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　　其实题主的问题是电池的两种技术路线：薄膜电池/组件和晶硅电池/组件。两者的未来的市场占有或者应用广泛性的对比。

　　晶硅分为单晶硅和多晶硅，两者的实验室转换效率能达到20%以上，量产的线%；优势是转换效率高，单片组件容量大，同等规模占地小，缺点是生产工艺较复杂，不能弯曲、重量大，弱光性差，高温下发电量下降等等

　　薄膜分为--非晶硅，转换效率量产6-8%；CIGS铜铟镓硒，实验室20%，量产应该有13%以上，GaAs砷化镓，实验室的高效率能达50%，量产能达到20-30%，还有碲化镉电池，基本无量产。优点生产工艺简单，弱光性好，组件可以做成透光的，有几种电池可弯曲，温度系数小，缺点是能量产的非晶硅转换效率差，单片组件容量小，同等规模占地大。

　　晶硅电池用的是硅元素，地壳第二大含量的元素。薄膜电池虽然有高转换效率的电池种类，但是所用为稀有金属或者有毒的金属，量产的可能性是非常小的。目前国内大多数生产商为晶硅电池组件的生产，仅汉能采用薄膜技术，但是汉能收购了Miasole、Solibro、GSE等厂商，应该是能生产出多种薄膜组件，但市场上还未见到有汉能量产的薄膜组件的广泛应用。

　　我们得从从目前的情况来看，尤其是经过了2012-2013的光伏产业低迷期，晶硅电池占据着全球市场90%的份额，薄膜仅仅10%的占有率。

　　但从公司规模市值来看bb电子，前几名大的组件电池生产商，均为做薄膜的。美国的First Solar、日本的sharp等企业。

　　晶硅电池更适用于大规模集中型并网的光伏电站，比如大型地面电站、屋顶荷载力足够的大型厂房，发电量、装机容量相对来说有很大优势。

　　薄膜有其轻便性和可弯曲性，能够广泛应用在承载力较小的工业厂房作为分布式电站，建筑物立面、采光顶作为BIPV形式、农业大棚（透光、组件轻便）等方向。薄膜还有一个很大的方向，就是汉能现在推的移动能源，组件可以定制化、个性化，衣服、帐篷、充电纸。。。。如果汉能推广的好，那就是真正开启了移动能源时代。

　　但是，对于汉能这个企业，个人角度来说，还需要好好的拼几年才能有发展，尤其是其组件生产线很多，但是出货量和市场应用程度很低，这是个奇怪的现象。

　　题图为全太阳能飞机Solar Impulse 2,于去年3月份启动全球飞行计划，于2016年7月26日早上8时成功降落在阿联酋首都阿布扎比机场，完成人类首次太阳能环球飞行壮举。它的机翼上安装了超过1.7万个太阳能电池，以对机身内部的多个电动马达进行供电，并对4个锂离子电池进行充电。（

　　本文来自于去年所写的一篇薄膜太阳能电池文献综述，过于具体的技术细节删除后，通过在线翻译及校对将原文翻译为中文分享于此，水平有限，欢迎指正与指导。

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　　来自 National Renewable Energy Laboratory 国家可再生能源实验室 (NREL)的太阳能电池研究进展，包含了各类太阳能电池效率突破的作者/时间信息， 信息更新及时，包含研究机构，商业机构的成果。

　　由于环境问题，可再生能源正变得越来越重要。太阳能是一种很有发展前途的选择，光伏技术的发展引起了人们的广泛关注。本文综述了薄膜太阳能电池以及传统的太阳能电池基础理论，本质上的差异，挑战和前景。

　　普遍认为，太阳能，最丰富和取之不尽的能源，是一种很有前途的能源危机的解决方案。太阳能电池被用来吸收太阳能并产生电力并且避免产生环境污染。目前，晶体硅（传统或晶圆为基础的硅）crystalline silicon (conventional or wafer-based Si)太阳能电池占主导地位的太阳能市场的市场份额几乎90%。薄膜为基础的太阳能电池只占约10%的市场份额，但预计将迅速增长。在此笔者将各种类型的单结薄膜太阳能电池以及传统的太阳能电池进行了介绍和比较。

　　通俗来讲，太阳能电池的原理如下：半导体材料组成的二极管, 吸收太阳光中的光子的能量，将能量传递给电子，电子受到二极管中的内建电场驱动产生移动，形成光电流。光子具有能量，可称之为E_photon，而每种半导体材料都具有一个属性--带隙，可称之为E_gap，可以理解为一个阈值，光子能量E_photon若大于这个阈值E_gap，光子则可被吸收（不过吸收还存在着一个光子吸收率的问题，这是半导体材料的一个属性）。

