摘 要：太阳能电池是半导体材料吸收太阳的光能并将其转化为电能的装置。太阳能与风能、潮汐能等都是新能源，但因其污染小、可利用率高、资源分布广泛和使用安全可靠等独特的优势，让它在能源领域中具有广阔的发展前景。新兴的太阳能电池有晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电池、钙钛矿太阳能电池。目前，太阳能电池已经商业化与大众化，特别是一些小功率、小器件的太阳能电池，由于其成本低，在一些地区已经广泛使用，抢占了市场先机。下面我将按照太阳能电池的时间发展顺序进行简要介绍，同时也对未来发展进行描述。
关键词：太阳能电池、发展阶段、应用前景
图1. 太阳能电池动力小摆件（自制）
一、引言
太阳能电池主要由半导体材料制成，如单晶硅、多晶硅等。其基本结构是在半导体材料上涂抹一层薄膜，这层薄膜可以是任何一种颜色，但通常为黑色，以便更好地吸收太阳光。当太阳光照射到太阳能电池上时，半导体材料中的电子被激发，从而产生电流。太阳能电池的工作原理可以分为三个步骤：吸收、转化和收集。吸收指太阳能电池通过半导体材料吸收太阳光能。半导体材料中的电子被太阳光能激发，进入导电状态。转化是指在电子被激发后，它们会在半导体材料中移动并形成电流。这个过程就是太阳能转化为电能的过程[1]。收集是指收集系统将电流导入电路中，以供使用。
根据使用的半导体材料和制造工艺的不同，太阳能电池可以分为以下几种类型：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。单晶硅太阳能电池是目前市场上最常见的一种太阳能电池[2]。它的制造工艺成熟，效率较高，使用寿命较长，因此被广泛使用。但是，由于其制造成本较高，因此价格也相对较高。多晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池相比，其制造工艺简单，制造成本较低，因此价格相对较低。但是，由于其效率较低，因此需要更多的阳光才能产生足够的电力。薄膜太阳能电池是一种新型的太阳能电池，其制造工艺简单，制造成本低，适合大规模生产。它的效率较低，但可以做得更薄、更轻便，因此被广泛应用于移动设备和其他需要轻量化的应用中。钙钛矿太阳能电池兼具了转化效率高，制作成本相对低的优点，在未来电池的发展中会应用更加广泛，有望推动电池行业更加绿色健康发展。
图2 有机太阳能电池的光电转换物理过程[1]
二、太阳能电池的发展
太阳能发展了近200年[3]。太阳能电池的概念最早由法国物理学家爱德蒙·贝克勒耳在 1839 年提出。他发现，当光照射到某些材料上时，会产生微弱的电流。这一现象被称为光电效应，为太阳能电池的发展奠定了基础。最早的太阳能电池是由硒元素制成的，其原理是将太阳光能转换为电势差，从而产生电流。
在 19 世纪末，美国发明家查尔斯·费德尔和威廉·莫尔斯发明了第一种实用的太阳能电池，即硒光电池。这种光电池利用硒的光电效应将太阳能转化为电能。然而，硒光电池效率低下且成本高昂，限制了其应用范围。
在 20 世纪初，科学家们开始探索其他材料，如硅、铜等，以制造更高效的太阳能电池。在这个阶段，太阳能电池的效率较低，主要用于科学研究和实验目的。
进入21世纪后，晶硅太阳能电池PERC（Passivated Emitter and Rear Contact，钝化发射极及背接触电池）技术的出现，极大地提升了晶硅太阳能电池的转换效率。此技术通过优化电池的前后表面结构，减少了复合损失，提高了光电转换效率。
与此同时，薄膜太阳能电池和新型太阳能电池也逐步崭露头角。薄膜太阳能电池以铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）等为代表，它们具有材料用量少、可弯曲、弱光效应好等优点，特别适合在分布式光伏系统中应用。尽管薄膜太阳能电池在实验室中的光电转换效率较高，但在实际应用中仍面临成本较高、稳定性不足等问题。新型太阳能电池如钙钛矿电池、染料敏化电池和量子点电池等也逐渐受到关注。这些新型电池在光电转换效率、材料成本和制备工艺等方面都展现出巨大的潜力。特别是钙钛矿电池，以其高效率、低成本和可设计性强的优势，被认为是最具前景的太阳能电池技术之一。近年来，钙钛矿电池的研究取得了重要进展，逐渐开始走向商业化应用。
