用；核能会不可避免地产生核废料造成一定的泄露风险。而以光伏电池为代表的太阳能具有绿色环保、应用范围广、寿命长、回收周期短等诸多优势，使其成为开发清洁可持续能源、实现健康低碳生活最有效的技术。

太阳能可以说是一种“取之不尽、用之不竭”的“无限”供应型清洁能源。太阳能产生于太阳内部持续的聚变反应，是太阳以辐射方式被地球所接收的一种能量。就能量利用率而言，虽然最终到达地球的能量相对于太阳释放的能量非常少 (仅为太阳散发能量的二十二亿分之一，约为3 × 10 24焦耳)，但这却是足以使得地球上的各种生物生存繁衍下来。据估算，只要用能量转换效率为10%左右的太阳能电池组件去覆盖地球0.1%的区域，所获能量就可以满足全球当年的能源需求 [2]。在成本上，截止2020年底光伏电站发电的成本约在0.36元/度，已经接近主流的脱硫燃煤电价，并预计在未来的五年或十年后这一数值会降至约0.30元/度 [3],[4]。图1.2是欧盟委员会联合研究中心预测的到2100年太阳能发电占世界能源总消耗量的比例。可以看出从2030年开始，太阳能发电在世界能源消耗中的占比呈现逐年增加的趋势，到本世纪末将占能源总消耗量的一半以上。目前，利用太阳能发电的光伏产业受到广泛关注，基于太阳能电池的光伏技术开发与利用是被认为最有可能解决目前传统能源危机及环境问题的代表性技术之一。

回顾我国的能源战略与方针，已重点明确开发新型能源的战略性地位，特别是围绕清洁、丰富太阳能的开发与利用。同时，在历年的全国两会中，7次两会政府报告中有5次提及到光伏，国务院总理李克强也在近期做出“继续发展水电、风电、太阳能发电等清洁能源”的指示。为此，大力发展光伏等新型能源必将在未来国家的政治、经济、民生中扮演非常重要的角色。

1.2 世界及中国太阳能资源分布情况

从全球光伏资源分布来看，南美洲大部分地区以热带气候为主，包括有热带雨林气候和热带草原气候。由于南美洲的西部存在有呈带状分布的热带沙漠气候和地中海气候，使得北美洲西南部方全年平均温度较高且冬季没有严寒。此外，该地区的地势较为平坦，适合开展大面积太阳能热发电技术的研究 [5]。

此外，对于非洲来说，其独特的地貌导致其光伏资源丰富，是全球最丰富的太阳能资源基地。非洲整体而言除了中西部地区，其太阳辐照强度和总量都是非常可观的。地理条件上，南非中部地区的地势地貌以高原为主，年均日照量约为1800千瓦小时/m2。特别是在撒哈拉沙漠附近，其空气稀薄导致太阳光的折射和反射比例较小，大部分地区的年平均日照时间超过3500小时，为其开展光伏技术开发提供了良好的地理基础  [6]。澳大利亚位于南半球的南太平洋上，纬度较低，终年正午太阳高度角较大，降水稀少，多晴朗天气，太阳辐射强,太阳能丰富 [7]。相比下，欧洲受维度等因素影响，并不是一个光照资源丰富的地区。

我国国土面积广阔，领土面积达960万平方公里。跨幅辽阔，从南到北，自西至东，距离都在5000 km以上。其中以西藏西部地区的青藏高原附近的辐照强度最大。这是因为该地区具有以下特点：纬度低、海拔高 (> 4000 m)，大气层薄而清洁，透光度好，全年日照时间长 (2900~3400 h)，年辐射总量高 (7000~8000 MJ/m2)。总体来说，我国的太阳能资源相较于同一纬度的其他国家而言，除四川盆地机器附近区域，大部分地区的太阳能资源较为丰富，这使得太阳能技术的开发与利用在我国具有地理上的优势 [8]。