　　因此对于E_photonE_gap的半导体，无法吸收光子形成光电流，对于E_photonE_gap的半导体则可以吸收。据此可以推断能带E_gap越小则越可以吸收光子来发电，然而最佳能带E_gap的具体情况更为复杂一些，主要是由于量子效应（光子能量/能带的不连续性），过多的光子能量也会转化为无用的热量而降低效率等等原因，在此略过。大致而言，半导体材料的能带E_gap（包括直接或间接能带类型）以及光子吸收率决定了其发电效率。前者决定了光子能不能被吸收（故称为阈值），后者决定了能被吸收的光子里有多少比例能比吸收（故称为吸收率）。

　　更严谨一些的说法则是如下。光伏（光伏）能量转换包含两个过程：光吸收和载流子分离(light absorption and carries separation）。基本上，太阳能电池是设计来实现这种转换的二极管。当照射时，能量高于半导体带隙的光子将被太阳能电池吸收。然后，电子-空穴对产生，然后被分离产生直流能量。

　　只有能量比带隙高的光子可以被半导体吸收，所以较低的带隙意味着更高的光子吸收和更高的JSC（短路电流密度）。然而，多余的能量会以热的形式丢失。此外，较低的带隙也导致较低的开路电压Voc（Eg/ q）。理论计算表明，单结太阳电池的最佳带隙为约1.4电子伏特，(由详细的平衡极限计算确定)。

　　第一代太阳能电池，单晶硅（c-Si）或太阳能电池，传统的太阳能电池，是由晶体硅做成的。晶体硅太阳能电池包括基于单晶硅太阳能电池（单晶硅）和多晶硅（多晶硅）半导体材料。对于太阳能电池，硅具有许多优点，包括无限量，无毒性，长期稳定，成熟的生产，高效率。

　　晶体硅具有1.12电子伏特的带隙，根据最佳的带隙理论，这个带隙对于高效率转换是好的。然而，由于其间接带隙，硅具有较弱的吸收，因此往往需要较大（至少50微米）的厚度以实现有效的太阳能吸收。通常的晶体硅太阳能电池是基于厚达200微米的硅晶片。其结构和带图如图1（a）。

　　具有能量大于禁带宽度的光子被吸收。然后产生电子-空穴对。由于n +区域和过渡区域是相对薄的，大多数的入射光子被吸收在较厚的P基。激发的少数载流子（此处即为电子）扩散到过渡区域。过渡区中的电场强度足够高，因此使大多数的电子在复合前被加速。通过这种方式，形成光电流。

　　非聚光太阳光下的单结太阳电池的理论极限效率为29%，高于最佳的实验室晶体硅太阳能电池（25%）和大面积的商业太阳能电池（24%）。2009年晶体硅太阳能电池达到了25%的效率，开路电压为706 mV，短路电流密度42.7 mA/cm2，填充因子82.8% 。相信26 %的高效晶体硅太阳能电池将在未来几年成为可能。

　　薄膜太阳能电池技术技术有助于显著减少太阳能电池的成本，因为薄膜太阳能电池是通过沉积在基板上的薄膜实现的。虽然传统的太阳能电池的厚度仅几百微米厚，但是薄膜太阳能电池只需要几微米厚的材料即可。由于高吞吐量的制作过程和更少的材料，其制造成本可以低很多。

　　目前，主要的薄膜太阳能电池是基于非晶硅（a-Si∶H），碲化镉（CdTe）、铜铟硒（CIS），铜铟镓硒（CIGS）、砷化镓（GaAs），和铜锌锡硫（CZTS），有机材料，有机/无机杂化等在。

　　非晶硅薄膜太阳能电池（a-Si太阳能电池或a-Si∶H）已经在消费产品使用超过了30年的，如计算器(从80年代起)和电子表等。非晶硅太阳能电池的典型结构如图1（b）所示。通常情况下，非晶硅太阳能电池的厚度仅为几微米或更小。这种太阳能电池采用p-i-n结，即在n+层和p+层之间加入一层本征半导体材料。本征半导体材料层较厚，所以大多数的光子在这里被吸收。整个本征区域内的内建电场增强了电子和空穴的加速，从而提高了收集效率。顶面常覆有透明导电氧化物（TCO），和金属接触作为背触点。 非晶硅（a-Si）是直接带隙半导体，其带隙约为1.75 eV。与单晶硅相比，非晶硅具有较高的吸收率但糟糕的输运性质（transport properties）。因此，其效率被载流子复合所降低。虽然非晶硅太阳能电池的效率已经达到16%，但最关键的问题是它们的稳定性（Staebler Wronski效应） 。具有16.1%的初始效率以及13.4%的后期稳定效率的非晶硅太阳能电池，已经在一个小面积的三结太阳能电池上成功实现，其参数为1.96 V开路电压，短路电流密度9.52 mA/cm2，填充因子71.92% 。

