太阳能电池论文-solarbe文库

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太阳能电池材料研究进展能源是人类社会生存和发展的重要物质基础，是现代文明的三大支柱之一。特别是在当今世界，人类社会发展日益加速，无论是在工业，农业，还是第三产业服务业，高新技术产业，都是处于人类历史上空前发展最快的一个阶段。社会的发展提高了人类的生活水平，大大加强了社会生产力，同时对能源（如煤，石油）的需求和使用也大幅提高，从汽车内燃机到家用用电器，无不需要能源去运作。目前人类开发的主要能源是石油，煤炭和天然气等化石能源，然而这些能源的一方面储量有限，按照现在的开采速度，再有 50 年将濒临枯竭，另一方面，化石资源造成的全球生态环境破坏日益严重，间接上对人类的发展也造成了不良的影响。因此，发展新能源是一件迫在眉睫的事。新能源又称非常规能源。是指传统能源之外的各种能源形式。指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。新能源的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部深处所产生的热能，相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源（特别是化石能源）枯竭问题具有重要意义。太阳能作为一种干净的可再生新能源，一直受到人们青睐，虽然太阳的辐射能量中只有约二十亿分之一到达地球大气层，但却是地球光和热的来源，因此，关于太阳能的应用研究一直受到科研人员和国家关注。太阳能电池的发展历程太阳能的应用很主要的一项是利用太阳能发电，即太阳能电池。太阳能电池的研究在很早以前就已经开始。光照射到材料上所引起的“光起电力”行为，早在 19 世纪的时候就已经发现了。1839 年 ,光生伏特效应第一次由法国物理学家 A.E.Becquerel发现。 1849 年术语“光－伏”才出现在英语中。1883 年第一块太阳电池由 Charles Fritts 制备成功。 Charles用锗半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，器件只有 1的效率。到了 1930 年代，照相机的曝光计广泛地使用光起电力行为原理。1946 年 Russell Ohl申请了现代太阳电池的制造专利。到了 1950 年代，随着半导体物性的逐渐了解，以及加工技术的进步， 1954年当美国的贝尔实验室在用半导体做实验发现在硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一现象后，第一个太阳能电池在 1954 年诞生在贝尔实验室。太阳电池技术的时代终于到来。1960 年代开始，美国发射的人造卫星就已经利用太阳能电池作为能量的来源。1970 年代能源危机时，让世界各国察觉到能源开发的重要性。1973 年发生了石油危机，人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。目前，在美国、日本和以色列等国家，已经大量使用太阳能装置，更朝商业化的目标前进。在这些国家中，美国于 1983 年在加州建立世界上最大的太阳能电厂，它的发电量可以高达 16 百万瓦特。南非、博茨瓦纳、纳米比亚和非洲南部的其他国家也设立专案，鼓励偏远的乡村地区安装低成本的太阳能电池发电系统。而推行太阳能发电最积极的国家首推日本。 1994 年日本实施补助奖励办法，推广每户 3,000 瓦特的 “市电并联型太阳光电能系统” 。在第一年，政府补助 49的经费，以后的补助再逐年递减。 “市电并联型太阳光电能系统”是在日照充足的时候，由太阳能电池提供电能给自家的负载用，若有多余的电力则另行储存。当发电量不足或者不发电的时候，所需要的电力再由电力公司提供。到了 1996 年，日本有 2,600 户装置太阳能发电系统，装设总容量已经有 8 百万瓦特。一年后，已经有 9,400 户装置，装设的总容量也达到了 32 百万瓦特。近年来由于环保意识的高涨和政府补助金的制度，预估日本住家用太阳能电池的需求量，也会急速增加。在中国，太阳能发电产业亦得到政府的大力鼓励和资助。 2009 年 3 月，财政部宣布拟对太阳能光电建筑等大型太阳能工程进行补贴。太阳能电池的原理既有这么长时间的发展，太阳能电池的基本原理也已经有了很深的研究，太阳能电池也叫光伏电池，这也是根据其原理取的名字，太阳能电池的原理是基于光伏效应，光伏效应是一种光与电子之间相互作用产生的效应。太阳能电池的主要成分是硅，硅原子含有 14 个电子，排列在三个不同的核外电子层中。距离原子核最近的头两个电子层完全填满。而最外层电子则处于半满状态，只有四个电子。硅原子始终会想方设法填满最外面的电子层，为此，它会与相邻硅原子的四个电子共享自身的电子，这就形成了晶体结构，该结构对于这种类型的光伏电池具有重要的意义。纯硅是一种性能很差的导体，因为它的电子不能像铜这样的导体中的电子那样自由移动。硅中的电子被全部锁在晶体结构中。太阳能电池中的硅结构已经过稍稍调整，以便它能作为太阳能电池来工作。太阳能电池使用的硅混有杂质其他原子与硅原子混在一起，这样会稍稍改变硅的工作方式。考虑硅与一个位置不定的磷原子在一起的情况，也许每一百万个硅原子配上一个磷原子。磷原子的外电子层有五个电子，而不是四个。它仍然要与硅周围的原子结合，但从某种意义上讲，磷原子有一个电子是不与任何原子共用的。