太阳能发电原理及应用技术-solarbe文库

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太阳能发电原理2007-06-30 1707 一套基本的太阳能发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池构成，下面对各部分的功能做一个简单的介绍1. 太阳电池板太阳电池板的作用是将太阳辐射能直接转换成直流电，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。一般根据用户需要，将若干太阳电池板按一定方式连接，组成太阳能电池方阵，再配上适当的支架及接线盒组成。2. 充电控制器充电控制器主要由专用处理器 CPU、电子元器件、显示器、开关功率管等组成。在太阳发电系统中，充电控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。同时记录并显示系统各种重要数据，如充电电流、电压等。3. 逆变器逆变器的作用就是将太阳能电池方阵和蓄电池提供的低压直流电逆变成 220 伏交流电，供给交流负载使用。在很多场合，都需要提供 220V AC、 110V AC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是 12V DC、 24V DC、 48V DC。为能向 220V AC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用 DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到 DC-DC逆变器，如将 24V DC的电能转换成 5V DC的电能（注意，不是简单的降压）。4. 蓄电池组蓄电池组是将太阳电池方阵发出直流电贮能起来 , 供负载使用。在光伏发电系统中 , 蓄电池处于浮充放电状态。白天太阳能电池方阵给蓄电池充电 , 同时方阵还给负载用电 , 晚上负载用电全部由蓄电池供给。因此 , 要求蓄电池的自放电要小 , 而且充电效率要高 , 同时还要考虑价格和使用是否方便等因素。太阳能发电系统的设计需要考虑如下因素1、太阳能发电系统在哪里使用该地日光辐射情况如何2、系统的负载功率多大3、系统的输出电压是多少，直流还是交流4、系统每天需要工作多少小时5、如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天6、负载的情况，纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流多大7、系统需求的数量。太阳能发电的原理及所用材料高纯硅、电池板、蓄电池2007-12-08 0150 太阳能发电的原理这是半导体物理中涉及的问题。物质根据导电性可以分为导体，半导体和绝缘体。从物质内部结构来讲，物质的导电性是由电子运动引起的。如果物质内部所有能级都被电子所填充，那么电子就没有运动空间，也就不会导电，也就是绝缘体。如果物质内部有一部分能级是空的，而另一部分被电子所填充，那么，在没有外界影响的状态下，电子会处于基态，也就是能量最低的状态，与最低能级相对应，这时高能级就是空的，在有外界能量输入时，低能级上的电子吸收能量跃迁到高能级，就发生了电子的运动，具有了导电性。太阳能电池是由光敏半导体材料制成的，比如高纯硅。它的纯度达到 6 个 9，也就是平常所说的 99.9999。多晶硅现在是太阳能研究的热点，在各大科技检索中都有很多的文章，上面的答案基本上是一种方法，相比 GaAs （砷化镓）系的材料来说，硅因为其含量大，天然硅砂纯度高（ 95易提纯（这里的易提纯也是相对而言的，其实要获得 6 个 9 的纯度对于目前国内企业来说还是相当困难），可以利用单晶硅热处理或利用硅烷热分解沉积制得。对于多晶硅而言，在太阳能电池领域将有比较大的应用前景，比如说，通过能带计算，Si/O （ thickness ratio18 超晶格将得到直接带隙半导体，量子效率将提高到 30左右（停留在研究阶段）。日本的一些电器公司制备的多晶硅太阳能电池高的可达 15左右。目前急需解决的是多晶硅表面不饱和 H键的维持。太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流 220V或 110V，还需要配置逆变器。