　　虽然非晶硅太阳能电池的可靠性已经在过去20年得到了提高，且其具有低成本的优势，非晶硅太阳能电池仍然未能击败太阳电池的主要原因是由于其较低的效率和可靠性。进一步的研究以提高其恶劣环境中的可靠性也是必要的。

　　砷化镓其带隙为1.4电子伏特，对于一个单结太阳电池这是几乎是最佳的带隙。GaAs太阳电池的结构如图1（c）所示。n-GaAs/p-GaAs/p-AlGaAs太阳能电池是这样的太阳能电池的代表。通常，GaAs太阳能电池通过在表面覆盖薄的薄的钝化GaAlAs层来利用异质面结构。由于其较大的带隙，顶层（或Windows层）防止电子在表面复合，同时允许光子的通过。顶层一般与吸收层达到晶格匹配 。

　　砷化镓太阳能电池的工作原理与晶体硅太阳电池的工作原理相似。实质上的区别是，GaAs太阳能电池是基于薄膜基板和更有效的吸收层-砷化镓层。（GaAs单结薄膜太阳能电池）已达到约30%的效率，其他参数开路电压 1.122V，短路电流密度29.68mA/cm2，填充因子86.5% 。虽然砷化镓太阳能电池具有优异的性能，但是其大规模部署太过昂贵，故通常用于特殊应用，例如空间电子。

　　CZTS太阳能电池的结构和能带示意图如图2所示。然而，该图也适用于具有相似结构和工作原理的CdTe和CIGS太阳能电池。主要的区别在于吸收层材料。铜铟镓硒，碲化镉和CZTS是具有高吸收系数的直接带隙材料。具体来说，CdTe具有1.45 eV能隙和10e5 cm-1左右的光吸收率。CIGS具有可调带隙，可调范围从1到1.7 eV 。CZTS有相似的优异性能，将在后面讨论。>

　　▲图2。（一）CIGS / CZTS太阳能电池基本器件结构；（b）CZTS太阳能电池的能带图。

　　碲化镉（CdTe）和铜铟镓硒（CIGS）是用于第二代太阳能电池的最流行的材料。学者们已经对这些太阳电池进行了深入的研究，并且得到了良好的成果。高效率（＞20%）和良好的稳定性是CIGS和CdTe太阳电池的优点。然而，镉是一种有毒元素，而铟和镓是昂贵和稀缺的地壳元素，找寻其替代品十分必要。由于这些顾虑，CZTS成为一个有希望的代替选择。作为一个优秀的p型吸收材料，CZTS具有一个最佳的约1.5eV的直接带隙，且在可见光波长范围内的高吸收系数（10e4 cm-1） 。其可调谐带隙可从1（Cu2ZnSnSe4）调到1.5 eV（CZTS）。相比于CIGS和CdTe，CZTS的优势是其所有元素都是低成本的，毒性低，且在地壳内分布丰富。

　　然而，由于研究较为有限，CZTS太阳能电池的效率仍比CIGS和CdTe太阳电池低很多。现在CZTS效率只有12%，而对CZTS的原子和电子结构的知识目前还是远远不够的。提高CZTS太阳能电池效率的关键是对其结构特征的系统性研究 ，更多的研究正集中于其热力学稳定性和形成机理分析。 三种结构已在CZTS和CZTSe被发现，发现包括kesterite, stannite, or primitive mixed Cu-Au (PMCA) 晶体结构（如图3所示）。一种新的结构，部分无序的KS (PD-KS)结构，也在近期被发现。

　　大多数太阳能电池都是以无机材料为基础的，现在设计有机太阳能电池已经可以实现。有机材料可以采用低成本的方法生产，但其效率仍然远远落后于无机太阳能电池。一个有机太阳能电池的方案如图4所示。在有机太阳能电池中，异质结是由一个供体和一个受体类型的有机材料组成的。光子由有机材料吸收，然后产生一个激子（静电耦合的电子-空穴对）。当激子扩散到施主-受主界面后，电子和空穴分离。整个过程如图4所示。在有机材料，最高占据分子轨道（HOMO）概念和最低未占据分子轨道（LUMO），类似的半导体中价带和导带 。

