太阳能是可再生能源，具有清洁、无污染和分布广泛等优点，对其高效开发利用是解决当前能源和环境问题的关键措施。

光伏电池是一种通过光电效应直接将太阳能转化成电能的装置，具有广阔的发展和应用前景。

为研发出高效率低成本的光伏电池，推广太阳能利用，光伏技术不断更新发展，光伏电池材料的种类也越来越多，大致可按其材料结构分为以下三类： 

①硅基光伏电池：单晶硅、多晶硅光伏电池等。 

②薄膜光伏电池：砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒薄膜光伏电池等。  

③新型光伏电池：具有理论高转化效率以及低成本优势的新概念电池，主要有染料敏化光伏电池、钙钛矿光伏电池、有机太阳电池以及量子点太阳电池等。 

本文梳理了目前光伏电池材料的研究进展。

硅基光伏电池以硅材料为基础，主要包括单晶硅光伏电池和多晶硅光伏电池。

单晶硅在硅基光伏电池中效率是最高的，在实验室中，单晶硅光伏电池的转换效率达到了26.7%，但受到材料价格及繁琐制备工艺的影响，导致单晶硅成本价格居高不下，不利于市场推广应用。

因此，研究者不得不寻找新的低成本光伏电池材料予以替代。

于是，制作成本占优的多晶硅光伏电池很快进入人们的视野。多晶硅是单质硅的一种形态，熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，这些晶核长成晶面取向不同的晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。

多晶硅

多晶硅光伏电池制备工艺与单晶硅较为相似，但制作成本上却低很多。

目前，多晶硅光伏电池实验室最高转化效率由阿斯特公司的德国ISFH研究所报道，测试结果为22.8%。

然而，光伏市场实际使用的多晶硅光伏电池转化效率在18%左右，明显低于单晶硅光伏电池，这也成为阻碍多晶硅光伏电池发展的重要原因。

值得注意的是，由于传统的单晶硅太阳电池具有使用寿命长、制备工艺完善以及转化效率高的优点，尽管其工艺成本占电池组件总成本的30%，但其仍是光伏市场的主导产品。

为了降低其成本，近年来，将复合材料膜与硅基光伏电池结合的研究进入人们的视野，复合透明膜的引入可增加硅电池表面对光的吸收，相比于传统硅电池，这类杂化电池的制备工艺大为简化，有望大幅度降低硅基光伏电池的成本。

因此，对于硅基光伏电池来说，提升效率的关键是增加电池对光的吸收率及减小电池表面复合。

近年来，钝化发射极背部局域扩散电池、全背电极接触晶硅太阳电池、晶体硅异质结太阳能电池、交叉指式背接触异质结(HIT+IBC,HBC)等电池结构的提出，使硅基光伏电池的实验室转化效率接近Shockley-Queisser极限，但是硅基光伏电池的制备成本却居高不下，如何简化制备工艺，降低电池制备成本成为硅基光伏电池新的研究方向。

未来可结合成本更低的薄膜工艺，将硅基光伏电池与钙钛矿薄膜材料结合起来，研制新型的异质结结构电池。

同时，也可将硅与新型材料结合，如利用石墨烯载流子移动速度较快且在可见波段有极高的透光率的特点，将石墨烯与硅光伏电池结合起来，形成新的硅基肖特基结光伏电池，使制备工艺简化，制备成本降低。

异质结结构电池

薄膜光伏电池是继硅基光伏电池后出现的新一代光伏电池，与硅基光伏电池相比薄膜光伏电池用料更少，且理论上也具更高转化效率。

薄膜光伏电池

在“双碳”愿景下，推广光伏建筑一体化(BIPV)是重要举措，而薄膜光伏电池具有半透明和柔性的特点(图1)能够很好地满足光伏建筑的需求。

图1 柔性半透明电池实物图

目前，薄膜光伏电池主要产品包括：碲化镉光伏电池(CdTe)、铜铟镓硒薄膜光伏电池(CIGS)、砷化镓光伏电池 (GaAs)等。

CdTe薄膜光伏电池是近年来发展较快，其主要优势是性能稳定、制造成本低并且其大规模运行效率高于非晶硅光伏电池，具有非常诱人的发展前景。

目前已有位于杭州市的综合能源生产调度中心使用CdTe电池作为发电建材，以太阳能作为基础能源供大楼日常使用。

薄膜光伏电池板

然而，CdTe薄膜光伏电池中的Te元素是稀有元素，天然储量是有限的，目前主要发展趋势是通过降低薄膜厚度来减少Te元素的使用。此外，Cd元素是有毒元素，需要有相应的回收措施来减少电池对环境的污染。