各部分的作用为（一）太阳能电池板太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本；（二）太阳能控制器太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项；（三）蓄电池一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。（四）逆变器在很多场合，都需要提供 220VAC、 110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是 12VDC、 24VDC、 48VDC。为能向 220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用 DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到 DC-DC逆变器，如将 24VDC的电能转换成 5VDC的电能（注意，不是简单的降压）。5 相关技术我国发展的可再生能源技术比较多，与太阳能发电技术可以相比的首推风力发电技术。据估计，中国 10 m 高度层实际可开发的风能储量为 2.53 108kW，如果年满发电按 2 000 小时到 2500 小时计，风力发电年发电量可达 5.06 1011 kW·h 到 6.325 1011 kW· h。现在已开发出 100W到 10 kW 的独立型风力发电设备， 10 kW 到 200 kW 的风力发电与柴油发电机或太阳能发电混合供电设备。并网型风力发电设备，由单机容量 150 kW 到 2 500 kW风力发电机组成。规模在 10MW以上的并网型风力发电场已超过 10 座。到 2005 年，我国风力发电设计总装机容量为 1 0001 500 MW ，为太阳能发电设备的 20 倍以上。到 2020 年规划风力发电累计总装机容量可达 30 000MW，为太阳能发电设备的 15 倍。据计算， 2001 年风力发电上网电价不含增值税为 0.55 元 /kW· h，含增值税为 0.64 元 /kW· h。 2005 年 6 月上海 12 家企业以 1 元 /kW· h 的价格购买了上海的风力发电的电力，成本和价格也比太阳能发电低。因此，即使到 2020 年，太阳能发电技术产业也赶不上风力发电技术产业的规模。6 结语本文从太阳能发电技术、材料、市场、国外情况、相关技术等 5 个方面讨论了我国发展太阳能发电技术产业的问题和趋势。太阳电池生产能力虽然进入国际先进行列，但光电转换效率还有较大差距。逆变器技术发展并不成熟，面临着选型的重要问题。多晶硅材料依赖进口，制约着我国太阳能发电技术产业的发展，必须集中力量打破这一难关。独立型太阳能发电设备技术基本成熟，有比较可靠的市场前景。并网型户用太阳能发电设备发电成本较高，现在要通过建立试验性并网型户用太阳能发电设备，解决关键性技术问题，使发电成本接近火力发电成本，才能大规模推广使用。世界上太阳能发电技术产业在 2010 年前都会快速发展。应当大力吸取国外（例如日本）的经验，提高光电转换效率，降低发电成本，才能扩大太阳能发电在我国能源结构中所占的比例。与相关技术风力发电相比，在现在的技术条件下，到 2020 年，太阳能发电技术产业也赶不上风力发电技术产业的规模，必须在太阳电池等关键技术上有重大实破，才能改变这种局面。参考文献[1] 中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会 . 中国新能源和可再生能源技术与产品 [M]. 2001.[2] 胡兴军 . 国内外太阳能电池发展综述 [J]. 电源资讯， 2005， 10 9-12.[3] 陈英婕，傅仲文 . 太阳能光伏发电产业趋势和展望 [J]. 电源资讯， 2006， 6 29-32.[4] 程必忠 . 太阳能产业破局 [J]. 南风窗， 2006， 3 68-69.[5] 龚常等 . 日本如何分散能源风险 [N]. 环球时报 ,2005 ， 10， 26， 19 版人类理想的电源太阳能发电摘自百科知识总 228 期陈劲松随着经济的发展、社会的进步，人们对能源提出越来越高的要求，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。现有能源主要有 3 种，即火电、水电和核电。