2.1 太阳能电池的开发与设计

太阳能电池是一种通过光电效应或光化学反应直接实现光能转化成电能的器件的总称，根据其吸光层材料不同可以大致分为一二三代太阳能电池。

图2.1 太阳能电池结构示意图

以新型太阳能电池结构为例。从结构上来看，太阳能电池一般是由多层材料堆叠起来的器件，其中起到光吸收作用的部分称之为吸收层，为器件的核心部分。此外，为了构建内建电场起到载流子分离的能力，常见的是在吸光层的两侧引入空穴传输层以及电子传输层，起到快速载流子的分离和提取的目的。此外，常用金属电极（作为阴极）和透明导电衬底（作为阳极）实现电子和空穴的收集。相比之下，传统的硅基电池除了光吸收层外，还包括有钢化玻璃、乙烯-醋酸乙烯共聚物 (EVA)、硅基电池片、背板、密封胶、铝合金保护压层及接线盒等部分 [9]。

图2.2 光电效应示意图

我们知道，光能转化为电能的一个重要前提是光电效应。当一束太阳光照射到半导体材料表面时，材料吸收太阳光的光子能量，导致内部电荷分布发生变化，材料中的电子会被激发形成电流。这一现象由德国物理学家赫兹于1887年首次发现，爱因斯坦直到1905年才给出合理解释。如图2.2所示，科学家发现材料表面用蓝光照射比用红黄光照射更容易产生光电效应，也就是说蓝光照射下的遏止电压更小。入射光的强度只影响光电流的强弱，因此，在照射光频率不变的情况下，入射光强度越大饱和电流也越大 [10]。

入射光的强度只影响光电流的强度，因此，当照射光的频率不变时，入射光的强度越大，饱和电流越大。

针对这一现象，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程：Ek = hʋ-W0，并且认为光在空间中的传播不是连续的，而是一份一份的，并且把每一份叫做一光子能量。为此，当一束光照到光敏型半导体的表面时，该能量可以被物质中的某一电子吸收，造成该电子的动量增加，当动量增加到超过电子逃离原子所需要吸收的能量时，它就会在极短的时间内飞出材料表面，形成光电子并产生光电流。也就是说只有当hʋ >W时，当光子的能量大于电子逃逸所需的吸收能量时，电子可以逃逸并具有一定的动能，光子的能量越大，该逃逸电子的动能越高 [11]。

图2.3 半导体跃迁方式

光电效应在太阳能电池中的应用也是如此。当太阳光照射到太阳能电池上时，光子所具有的能量被光半导体吸收，半导体价的价电子被导带激发，在价带上留下空穴。例如这个就是一个挤满人的公交车，价带相当于是公交车内，而导带则是公交车外。由于人流量十分的密集，所以在车子内的人是很难移动，只能在一定区域内微小移动。但是，当到了一个站点 (相当于吸收能量)，有人下车了 (电子跃迁到导带)，这时候车内 (价带) 就产生了空穴，此时车内和车外的人流就可以移动起来。此时，将电子和空穴的定向流动称为电流。需要注意的是，半导体中的光生电子空穴极易复合，导致电流产生不了。为此必须在产生电子、空穴的同时将其进行分离 [12]。为此，构建合适且可靠的p-n结来获得内建电场，是实现太阳能电池中电子和空穴分离所常用的手段。[13]。

2.2 光伏参数

图2.4 太阳能电池的等效电路图

图2.4为理想的太阳能电池的等效电路图。由于太阳能电池的工作原理和p-n结型的二极管相似，所以在此处用二极管替代。其中，在连接负载电阻R时，称太阳能电池受到光照所产生的光生电流为IL。此外，通过正向偏置二极管p-n结的漏电流称为暗电流 (ID)。在器件制造中，材料的体电阻、界面接触电阻、扩散层的横向电阻以及金属电极四部分构成串联电阻Rs；电池表面污染、材料晶体缺陷引起的边缘泄漏或耗尽层内的复合电流等都会诱发并联电阻Rsh。因此，为了更进一步评估太阳能电池器件的优劣，研究人员提出了以下几个重要参数，包括：短路电流密度，开路电压，填充因子，能量转换效率以及外量子效率。

太阳能电池的器件性能一般通过电流密度-电压 (J-V) 特性曲线来衡量。通过直观的J-V曲线我们可以得到一些基本的参数如下 [14]：

 图2.5 太阳能电池的J-V特性曲线

1. 短路电流 (Jsc)