它没有成为键的一部分，但是磷原子核中的正质子会使其保持在原位上。当把能量加到纯硅中时（比如以热的形式），它会导致几个电子脱离其共价键并离开原子。每有一个电子离开，就会留下一个空穴。然后，这些电子会在晶格周围四处游荡，寻找另一个空穴。这些电子即为自由载流子，它们可以运载电流。不过，留在纯硅中的电子数量极少，因此没有太大的用处。而将纯硅与磷原子混合起来，情况就完全不同了。此时，只需很少的能量即可使磷原子的某个 “多余”的电子逸出，因为这些电子没有结合到共价键中。因此，大多数这类电子会成为自由电子，这样，我们就得到了比纯硅中多得多的自由载流子。有意添加杂质的过程被称为掺杂，当利用磷原子掺杂时，得到的硅被成为 N 型（ “ n”表示负电），因为硅里面有很多自由电子。与纯硅相比， N 型掺杂硅是一种性能好得多的导体。实际上，太阳能电池只有一部分是 N 型。另一部分硅掺杂的是硼，硼的最外电子层只有三个而不是四个电子，这样可得到 P 型硅。 P 型硅中没有自由电子（ “ p”表示正电），但是有自由空穴。空穴实际是电子离开造成的，因此它们带有相反（正）的电荷。它们像电子一样四处移动。在将 N 型硅与 P 型硅放到一起时， N 侧的自由电子（它们一直在寻找空穴）会跑向 P 侧的空穴，将空穴填满。以前，从电的角度来看，我们所用的硅都是中性的。多余的电子被磷中多余的质子所中和。缺失电子（空穴）由硼中缺失质子所中和。当空穴和电子在 N型硅和 P 型硅的交界处混合时，中性就被破坏了，在交界处，它们会混合形成一道屏障，使得 N 侧的电子越来越难以抵达 P 侧。最终会达到平衡状态，这样我们就有了一个将两侧分开的电场。这个电场相当于一个二极管，允许电子从 P 侧流向 N 侧，而不是相反。它就像一座山电子可以轻松地滑下山头（到达 N 侧），却不能向上攀升（到达P侧）。光伏电池中的电场效应这样，我们就得到了一个作用相当于二极管的电场，其中的电子只能向一个方向运动。当光以光子的形式撞击太阳能电池时，其能量会使电子空穴对释放出来。每个携带足够能量的光子通常会正好释放一个电子，从而产生一个自由的空穴。如果这发生在离电场足够近的位置，或者自由电子和自由空穴正好在它的影响范围之内，则电场会将电子送到 N 侧，将空穴送到 P 侧。这会导致电中性进一步被破坏，如果我们提供一个外部电流通路，则电子会经过该通路，流向它们的原始侧（ P 侧），在那里与电场发送的空穴合并，并在流动的过程中做功。电子流动提供电流，电池的电场产生电压。有了电流和电压，我们就有了功率，它是二者的乘积。太阳能电池的工作原理下图是单晶硅 pn 结太阳能电池的结构，其包含上部电极，无反射覆盖层， n型半导体， p 型半导体以及下部电极和基板。单晶硅太阳能电池太阳能电池材料太阳能电池在现在拥有着很多优势，首先太阳能是取之不尽用之不竭的，而且使用过程中不会造成环境污染，然而在使用过程中存在效率低成本高等问题，硅作为研究最早应用也最多的一类太阳能电池材料，拥有很高的效率，但也只达到了 15，而且成本也是很高的，于是人们还研究了其他的太阳能电池材料。目前，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为 1、硅太阳能电池； 2、以无机盐如砷化镓 III-V 化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池； 3、功能高分子材料制备的大阳能电池； 4、纳米晶太阳能电池等。不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般的要求有 1、半导体材料的禁带不能太宽；②要有较高的光电转换效率 3、材料本身对环境不造成污染； 4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其它村料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。1 硅系太阳能电池单晶硅太阳能电池硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电地工艺己近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm。厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合．通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率通过以上制得的电池转化效率超过 23，是大值可达 23.3％。 Kyocera公司制备的大面积（ 225cm2）单电晶太阳能电池转换效率为19.44，国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（ 2cm X 2cm）转换效率达到 19.79，刻槽埋栅电极晶体硅电池（ 5cm X 5cm）转换效率达 8.6。单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。