火电需要燃烧煤、石油等化石燃料。一方面化石燃料蕴藏量有限、越烧越少，正面临着枯竭的危险。据估计，全世界石油资源再有 30 年便将枯竭。另一方面燃烧燃料将排出 CO2 和硫的氧化物，因此会导致温室效应和酸雨，恶化地球环境。水电要淹没大量土地，有可能导致生态环境破坏，而且大型水库一旦塌崩，后果将不堪设想。另外，一个国家的水力资源也是有限的，而且还要受季节的影响。核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样是可怕的。前苏联切尔诺贝利核电站事故，已使 900 万人受到了不同程度的损害，而且这一影响并未终止。这些都迫使人们去寻找新能源。新能源要同时符合两个条件一是蕴藏丰富不会枯竭；二是安全、干净，不会威胁人类和破坏环境。目前找到的新能源主要有两种，一是太阳能，二是燃料电池。另外，风力发电也可算是辅助性的新能源。其中，最理想的新能源是大阳能。太阳能发电是最理想的新能源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能量的消费。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是理想的能源。此图根据蒲提斯的太阳系形成理论，太阳向宇宙空间辐射出巨的光热能量。从太阳能获得电力，需通过大阳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（无公害）；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。不足之处是①照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。但总的说来，瑕不掩瑜，作为新能源，太阳能具有极大优点，因此受到世界各国的重视。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其成本，二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。目前，太阳电地主要有单晶硅、多晶硅、非晶态硅三种。单晶硅太阳电池变换效率最高，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竟争。估计本世纪末便可达到这一水平。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电地，光电变换效率可达 36％，快赶上了燃煤发电的效率。但由于它太贵，目前只能限于在卫星上使用。太阳能发电的应用太阳能发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行，所以它适于各家各户分激进行发电，而且要联接到供电网络上，使得各个家庭在电力富裕时可将其卖给电力公司，不足时又可从电力公司买入。实现这一点的技术不难解决，关键在于要有相应的法律保障。现在美国、日本等发达国家都已制定了相应法律，保证进行太阳能发电的家庭利益，鼓励家庭进行太阳能发电。日本已于 1992 年 4 月实现了太阳能发电系统同电力公司电网的联网，已有一些家庭开始安装太阳能发电设备。日本通产省从 1994 年开始以个人住宅为对象，实行对购买太阳能发电设备的费用补助三分之二的制度。要求第一年有 1000 户家庭、 2000年时有 7 万户家庭装上太阳能发电设备。据日本有关部门估计日本 2100 万户个人住宅中如果有 80％装上太阳能发电设备，便可满足全国总电力需要的 14％，如果工厂及办公楼等单位用房也进行太阳能发电，则太阳能发电将占全国电力的 30％－ 40％。当前阻碍太阳能发电普及的最主要因素是费用昂贵。为了满足一般家庭电力需要的 3 千瓦发电系统，需 600 万至 700 万日元，还未包括安装的工钱。有关专家认为，至少要降到 100 万到 200 万日元时，太阳能发电才能够真正普及。降低费用的关键在于太阳电池提高变换效率和降低成本。不久前，美国德州仪器公司和 SCE公司宣布，它们开发出一种新的太阳电池，每一单元是直径不到 1 毫米的小珠，它们密密麻麻规则地分布在柔软的铝箔上，就像许多蚕卵紧贴在纸上一样。在大约 50 平方厘米的面积上便分布有 1， 700 个这样的单元。这种新电池的特点是，虽然变换效率只有 8％ 10，但价格便宜。