在固定温度和光照强度下，J-V曲线中与纵坐标的交点就是短路电流，此时电池处于短路状态，输出电压为零。短路电流是偏压为零时电池输出的最大光电流，一般以单位面积的短路电流即短路电流密度来代替短路电流，单位是mA/cm22024澳门精准正版资料。短路电流与入射光强和内转化效率有关，因此，增强对入射光的吸收和提高激子的分离以及载流子的迁移率是提高短路电流的关键。同时，增大器件受光面积，也可以提高短路电流的数值大小。

2. 开路电压 (Voc)

在固定温度和光照强度下，当电路为断路时即电流为零时，两电极之间的电位差就是开路电压。即J-V曲线中横坐标的交点称为开路电压。太阳能电池中，开路电压一般取决于吸光材料的禁带宽度和激子分离能的能耗，与电池的面积无太大关系。

3. 填充因子 (FF)

填充因子是太阳能电池的重要参数之一，其定义是最大能量输出点对应的电流和电压的乘积与短路电流和开路电压乘积的比值，通常用FF表示如下：

FF = (Jm × Vm)/(Jsc × Voc)

计算得到。其中 Vm和 Jm表时最大输出功率 Pm点下对应的电压和电流密度值。填充因子一般与电池中串联和并联电阻有关。通常，太阳能电池的减小器件的串联电阻，提高并联电阻，有利于优化填充因子数值，也就是在最大功率点出围成的矩形面积越大，且越接近正方形。

4. 能量转换效率  (PCE)

最大输出功率 (Pout) 与入射光功率 (Pin) 的比值即为能量转换效率。通过公式计算如下：

PCE = Pout/Pin = Jm × Vm/Pin = FF × Voc × Jsc/Pin

实验室中，一般用AM 1.5G的太阳能模拟器来代替自然环境的太阳光作为行业标准，入射光的Pin为1000 W/m2。PCE值是直接衡量太阳能电池的指标，与电池的结构、所用材料的性质、工作状态及操作温度等有关。

5. 外量子效率 (IPCE)

外量子效率是入射光转化为电流的效率即产生的电子数与入射的光子数之比。公式为：

IPCE (λ) = Ne/Np=[Jsc (λ)/e]/[Pin(λ)/hν]=[1240 × Jsc (λ)]/[Pin(λ) × λ]

其中λ为单色光的波长，ν为对应的单色光的频率，Pin (λ)为相应波长下入射光的能量，Jsc (λ)为太阳能电池在能量为Pin (λ)的入射光照射下产生的光电流。在此公式中，λ为单位nm，Jsc单位为μA/cm2，Pin (λ)单位为W/m2。通过计算可以得出Pin (λ)强度单色光产生的光电流Jsc (λ) =EQE (λ)×Pin (λ) × λ/1240。通过对Jsc (λ)在入射光范围内积分，即可得到太阳能电池的短路电流Jsc。

2.3 太阳能测试指标

图2.6 太阳能光谱图

太阳辐照强度是太阳能电池测试的重要指标，指到达地面的太阳辐射强弱。通常受到纬度位置、天气状况、海拔高度及日照长度等影响。太阳光通过辐射方式穿过大气层到达地表时，要经历大气中的尘埃、水蒸气以及空气分子等作用，这些分子会对太阳光造成反射、吸收和散射等作用，使得太阳光的强度、方向以及光谱分布发生了变化。根据太阳光的辐射类型，大体可分为直达日射 (直接辐射) 和漫射日射 (散射辐射) 两种。其中，直接辐射是来自于太阳光辐射方向不发生改变的辐射，是实际应用中主要利用的部分；散射辐射是被大气反射和散射后方向发生改变的太阳辐射，变化范围较大，当天空晴朗时，散射辐射一般占总辐射的10%。