多晶硅薄膜太阳能电池通常的晶体硅太阳能电池是在厚度 350～ 450μ m 的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，人们从 70 年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒大小，未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，人们一直没有停止过研究，并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（ LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（ PECVD）工艺。此外，液相外延法（ LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。化学气相沉积主要是以 SiH2Cl2、 SiHCl3、 Sicl4或 SiH4,为反应气体 ,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用 Si、 SiO2、Si3N4等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒 ,并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用 LPCVD在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。德国费莱堡太阳能研究所采用区馆再结晶技术在 FZ Si衬底上制得的多晶硅电池转换效率为 19％，日本三菱公司用该法制备电池，效率达 16.42。液相外延（ LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里，降低温度析出硅膜。美国Astropower 公司采用 LPE制备的电池效率达 12． 2％。中国光电发展技术中心的陈哲良采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶粒，并设计了一种类似于晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池，称之为“硅粒”太阳能电池，但有关性能方面的报道还未见到。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。非晶硅薄膜太阳能电池开发太阳能电池的两个关键问题就是提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展，其实早在 70 年代初， Carlson 等就已经开始了对非晶硅电池的研制工作 ,近几年它的研制工作得到了迅速发展 ,目前世界上己有许多家公司在生产该种电池产品。非晶硅作为太阳能材料尽管是一种很好的电池材料，但由于其光学带隙为 1.7eV, 使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退 S 一 W 效应，使得电池性能不稳定。解决这些问题的这径就是制备叠层太阳能电池，叠层太阳能电池是由在制备的 p、 i、 n 层单结太阳能电池上再沉积一个或多个 P-i-n 子电池制得的。叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于 ①它把不同禁带宽度的材科组台在一起，提高了光谱的响应范围；②顶电池的 i 层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保证 i 层中的光生载流子抽出； ③底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小；④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，其中包括反应溅射法、 PECVD法、LPCVD法等，反应原料气体为 H2 稀释的 SiH4，衬底主要为玻璃及不锈钢片，制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。目前非晶硅太阳能电池的研究取得两大进展第一、三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到 13％，创下新的记录；第二 .三叠层太阳能电池年生产能力达 5MW。美国联合太阳能公司（ VSSC）制得的单结太阳能电池最高转换效率为9． 3，三带隙三叠层电池最高转换效率为 13％ . 上述最高转换效率是在小面积（ 0． 25cm2）电池上取得的。曾有文献报道单结非晶硅太阳能电池转换效率超过 12． 5％，日本中央研究院采用一系列新措施，制得的非晶硅电池的转换效率为 13． 2％。国内关于非晶硅薄膜电池特别是叠层太阳能电池的研究并不多，南开大学的耿新华等采用工业用材料，以铝背电极制备出面积为 20X20cm2、转换效率为 8． 28％的 a－ Si/a－ Si叠层太阳能电池。非晶硅太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点，有着极大的潜力。但同时由于它的稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。2 多元化合物薄膜太阳能电池为了寻找单晶硅电池的替代品 ,人们除开发了多晶硅、非晶硅薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓 III-V 族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。