由于CdTe电池的毒性问题难以解决，且电池本身的光电转化效率也需要进一步提高，所以CIGS薄膜光伏电池进入了人们的视野。

该电池有很多优点，一是轻量化，便于光伏电池的安装；二是弱光性能优越；三是可以制作成各种颜色，可以大面积应用在光伏建筑一体化上；四是其光电转化效率也较高，目前实验室效率已经达到23.4%。

然而，CIGS电池在产业化进程中也遇到阻碍，制造工艺较为复杂导致前期投资成本过高。

需要指出的是，该电池中关键材料In元素是全世界较为稀缺的材料，但我国In元素储量全球第一，为我国发展CIGS电池提供良好的材料基础。

因此，CIGS电池也是我国光伏产业重点发展的光伏电池种类。

为使CIGS电池能够助力“碳中和”，实现产业化，目前的研究方向主要是努力消除电池的各种损耗对效率的影响。

因此，该电池未来的发展趋势主要是：

一是替换电池的镉缓冲层，由于目前CIGS电池的缓冲层是CdS，具有毒性，未来需要发展其他材料替换CdS；

二是采用低成本的吸收层；

三是构建叠层电池体系，形成多结电池，理论上可以大大提高电池的效率；

四是采用柔性衬底，为光伏建筑一体化的推广奠定基础。

目前，我国已经有CIGS薄膜光伏电池光伏建筑一体化的应用，如图2所示，苏州同里综合能源服务中心屋顶项目就是采用的CIGS薄膜光伏电池，该建筑应用光伏技术、储能技术以及智能家居系统实现了“零能耗”。

图2 苏州同里湖嘉苑汉瓦屋顶项目

最后，GaAs光伏电池是目前光电转化效率最高的光伏电池，三结GaAs薄膜光伏电池的效率已经达到了37.9%，该记录由日本Sharp公司研发的倒装型电池创下。

GaAs光伏电池的优势除了高光电转化效率外，还有个优势是耐高温性能好，在200C以上硅电池基本不能工作，但GaAs电池可以正常工作。但其缺点也十分明显，除了成本高昂，还有机械性能较差，较难加工。

现阶段，由于GaAs电池的造价是普通硅基光伏电池的数倍，很难做到大面积推广应用，主要是用在空间卫星、无人飞行器及概念汽车上，在民用消费领域还较少。

相比于CIGS、CdTe薄膜光伏电池，GaAs光伏电池的优势十分明显，即效率更高，稳定性更好，但是其高昂的成本使其市场竞争力较低，这也是该电池未来亟需解决的问题。

BIPV的应用已经持续了很长一段时间，但仍没有大规模应用。其中一个原因就是建筑技术和光伏发电技术是完全不同的两个理念。

BIPV

传统硅基材料电池由于没有柔性半透明的特点，利用硅基材料的光伏电池技术无法与建筑设计的美观理念结合在一起，但是薄膜光伏电池材料的出现为建筑技术和光伏发电技术的有机结合提供了可能，使BIPV建筑绿色低碳且不牺牲美观度。

同时薄膜光伏电池材料还可以应用在车顶、车身等更多领域，从而大量减少碳排放，助力我国“双碳”工作。

未来为推广薄膜光伏电池的应用，需要降低电池的成本。例如，可以使用更便宜的元素代替原先薄膜光伏电池中较为昂贵的元素，如有学者将CIGS电池中昂贵的In和Ga用Zn和Sn取代，从而降低电池的成本。

此外，还可以结合硅基光伏电池已有的技术，采用杂化、掺杂元素的方式保证电池性能的同时，简化电池的制备流程，降低电池的制备成本。

硅基光伏电池以及薄膜光伏电池材料的有些应用缺陷短期内很难解决，研究人员试图找到新的材料来推进光伏电池产业化进程，于是新型光伏电池进入研究人员的视野，新型光伏电池的主要特点是：薄膜化、理论转化效率高、原料丰富、无毒性，目前较为热门的新型光伏电池有：染料敏化电池和钙钛矿电池等。

硅基太阳能组件

染料敏化光伏电池实际上是模仿光合作用原理而研制出的一种新型的光电化学电池，是人们在探索电池制备新工艺、新材料和电池薄膜化过程中发展起来的一种新型光伏器件。

图3给出了染料敏化光伏电池的结构示意图。典型的DSSCs主要由5个主要部分组成，分别是导电玻璃(镀有透明导电膜)、多孔半导体薄膜(纳米TiO2)、染料敏化剂、电解质和对电极。