大气对地球表面接收太阳光的影响程度一般用大气光学质量 (Air Mass, AM) 来描述，定义为太阳光辐射通过的实际路径与太阳光垂直入射时的路径比。大气光学质量AM0 时即为地球外空间接收的太阳光，适用于计算人造卫星、航天飞机以及空间站等的辐照量。大气光学质量AM1为太阳光与地球表面垂直时，相当于晴朗的夏日时，海平面所接收到的太阳光。实际情况下，太阳光并非垂直入射，而是会与地面法线成一定角度θ，此时大气光学质量表达为：AM=1/cosθ。当θ=48.2°时，大气光学质量为AM1.5，辐射总量为1000 W/m2。为此，实际应用中一般选取AM1.5作为太阳能电池能量转换效率的测试标准。

3.1 太阳能电池发展历史

1839年，法国物理学家E. Becquerel通过把两个铂片放入卤化物溶液中，发现在光照下回路中有电流通过，这是人类最早观测到的光伏现象。澳门正版资料免费大全新闻最新大神

1877年，W. G. Adams和R. E. Day通过对硒的光伏效应研究，发现硒半导体在太阳光的照射下能够产生电流。

1883年，美国科学家C. Fritts首次制备了30 cm2的大面积硒薄膜太阳能电池，器件的转换效率仅为1%。

1905年，德国物理学家爱因斯坦从理论上解释了光电效应，并于1921年获得了诺贝尔物理学奖。

1941年，美国Bell实验室的R. S, Ohl在硅半导体上发现了光伏效应，并提出了p-n结太阳能电池的概念。

1954年，美国Bell国家实验室Pearson等人利用制备了第一块具有实际应用价值的太阳能电池，并获得转换效率为6%的器件，标志着人类将太阳能转变为电能的可能。

1958年，硅基电池首次应用于空间技术发展。

1985年，澳大利亚西南威尔士大学制备出效率大于20%的硅太阳能电池，实现性能大大幅度提升。

2000年，世界光伏电池年产超过300 MW，安装总量超过1000 MW。表明太阳能电池从实验室走向产业化。直至今日，多类电池性能都达到了前所未有的高值，并且呈现出多元化方向发展，包括叠层电池、多结电池、多材料种类电池。

3.2 太阳能电池分类

随着现代科技的不断发展，各种类型的太阳能电池层出不穷。根据材料种类及发展可将其大致分为三代。第一代主要是指单晶硅和多晶硅为代表的晶体硅太阳能电池，其在实验室的光电转换效率已经分别突破到27.6%和23.3% [15]。硅半导体的研究主要是受微电子行业高速发展的推动。在这背景下，极大程度上促进了单晶硅制备技术的提高，包括电池结构、制备工艺等的完善成型，直接促进了太阳能电池器件性能的提高。虽然多晶硅电池在实际应用和工业生产中占据主要地位，但是它的进一步发展受限于超高纯度 (99.999%) 的单晶硅棒。该类高纯晶体硅的提炼过程难度大、制备工艺复杂化且成本高昂，使得其成本居高不下。相比之下，采用熔化浇注方法将含有大量单晶颗粒的聚集体、冶金级的硅材料或废次的单晶硅材料进行二次利用生产出多晶硅材料，用于制备多晶硅太阳能电池。虽然该方法实现了硅材料生产过程中成本的降低，但也存在着复杂的工艺及较低的性能等局限性 [16]。

第二代电池是基于非晶硅薄膜以及化合物半导体薄膜的薄膜太阳能电池，主要包括砷化镓 (GaAs)、碲化镉 (CdTe)、铜铟硒 (CIS)、铜铟镓硒 (CIGS) 等薄膜材料。这类薄膜电池在高温环境下的性能衰减较小，并且可以在弱光等条件下工作。同时，相较于传统的刚性硅基电池，其薄膜的柔性、轻便及制备工艺简单等特点进一步拓展了其优势。目前，CIGS薄膜电池经美国能源局 (NREL) 认证的最高效率为23.4% [15]。然而，由于薄膜材料的缺陷数目较多，器件稳定性不高。在日常操作下效率衰减严重，在一定程度上制约了此类电池的推广应用。

图3.1(a) 卤化物钙钛矿典型ABX3晶体结构示意图及 (b) 有机无机及全无机杂化钙钛矿材料的多功能性及其吸收可调性。

来源于Y. Zhou, Y. Zhao, Energy Environ. Sci. 2019, 12, 1495.