图3 1981年“太阳挑战者”号飞行照[3](沈阳航空航天大学, 2018, P13)
2.1 晶体硅太阳能电池
晶体硅太阳能电池利用晶体硅的能带结构，将太阳光能转换为电能。当太阳光照射到晶体硅表面时，光子能量大于硅的禁带宽度时，电子从价带跃迁到导带，形成光电流。晶体硅太阳能电池具有效率高、稳定性好、寿命长等优点。硅电池发展如表1所示。
2.2 薄膜太阳能电池
薄膜类太阳能电池包含的种类非常丰富，其中，砷化镓薄膜太阳能电池的转换效率已达到惊人的30%以上[4]，但由于成本太高，应用受到很大的限制。薄膜太阳能电池的早期研究主要集中在实验室研究人员通过不同的材料和工艺，探索提高薄膜太阳能电池的效率。这一阶段的成果为后续的商业化生产打下了坚实的基础。随着光伏技术的不断发展，薄膜太阳能电池逐渐被应用于各种领域。其轻量化、可弯曲的特点使其非常适合用于可穿戴设备、便携式电子产品等领域。此外，薄膜太阳能电池也可用于建筑、汽车等领域，为绿色建筑和电动汽车的发展提供了有力支持。在技术方面，薄膜太阳能电池不断取得突破。新材料、新工艺的研发使得薄膜太阳能电池的效率不断提高，成本不断降低。同时，科研人员也在探索如何提高薄膜太阳能电池的稳定性，以适应各种恶劣环境。未来薄膜太阳能电池有望在更多领域得到应用。例如，在海洋能源领域，薄膜太阳能电池可以用于制造海洋能源采集器；在航天领域，薄膜太阳能电池可用于制造航天器等。此外，随着人工智能、大数据等技术的发展，薄膜太阳能电池的应用场景也将更加广泛和个性化。
2.3 新型太阳能电池
近年来，钙钛矿太阳能电池成为研究热点。钙钛矿材料具有优异的光电性能和低成本制造潜力，有望成为下一代高效、低成本太阳能电池的有力竞争者。钙钛矿太阳能电池具有高效率、低成本、可调谐带隙等优点，为未来太阳能电池的发展提供了新的可能性。
钙钛矿太阳能电池是一种基于钙钛矿结构材料的太阳能电池[5]，具有高效、低成本、轻便等优点。目前，钙钛矿太阳能电池已成为全球新能源领域的研究热点，其实验室效率已超过 25%，商业化产品效率也已达到 15%以上。未来，钙钛矿太阳能电池正在逐步提升效率、降低成本，推动钙钛矿太阳能电池行业的健康发展。
三、结论
目前，晶体硅太阳能电池的转换效率已经接近极限，随着科研投入的增加和技术的不断进步，未来研究的重点将放在新型材料和新的电池结构上，如薄膜太阳能电池、钙钛矿太阳能电池等。太阳能电池作为绿色能源的重要代表，展现了显著的发展潜力和广阔的应用前景。随着技术不断创新，太阳能电池的效率持续提升，成本逐渐降低，推动了商业化。应用领域将进一步扩大，将进入交通、建筑、农业等各个领域。例如，太阳能汽车、太阳能飞机、太阳能建筑、太阳能农业灌溉等。
参考文献
[1] Lujie Yin, Yingtao Li, Xincheng Yao, Yanzhou Wang, Lin Jia, Qiming Liu, Junshuai Li, Yali Li, Deyan He . "MXenes for solar cells.".Nano-Micro Lett.，2021, 013(005): 90-106.
[2] 饶森林,张孜菁. 太阳能电池单晶硅表面光学性能模拟研究 [J]. 新余学院学报, 2024, 29 (02): 7-11.
[3] 刘博. 太阳能无人机总体设计研究[D]. 沈阳航空航天大学, 2018.
[4] 费玲,雷蕾,汪德高. 二维MXene材料在新型薄膜太阳能电池技术中的研究进展 [J]. 无机材料学报, 2024, 39 (02): 215-224.
[5] Kerttu Aitola, Gabriela Gava Sonai, Magnus Markkanen, Joice Jaqueline Kaschuk, Xuelan Hou, Kati Miettunen, Peter D. Lund. Encapsulation of commercial and emerging solar cells with focus on perovskite solar cells. Solar Energy, 2022, 237: 264-283
来源：洞察化学
监制：黄 玉