而且铝箔底衬柔软结实，可以像布帛一样随意折叠且经久耐用，挂在向阳处便可发电，非常方便。据称，使用这种新太阳电池，每瓦发电能力的设备只要 15 至 2 美元，而且每发一度电的费用也可降到 14 美分左右，完全可以同普通电厂产生的电力相竞争。每个家庭将这种电池挂在向阳的屋顶、墙壁上，每年就可获得一二千度的电力。太阳能发电的前景太阳能发电有更加激动人心的计划。一是日本提出的创世纪计划。准备利用地面上沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站联成统一电网以便向全球供电。据测算，到 2000 年、 2050 年、 2100 年，即使全用太阳能发电供给全球能源，占地也不过为 65.11 万平方公里、 186.79 万平方公里、 829.19 万平方公里。829.19 万平方公里才占全部海洋面积 2.3 ％或全部沙漠的 51.4 ％，甚至才是撒哈拉沙漠的 91.5 ％。因此这一方案是有可能实现的。另一是天上发电方案。早在 1980 年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站设想，准备在同步轨道上放一个长 10 公里、宽 5 公里的大平板，上面布满太阳电池，这样便可提供 500 万千瓦电力。但这需要解决向地面无线输电问题。现已提出用微波束、激光束等各种方案。目前虽已用模型飞机实现了短距离、短时间、小功率的微波无线输电，但离真正实用还有漫长的路程。太阳能发电2008-01-28 1705 太阳能发电【前言】由于全球气候变迁、空气污染问题以及资源日趋短缺之故，太阳能发电做为动力供应主要来源之一的可能性，已日益引起人们注目，这也是近年以硅晶圆为主的太阳能电池市场快速成长的原因。然而硅晶圆为主的太阳能发电技术其成本毕竟高出传统电力产生方式甚多，因此目前市场仍只能局限于特定用途，也因此世界上主要的研究单位，均致力于投入太阳能相关技术的研究，企求开发出新的物质，能降低产品成本并提升效能。薄膜式太阳能电池由于只需使用一曾极薄光电材料，相较于硅晶圆必须维持一定厚度而言，材料使用非常少，而且由于薄膜是可使用软性基材，应用弹性大，如果技术能发展成熟，相信其市场面将较硅晶方式宽广许多。基于此，薄膜式太阳能电池的发展，在上一世纪仅展很快。本文将就数种薄膜式太阳能电池，就技术面、发展潜力与可能瓶颈提出概括论述，由于篇幅限制以及个人才疏学浅，疏漏错失之处，尚祈大家指正。在介绍薄膜式太阳能电池之前，首先本文想先介绍目前市场上最主要产品－硅晶圆太阳能电池，简述其以目前能在市场居于绝对优势的原因。【硅晶圆太阳能电池】自 1954 年贝尔实验室发表了具备 6﹪光电效率的电池后，随着集成电路的发展，此类型一直是市场的主角，其市占率从未低于 80﹪，如果只考虑供电超过超过 1kW的市场，更几乎是 100﹪。究其原因大概可分为三方面一、成本与价格；二、模块的效率；三、产能规模与利用率。由于科技的进步，包括了晶圆厚度、切割技术、晶圆尺寸，以及晶圆价格，均有长足的改善，自 1960s 以来，以此类电池发电，单位瓦数（ watt ）成本已下降约 50倍，目前价格约为 US＄ 2.5 3 / watt 。依据美国国家再生能源实验室的报导，薄膜太阳能电池的制造成本在过去 10 年亦呈大幅下降，趋势比硅晶圆还快，不过至今一般而言，其价格仍约高于硅晶圆式 50﹪。硅晶圆单一电池系统目前实验室光电效率已达 25﹪，与理论值 29﹪非常接近。商业化产品的光电效率自 1970s 以来也有长足进步，近年以达约 12﹪。这项技术成果，相对而言，是多数薄膜技术所不及之处。生产成本往往深受生产规模影响，太阳电池也不例外。比较硅晶圆式与薄膜式，一般而言，目前产能规模前者约是后者 10 倍，因此固定成本可大幅分摊。其次是产能利用率而言，目前硅晶圆式生产厂商，由于这几年市场年年大幅成长，平均产能利用率约达 80﹪，而薄膜式厂商仅约 40﹪。这使得硅晶圆式更具生产成本竞争力，成为市场上的一支独秀。【非晶系硅太阳能电池】 Amorphous silicon solar cell 此类型光电池是发展最完整的薄膜式太阳能电池。其结构通常为 p-i-n （或 n-i-p ）偶及型式， p 层跟 n 层主要座为建立内部电场， I 层则由非晶系硅构成。由于非晶系硅具有高的光吸收能力，因此 I 层厚度通常只有 0.2 0.5 μ m。