C. Yi, M. Grätzel. et al, Energy Environ. Sci. 2016, 9, 656.

第三代电池是以纳米晶电池、量子点电池、染料敏化电池、有机以及钙钛矿太阳能电池等为代表的新型电池。此类电池既有传统硅基器件的高性能，同时也兼顾第二代薄膜电池的优势。其中，钙钛矿太阳能电池作为其中的杰出代表，具有低温溶液可加工特性、工艺简单、价格低廉及兼容柔性衬底的特点。相比于传统晶硅太阳能电池的昂贵造价 (500-700 元/m2)，钙钛矿太阳能电池成本低至100 元/m2 [17]。相应的性能也从2009 年被首次报道以来，在短短十年间，单节器件的最高认证效率已经突破到25.7%，钙钛矿/硅叠层电池的最高效率也已经突破到了29.80%，快速逼近传统的硅基太阳能电池 [15]。目前，光、热、湿度等不稳定性是限制钙钛矿太阳能电池的产业化的关键性科学问题。

图3.2 钙钛矿模组化：(a) 刚性钙钛矿微型模块；(b)卷对卷柔性模块；(c)喷墨打印技术制造的半透明模块；(d) 丝网印刷组件 (e) 电源集成系统。

来源于Y. Rong, H. Han. et al, Science. 2018, 361, eaat8235.

总之，太阳能电池的开发与利用呈现出多种电池并驾齐驱、欣欣向荣的新局面。同时，立足国家“碳中和、碳达峰”及 “十四五”时期节能减排的背景下，基于光伏清洁能源技术的新能源产业将迎来新的机会。主流的晶硅太阳能技术仍然是目前商业化的主力军，以钙钛矿为代表的第三代太阳能电池在进入2020年后呈现出快速发展的趋势。据报道，协鑫纳米已投入大量资金用于建设100 MW量产生产线，致力于提高组件面积 (1 m × 2 m)，及组件光电性能的大幅提升。预估在现有的工艺条件下，100 MW产线的钙钛矿光伏组件的成本预计将低于1元/W，量产组件的工作寿命将达到25年以上 [17]。因此，光伏发电的未来是充满前景的，其性能的进一步提高需要学术界、产业界等研究人员的协同努力，共同推动其产业化进程，实现国家能源结构调整及双碳目标。

[1] B. p.l.c., 2015, https://www.bp.com/.

[2] B. Xia, Z. Wu, H. Dong, J. Xi, W. Wu, T. Lei, K. Xi, F. Yuan, B. Jiao, L. Xiao, Q. Gong, X. Hou, Journal of Materials Chemistry A 2016, 4, 6295-6303.

[3] 孟丹, 能源与节能 2021, 12, 22-25.

[4] 陈丽华, 机电信息 2021, 29, 64-66.

[5] CSPFocus光热发电资讯, 2020, https://guangfu.bjx.com.cn/news/20200629/21084616.shtml.

[6] PVInfoLink, 2021, https://guangfu.bjx.com.cn/news/20210104/21126919.shtml.

[7] 中国科学院电工研究所, 2014, http://www.cnste.org/html/jishu/2014/0522/2031.html.

[8] 谭老师地理工作室, 2022, https://www.163.com/dy/article/H177BVI161R0516DHVE.html.

[9] M. ENERGy, 2021, https://www.mbt-energy.cn/news/industry/2111152.html.

[10] 物理前沿探索者, 2021, https://zhuanlan.zhihu.com/p/377644281.

[11] 搜狐号, 2019, https://www.sohu.com/a/295006669_299945587.

[12] 科普中国, 2019, https://www.kepuchina.cn/wiki/faq/201905/t20190529_21061299.shtml.

[13] T. SON, 2019, https://zhuanlan.zhihu.com/p/62638615.

[14] QAQAQ, 2022, https://zhuanlan.zhihu.com/p/444059841.

[15] NREL, 2022, https://www.nrel.gov/pv/device-performance.html.

[16] 冯丁帅, 2020, https://solar.in-en.com/html/solar-2365635.shtml.

[17] 能源评论, 2019, https://www.kesolar.com/comment/130259.html.