图3染料敏化光伏电池结构

目前DSSCs的最高转化效率仅为13%，由EPFL所报道。

研究人员利用界面修饰、纳米结构调控、离子掺杂以及不同材料复合等方法获得较大的比表面积，增加对染料吸附，从而提高捕光能力以提高电池的光电转化效率。

由于染料敏化电池的Pt电极价格昂贵，增加了染料敏化电池的生产成本，于是有研究人员发现可利用碳材料代替Pt金属电极，以降低电池制备成本。

此外，也有研究者将ZnO纳米花与TiO2复合涂覆到透明电极以提高电池转化效率。

除了转化效率和成本问题，电池的稳定性问题也需要得到重视，目前大多数DSSCs采用液态电解质以提高电池效率，但是液态电解质有易泄漏、稳定性差的缺陷，限制了该电池的产业化发展。

另外，还有一种新型光伏电池是钙钛矿光伏电池，该电池是目前新型光伏电池中的研究热门。

PSCs的效率高于DSSCs，而且其制备成本远低于传统的硅基光伏电池，具有诱人的发展前景。如图4所示，PSCs的基本构造通常为透明电极/电子传输层/光吸收层/空穴传输层/金属阴极。

图4平面结构钙钛矿电池(PSCs)结构示意图

2009年日本桐荫横滨大学Miyasaka课题组以甲胺铅碘为吸光材料研制了钙钛矿光伏电池，报道的效率仅为3.8%。

为进一步提高钙钛矿电池的光电转化效率，研究者们还在电池的薄膜制备工艺、载流子输送界面层设计、掺杂材料的选择以及电池器件结构设计方面进行进一步研究。

经不断发展，韩国科学技术高等研究院、首尔大学以及美国国家可再生能源实验室共同研究，2020年将PSCs电池最高效率提升至26.7%。

目前，钙钛矿电池的最大的劣势是材料不稳定，钙钛矿电池中的有机阳离子易挥发，从而导致钙钛矿分解。

于是，具有超高的湿度稳定性二维卤代物钙钛矿引起了各国研究者的注意。

二维钙钛矿电池是一种非常有发展前景的钙钛矿电池形态，其独特的可调性可以用来解决一系列钙钛矿电池的光照稳定性、水氧稳定性问题。

除此以外，刘海潮等将生物质多孔碳材料应用于钙钛矿电池以提升电池效率，该项工作不仅可以降低生物质碳材料的制备成本，同时也可加速PSCs的商品化进程。

随着研究人员的不断努力，新型光伏电池尤其是钙钛矿光伏电池的性能不断提升，并且其转化效率已经可以媲美传统硅基光伏电池，但是其稳定性的问题仍然制约着其商业化的发展，未来可将钙钛矿材料与多种材料如石墨烯、多孔碳等进行复合，或尝试不同的材料形态，以提高电池的稳定性。

从目前全球光伏市场来看，单晶硅以及多晶硅电池因具较高性价比，仍然占市场主体。然而，薄膜光伏电池或新型光伏电池由于其较高的理论转化效率和较低的制备成本也突显出诱人的发展前景。

表1为各类主要光伏电池的对比，从“碳中和”应用角度出发，对比分析它们的转化效率、优缺点、成本以及主要应用场景。

虽然目前新型光伏电池种类繁多，其中已经能够产业化并且应用到民用领域的光伏电池只有钙钛矿光伏电池。

从表中对比可看出，每种光伏电池都有各自的应用场景，仍未有一款完美的光伏电池同时做到高效低成本。为实现“30·60”目标，仍需大力发展高效率和低制备成本的光伏电池。

在“碳中和”愿景下，需要大力发展新型光伏电池，然而，新型光伏电池属于发展较晚的电池种类，其电池技术也一直在进步，国内外研究人员一直在积极地推动新型光伏电池的产业化进程。

如表2所示，为目前部分国内外新型光伏电池的研究进展。评估一种光伏电池是否有应用前景，其光电转化效率是一个重要衡量标准。

表2 国内外新型太阳能电池研究进展

除了要保证电池的转化效率外，电池的工作稳定性也是目前光伏电池研究的重要方向之一，目前为了提高钙钛矿电池的稳定性主要从有两种基本思路：一是从钙钛矿电池材料出发，抑制材料在使用过程中产生分解；二是采用合适的电池封装技术，阻碍电池与外界环境发生反应。

电池材料的环境友好性是决定一种光伏电池能否大规模应用的又一重要因素。研究人员主要改进方向有两种：一是彻底替换原先的有害元素；二是利用掺杂的手段，降低原先有毒元素的毒性。

电池大面积制备技术是能否实现新型光伏电池产业化的最后一步。

目前，很多新型光伏电池制备技术只能满足实验室研究使用，无法满足大规模工业化生产所需的大面积以及低成本的要求。

因此，目前对于大面积制备技术的主要研究方向是如何保障电池效率没有因为大面积量产而降低并且是低成本的制造工艺。