上述电池中，尽管硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代砷化镓 III-V 化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。 GaAs属于 III-V 族化合物半导体材料，其能隙为 1． 4eV，正好为高吸收率太阳光的值，因此，是很理想的电池材料。 GaAs等III-V 化合物薄膜电池的制备主要采用 MOVPE和 LPE技术，其中 MOVPE方法制备 GaAs薄膜电池受衬底位错、反应压力、 III-V 比率、总流量等诸多参数的影响。除 GaAs外，其它 III-V 化合物如 Gasb、 GaInP等电池材料也得到了开发。 1998 年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的 GaAs太阳能电池转换效率为 24． 2％，为欧洲记录。首次制备的 GaInP电池转换效率为 14． 7％．见表 2。另外，该研究所还采用堆叠结构制备 GaAs， Gasb电池，该电池是将两个独立的电池堆叠在一起， GaAs 作为上电池，下电池用的是 Gasb,所得到的电池效率达到 31． 1％。铜铟硒 CuInSe2简称 CIC。 CIS材料的能降为 1． leV，适于太阳光的光电转换 ,另外， CIS薄膜太阳电池不存在光致衰退问题。因此， CIS用作高转换效率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注目。CIS电池薄膜的制备主要有真空蒸镀法和硒化法。真空蒸镀法是采用各自的蒸发源蒸镀铜、铟和硒，硒化法是使用 H2Se叠层膜硒化，但该法难以得到组成均匀的 CIS。 CIS薄膜电池从 80 年代最初 8％的转换效率发展到目前的 15％左右。日本松下电气工业公司开发的掺镓的 CIS电池，其光电转换效率为 15． 3％（面积 1cm2）。 1995 年美国可再生能源研究室研制出转换效率为 17． l％的 CIS太阳能电池，这是迄今为止世界上该电池的最高转换效率。预计到 2000 年 CIS电池的转换效率将达到 20％，相当于多晶硅太阳能电池。CIS作为太阳能电池的半导体材料，具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。3 聚合物多层修饰电极型太阳能电池在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制爸的研究方向。其原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势，在导电材料（电极）表面进行多层复合，制成类似无机 P－ N 结的单向导电装置。其中一个电极的内层由还原电位较低的聚合物修饰，外层聚合物的还原电位较高，电子转移方向只能由内层向外层转移；另一个电极的修饰正好相反，并且第一个电极上两种聚合物的还原电位均高于后者的两种聚合物的还原电位。当两个修饰电极放入含有光敏化剂的电解波中时．光敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上，还原电位较低电极上积累的电子不能向外层聚合物转移，只能通过外电路通过还原电位较高的电极回到电解液，因此外电路中有光电流产生。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，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，还有待于进一步研究探索。4 纳米晶化学太阳能电池在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的，但由于成本居高不下，远不能满足大规模推广应用的要求。为此，人们一直不断在工艺、新材料、电池薄膜化等方面进行探索，而这当中新近发展的纳米 TiO2 晶体化学能太阳能电池受到国内外科学家的重视。自瑞士 Gratzel教授研制成功纳米 TiO2化学大阳能电池以来，国内一些单位也正在进行这方面的研究。纳米晶化学太阳能电池（简称 NPC 电池）是由一种在禁带半导体材料修饰、组装到另一种大能隙半导体材料上形成的，窄禁带半导体材料采用过渡金属 Ru 以及 Os 等的有机化合物敏化染料，大能隙半导体材料为纳米多晶 TiO2并制成电极，此外 NPC电池还选用适当的氧化一还原电解质。纳米晶 TiO2 工作原理染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的 TiO2 导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入 TiO2 导带中的电于最终进入导电膜 ,然后通过外回路产生光电流。纳米晶 TiO2 太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。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．寿命能达到 2O 年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。太阳能电池的应用照射在地球上的太阳能非常巨大，大约４０分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年的能量消费。