其吸光频率范围约1.1 1.7eV，不同于晶圆硅的 1.1eV，非晶性物质不同于结晶性物质，结构均一度低，因此电子与电洞在材料内部传导，如距离过长，两者重合机率极高，为必免此现象发生， I 层不宜过厚，但如太薄，又易造成吸光不足。为克服此困境，此类型光电池长采多层结构堆栈方式设计，以兼顾吸光与光电效率。这类型光电池先天上最大的缺失在于光照使用后短时间内性能的大幅衰退，也就是所谓的 SWE效应，其幅度约 15 35﹪。发生原因是因为材料中部份未饱和硅原子，因光照射，发生结构变化之故。前述多层堆栈方式，亦成为弥补 SWE效应的一个方式。非晶型硅光电池的制造方式是以电浆强化化学蒸镀法（ PECVD）制造硅薄膜。基材可以使用大面积具弹性而便宜材质，比如不锈钢、塑料材料等。其制程采取roll-to-roll 的方式，但因蒸镀速度缓慢，以及高质量导电玻璃层价格高，以至其总制造成本仅略低于晶型太阳能电池。至于多层式堆栈型式，虽可提升电池效率，但同时也提高了电池成本。综合言之，在价格上不太具竞争优势的前提下，此类型光电池年产量再过去三年仍呈现快速成长， 2003 年相较于 2002 年成长了 113﹪，预期此趋势将持续下去。为了降低制造成本，近年有人开发已 VHF电浆进行制膜，制程速度可提升 5 倍，同时以 ZnO取代 SnO2作为导电玻璃材料，以降 TCO成本，预计未来制程顺利开发成功，将可使非晶型硅光电池竞争力大幅提高。展望未来此型光电池最大的弱点在于其低光电转化效率。目前此型光电池效率，实验室仅及约 13.5 ﹪，商业模块亦仅 4 8﹪，而且似乎为来改善的空间，可能相当有限。【铜铟镓二硒太阳能电池】 Copper Indium Gallium Diselenide Solar Cells 此类型光电池计有两种一种含铜铟硒三元素（简称 CIS），一种含铜铟镓硒四元素（简称 CIGS）。由于其高光电效率及低材料成本，被许多人看好。在实验室完成的 CIGS光电池，光电效率最高可达约 19﹪，就模块而言，最高亦可达约 13﹪。 CIGS随着铟镓含量的不同，其光吸收范围可从 1.02ev 至 1.68ev ，此项特征可加以利用于多层堆栈模块，已近一步提升电池组织效能。此外由于高吸光效率（α 105 ㎝ -1 ），所需光电材料厚度不需超过 1μ m， 99﹪以上的光子均可被吸收，因此一般粗估量产制造时，所需半导体原物料可能仅只 US0.03/W。CIGS光电池其结构有别于非晶型硅光电池，主要再于光电层与导电玻璃间有一缓冲层（ buffer layer ），该层材质通常为硫化铬（ CdS）。其载体亦可使用具可挠性材质，因此制程可以 roll-to-roll 方式进行。目前商业化制程是由 shell solar 所开发出来，制程中包含一系列真空程序，造成硬件投资与制造成本均相当高昂，粗估制程投资一平方米约需 US33。实验室常用的同步挥发式制程，放大不易，可能不具商业化可行性。另一家公司， ISET，已积极投入开发非真空技术，尝试利用奈米技术，以类似油墨制程（ ink process ）制备层状结果，据该公司报导，已获初步成功，是否能发展成商业化制程，大家正拭目以待。另外，美国 NREL亦成功开发一种三步骤制程（ 3-stage process ），在实验室非常成功，获得 19.2 ﹪光电效率的太阳能电池。不过由于该制程相当复杂，花费亦大，咸认放大不易。综合而言， CIGS在高光电效率低材料成本的好处下，面临三个主要困难要克服（ 1）制程复杂，投资成本高；（ 2）关键原料的供应；（ 3）缓冲层 CdS潜在毒害。制程改善，如前述有许多单位投入，但类似半导体制程的需求，要改良以降低成本，困难度颇高。奈米技术应用，引进了不同思维，可能有机会，但应用至大面积制造，其良率多少可能是一项挑战。其次原材料使用到铟元素也是一项潜在隐忧，铟的天然蕴藏量相当有限，国外曾计算，如以效率 10﹪的电池计算，人类如全面使用 CIGS光电池发电供应能源，可能只有数年光景可用。镉（ Cd）的毒性一直是人们所关注，硫化镉（ CdS）在电池中会不会不当外露，危害人们，并不能让所有人放心，因此在欧洲部份国家，舍弃投入此型光电池研究。【镉碲薄膜太阳能电池】 Cadmium Telluride Thin Film Photovoltaics ， CdTe 此类型薄膜光电池在薄膜式光电池中历史最久，也是被密集探讨的一种之一。再1982 年时 Kodak首先做出光电效率超过 10﹪的此类型光电池，目前实验室达成最高的光电效率是 16.5 ﹪，由美国 NREL实验室完成，其作法是将已建立多年的电池构造，在进一步增量修改，并改变部分材质。典型的 CdTe光电池结构的主体是由约 2μm 层的 P-type CdTe 层与后仅 0.1 μm的 n-type CdS 形成，光子吸收层主要发生于 CdTe层，西光效率细数大于 105 ㎝ -1 ，因此仅数微米厚及可吸收大于 90﹪的光子。 CdS层的上沿先接合 TCO，再连接基材，CdTe上沿则接合背板，以形成一个光电池架构。目前已知为制备高光电效率 CdTe光电池，不论电池结构如何，均需要使用氯化镉活化半导体层，方法上可采湿式或干式蒸气法。干式法较为工业界所采用。关于 CdTe光电池的薄膜，目前已有多种可行的工艺可采用，其中不乏具量产可行性的方法。已知的方法有溅镀法（ sputtering ）、化学蒸镀（ CVD）、 ALE（ atomic layer epitaxy ）、网印（ screen-printing ）、电流沉积法（ galvanic deposition ）、化学喷射法（ chemical spraying ）、密集堆积升华法（ close-packed sublimation ）、modified close-packed sublimation 、 sublimation-condensation 。各方法均有其利弊，其中电流沉积法是最便宜的方法之一，同时也是目前工业界采用的主要方法。沉积操作时温度较低，所耗用碲元素也最少。CdTe太阳能电池在具备上述许多有利于竞争的因素下，在 2002 年其全球市占率仅 0.42 ﹪， 2000 年时全球交货量也不及 70MW，目前 CdTe电池商业化产品效率已超过10﹪，究其无法耀升为市场主流的原因，大至有下列几点ㄧ、模块与基材材料成本太高，整体 CdTe太阳能电池材料占总成本的 53﹪，其中半导体材料只占约 5.5 ﹪。二、碲天然运藏量有限，其总量势必无法应付大量而全盘的倚赖此种光电池发电之需。三、镉的毒性，使人们无法放心的接受此种光电池。【硅薄膜太阳能电池】 Thin Film Silicon Solar Cells 最早开发此型光电池是在 1970’ s，至 1980’s 方有大的突破。其硅结晶层的厚度仅 550 毫米，可以次级硅材料、玻璃、陶瓷或石墨为基材。除了硅材料使用量可大幅降低外，此类型光电池由于电子与电洞传导距离短，因此硅材料的纯度要求，不若硅晶圆型太阳能电池高，材料成本可进一步降低。由于硅材料不若其它发展中光电池半导体材料，具有高的吸光效率，且此型光电池硅层膜，不若硅晶圆型太阳能电池硅层厚度约达 300 微米，为提高光吸收率，设计上需导入光线流滞的概念，此点是与其它薄膜型光电池不同之处。此类型光电池之制备方法有液相磊晶（ liquid phase epitaxy ， LPE）、许多型式的化学蒸镀（ CVD），包括低压与常压化学蒸镀（ LP-CVD、 AP-CVD）、电浆强化化学蒸镀（ PE-CVD）、离子辅助化学蒸镀（ IA-CVD），以及热线化学蒸镀（ HW-CVD），遗憾的是上述方法无一引用至工业界，虽然如此，一般咸信常压化学蒸镀，应具备发展为量产制程的可能性。上述蒸镀法，操作温度区间在 3001200℃，主要依据基材材料而定。此型光电池光电效率实验室最高已达 21﹪，市场上只有 Astropower 一家产品，当基材使用石墨时，效率可达 13.4 ﹪，由于石墨材料价格昂贵，目前研究工作大底有三个方向一、使用玻璃基材；二、使用耐高温基材；三、将单晶硅层半成品转植至玻璃基材。日本的三菱公司已成功运用此方法，成功制备 100 ㎝ 2，光电效率达 16﹪的组件。整体而言，此类型光电池系统的发展仍处于观念可行性验证时期，实验室制备技术是否能发展成具经济效应的量产程序，是人们关注的另一重点。【染料敏化太阳能电池】 Dye-Sensitized Solar Cells ， DSSC 此型光电池可是源自 19 世纪，人们照相技术的理念，但一直到超过 100 年后的1991 年，瑞士科学家 Gratzel 采用奈米结构的电极材料，以及适切的染料，组成光电效率超过 7﹪的光电池，此领域的技术研究开发，才引起大家积极而热烈的投入。此项成功结合奈米结构电极与染料而创造出高效率电子转移接口的技术，跳脱传统无材料固态接口设计，可说是第三代太阳能电池。