可以说，太阳能是真正取之不尽，用之不竭的能源。而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。所以太阳能发电被誉为最理想的能源。从太阳能获得电力，需通过太阳能电池进行光电变换来实现。它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点①无枯竭危险； ②绝对干净； ③不受资源分布地域的限制； ④可在用电处就近发电； ⑤能源质量高； ⑥使用者从感情上容易接受； ⑦获取能源花费的时间短。要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。目前，太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶态硅三种。单晶硅太阳能电池变换效率最高，已达２０％以上，但价格也最贵。非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光电变换效率达到１０％，每瓦发电设备价格降到１－－２美元时，便足以同现在的发电方式竞争。当然，特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多。如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳能电池，光电变换效率可达３６％，快赶上了燃煤发电的效率，但是由于它太贵，目前只能限于在卫星上使用。日本在太阳能电池的研究、开发方面一直居世界领先地位，近年来，日本将研究开发的重点放在低成本大规模生产技术的开发方面，以促进太阳能发电实用化进程。目前研究的重点主要集中在大面积薄膜非晶硅、ＣｄＴｅ电池、ＣＩＳ电池的制造技术， Ⅲ－－Ⅴ族化合物半导体高效光电池，非晶硅及结晶硅混合型薄膜光电池，多晶硅低成本精炼技术开发等方面。现在在日常的生活中，到处可以见到太阳能电池的影子，比如说太阳能热水器等等，在一些对于未来太阳能发展的报告中，我们可以预见，在不久的将来，太阳能电池的应用将会更广。比如，可以设计全部用太阳能转换技术提供能量的房子，供以家用电器运行等等。还有很多很多技术是已经实现或即将实现的。即便有如此多的优势与应用前景，但就目前技术而言，仍然有一些问题摆在我们面前。它的主要缺点有以下几个方面。1.光电转化率很低。我们大家都知道，太阳光电池主要功能在将光能转换成电能，这个现象称之为光伏效应。但是这就使得我们在选取太阳能电池板原材料的时候，产生了众多不便的因素。要求我们必须考虑到材料的光导效应及如何产生内部电场。不仅要吸光效果，还需要看它的光导效果。所以材料的选取对于光伏发电来说是一项很大的约束。必须充足了解太阳光的成分及其能量分布状况，从目前太阳能发展的情况来看，材料的选取仍旧是个待提高的突破点。即使在非常高效的材料下进行光电转换，它的效率仍然很低。据 2008 中国能源投资论坛中最新报告可知，上海市纳米专项基金的支持下，经过 3 年多实验与探索，已经研制出一块新型仿生太阳能电池。它的光电转化效率已超过 10，接近 11的世界最高水平。从数据我们能够看出， 11这个极低的水准却是目前世界上无法逾越的高度。因此，太阳能光伏发电的转换效率低，依旧是国家乃至世界研究组一直以来希望妥善解决的问题。2.光伏发电需要很大的面积。也许我们不会太在意这个问题。但是从目前的实际状况来看，以单晶硅或多晶硅为主要原料的太阳能电池板正越来越多地点缀于城市建筑的屋顶、墙壁，成为一座座所谓 “ 清洁无污染 ” 的太阳能电站。然而，在这种被称为 “ 绿色电站 ” 的身后，却 “ 隐藏 ” 着一系列高能耗、高污染的生产过程。即使作为第三代太阳能电池的染料敏化电池来说，虽然它最大吸引力在于廉价的原材料和简单的制作工艺。据科学家估算，它的成本仅相当于硅电池板的 1/10 。但是此类电池的效率随面积放大而降低。这一点又与太阳能发电需要充足的日照和广域的面积相矛盾。3.所需光照要求复杂，选择地日光辐射情况适当。太阳能，一提到这个名字，我们就会把它和万物之灵太阳联系起来，但是太阳能发电所需的必要条件就是光照指数。如果在阳光不太充足的多云天气亦或者是雨天和闷热的天气里，太阳光伏效应转换的效率将会大幅度降低，然而系统还仍需连续供电。4.光伏发电成本太高。在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的，但其成本居高不下，远不能满足大规模推广应用的要求。最新研制的 SunPower新的太阳能电池板效率达到 22，尽管其光电转化效率也非常可观，但受原料价格和提纯工艺的限制，发电成本始终高高在上，让很多企业和商家望洋兴叹。晶硅太阳能电池的主要材料是硅片，比如铺设在大面积的太阳能电池幕墙。然而目前，太阳能电池板主要用的硅，其高纯度是 99.9999。它的硅技术被德国、日本、美国等几个公司垄断了 ,但是国内的研发需要高端材料。可想而知，太阳能电池用的硅都是进口的。它的价值不菲，成本太高。虽然存在这些问题，但太阳能利用带来的益处是如此诱人，在材料研究领域无疑是很热门的，对于国家而言也是作为未来发展的重要方面，现在的研究主要是集中在对于以上问题的解决办法上，如何寻找成本更低，效率更高的材料等等。另一方面，我们或许可以找到一种新出路，找到利用太阳能的新方法等等。总之，太阳能电池在未来的领域中仍需要人们不断的探索与完善。