目前全世界有八家公司已得到 Gratzel教授授权，其中包括了 Toyota/IMRA、 Sustainable Technology International （ STI）等著名公司。此类型光电池的工作原理是藉由染料做为吸光材。染料中价电层电子受光激发，要升至高能阶层，进而传导至奈米二氧化钛半导体的导电层，在经由电极引至外部。失去电子的染料则经由电池中电解质得到电子，电解质是由 I/I3 溶于有机溶剂中形成。此型电池的结构一般有两种，实验室制备的通常为三明治结构，上下均为玻璃，玻璃内源则为 TCO。中间有两部份，包括含有染料的二氧化钛，以及溶有电解质的有机溶液。为利用已发展较成熟的其它薄膜光电池制备技术， Gratzel 等，于 1996 年发展出三层式的 monolithic cell structure ，采用碳电极取代一层 TCO电极，各层的制备可直接沉积在另一层 TCO上。玻璃并非必然的基材，其它具挠屈性透明材料亦可使用，因此 roll-to-roll 的制程亦可应用于此类型电池制备。德国的 ISE 公司已发展出包含网印方式的生产流程（如下图），制程非常简单。关于 DSSC的制造成本，由于该型电池为新世代产品，目前并无量产市场，因此有不同的评估值，依据 Gratzel 1994 年的估算，如以 5﹪光电效率为基础，其制造成本约 US1.01.3/Wp（年产能 510 NWp/year）， Solaronix SA 1996 年的钴算则为 US2.2/Wp/year（年产能 4MWp/year）；相较于技术开发较久的 CdTe（ US1.1/Wp， 20MWp/year）、薄膜硅晶型（ US1.78/Wp，25 MWp/year）两类型，成本差距似乎不大。DSSC发展的最大利基，咸认在于其简单的制程，不需昂贵设备与高洁净度的厂房设施。其次所使用材料二氧化钛、电解质等亦非常便宜。至于铂金属触媒以及染料，相信生产规模变大时，价格亦会下降。其次就如同其它部分薄膜光电池，因为可以使用具挠屈性基材，因此应用范围可大幅扩张，不似目前硅晶圆式，只适用于屋顶等少数场合。未来 DSSC如要成为具商业竞争力，甚至达到高市占率，仍有几件事需要证明一、光电池本身的长期使用性。虽然实验室以较严苛条件测试，推估使用十年以上没有问题，但毕竟还是缺乏对商业产品长期使用的实测数据。二、对大面积的制备技术，有待努力发展。目前此方面工艺研究投入较少。三、对整体电池模块细部的基础研究，仍有许多工作要做，此方面研究可促进产品质量与规格的确立。高能阶差半导体，光稳定性较高，因此如能以此类物质取代二氧化钛，学理上应较易获得耐久性 DSSC产品，关于这方面研究，有部分研究单位也积极投入，惟至今仍未获得良好成果。开发新式染料以取代目前公认最佳的染料，有机钌金属（简称 N3），亦是一项热门研究主题。有机染料化学是发展很久的一学术与产业领域，因此许多人相信经由适切的构思与系列实验，应有机会开发出吸光能力比 N3好的有机染料，如此除可免除使用贵重的钌金属外，染料成本也可获得大幅降低。【结语】太阳光电池产业在过去几年呈现 35﹪的年成长率，市场以硅晶圆型光电池为最主要。其中原因除了硅晶圆光电池成本，因硅半导体产业的蓬勃发展之故，大幅下降外，人们对新能源的积极寻求也是原因。此外，量产规模的逐步建立是价格下降的主要因素。环视未来，硅晶圆太阳光电池是否仍能持续长期主导市场由薄膜电池的进展来看，答案可能是否定的。因为薄膜式电池技术进展很快，虽然发展出使用不同的复合半导材料，但彼此技术有可互相借镜之处。就降低成本而言，还有很多空间。反观目前硅晶圆式光电池，技术发展已臻成熟，其主要成本来自于硅晶圆材料，能进一步压缩成本的空间相当有限。此外，薄膜式光电池一般而言，其制造时所耗能源的回偿时间，通常不及传统硅晶圆式的一半（亦即小于十年），部分甚至小于五年，如非晶相硅薄膜光电池与染料敏化太阳能电池。加上薄膜式光电池所使用材料较少，故整体而言薄膜式光电池是较为环保且具能源效率的产品。几种发展中薄膜光电池，或许受到使用毒性物质影响，有其发展限制；或者部份因使用天然储量有限元素，预期可能无法全面长期应用于提供人类能源之用，但其累积技术、经验却弥足可贵，一但新观念或材料产生，即可以发挥立即功效。这也是为何硅薄膜式或染料敏化式深受重视。两者均可应用发展多年的薄膜制备技术，而前者另外引用人们对硅多年累积经验，后者可藉人们对有机染料以建立的充沛知识。也因此，虽然两者都是薄膜式光电池发展起步较晚的技术，但可能也是最具产生全面影响潜力的技术。