　　有机或混合太阳能电池的定义略有不同，但它们都是基于有机材料。在此处，我们将介绍两个代表–染料敏化太阳能电池（DSSC）和钙钛矿太阳能电池（PSC）。

　　染料敏化太阳能电池被认为是有机的或混合型太阳能电池的一个重要例子。染料敏化太阳能电池的结构和能带图如图5所示。在这种太阳能电池中，一个单层的电荷转移染料连接到介孔氧化物层（二氧化钛纳米粒子的带隙为3.2电子伏特）。当一个光子被染料分子吸收时，基态的电子将被激发到激发态。然后激发的电子转移到电子受体（TiO2），基态的空穴从电子给体处（氧化还原电解质）得到补充。所产生的电压对应于介孔二氧化钛层的费米能级和电解质的氧化还原电位之间的差异。

　　第一个钙钛矿太阳能电池（PSC）的开发是在2009，其效率为3.8%。在过去的六年中已经看到了PSC的快速增长。由于制作方便，原料来源充足，效率高，PSC已显示出一些优势。

　　PSC是基于一种具有与CaTiO3相似结构的材料。目前，PSC的研究主要集中在两种结构上，基于PSM的介观金属氧化物（或基于钙钛矿的DSSC）和基于平面异质结的PSC。平面异质结PSCs利用钙钛矿结构的多功能性，因为钙钛矿材料可以作为电子和空穴导体。基于钙钛矿太阳能电池的能带图如图6所示，可以看到工作原理类似于染料敏化太阳能电池。>

　　▲图6。CH3NH3PbI3/TiO2异质结太阳能电池结构示意图及能带图

　　在一般情况下，钙钛矿太阳能电池效率达到了14.5至19.3%能源知识。虽然钙钛矿太阳能电池仍处于早期研究阶段，部分产品已显示出良好的稳定性。一个运行单元（在最大功率的照明下）在45°C环境下，在500小时的运行后其效率下降率小于20%。虽然钙钛矿太阳能电池在短时间内达到较高的效率，其物理基础尚未明确，钙钛矿太阳能电池的另一个挑战是寻找重金属元素的替代元素。

　　总而言之，晶体硅太阳能电池具有高的效率和非常高的可靠性，这些已被市场证明。一般来说，薄膜太阳能电池具有比晶体硅太阳能电池更低的效率。砷化镓薄膜太阳能电池有很高的效率，但成本是非常高的。不同的薄膜太阳能电池表现出不同的可靠性水平。例如，非晶硅太阳能电池，虽然具有成本低的优势，受到Staebler Wronski效应，无法超过晶体硅太阳能电池。对新型薄膜太阳能电池，如钙钛矿型太阳能电池，目前只有较为有限的研究，但初步结果显示了其有前途的可靠性。其他薄膜太阳能电池原型，例如砷化镓，铜铟镓硒，碲化镉，和CZTS，具有良好的可靠性的原型产品已经制造出来，但商业模块的可靠性仍然存在问题，有待市场的检验。改进制造工艺、并降低生产成本，且保持可靠性是其成功的关键。从光伏技术的发展，我们可以看到其已经取得了很大的进步，特别是在过去的几年里。晶体硅太阳能电池由于其生产成本低、效率高、可靠性高，仍将在一定时间内占据市场主导地位。现在，薄膜太阳能电池提供了更多的选择，具有一定的优势。由于许多薄膜太阳能电池的原型产品表现出了优异的性能和稳定性，因此有理由相信开发出具有类似的性能，且低成本的商业产品是可能的。目前，新技术被持续应用以提高薄膜太阳能电池的性能。随着对环境关注度bb电子的上升，对经济稳定性和可持续发展的考量，我们相信，薄膜太阳能电池，特别是那些避免危险或罕见的元素的薄膜太阳能电池，在不久的将来是可能成功的。

　　由于参考文献几乎比正文还长了，且大部分数据可从第一个图中获得，故删除参考文献。

　　从转换效率来讲，目前晶硅组件的转换效率较薄膜高一点：晶硅在15-18%，薄膜在12-15。需要注意的是单纯谈转换效率没有意义，因为太阳能组件的用途是发电，发电量才是决定因素，关于发电量的对比后面再讲；

　　补充下，所谓薄膜技术就是在真空高温的环境下，将可吸收光的元素沉积/溅射在衬底上。如果衬底是柔性的，那么就可做成柔性太阳能组件。如果衬底是玻璃的，在制作过程中有一道工序是激光划刻，可以加密激光化刻的密度，从而做成透光组件；

　　从应用范围来讲，薄膜由于上述性能优势，在做光伏建筑一体化，农业大棚，分布式发电以及民用应用产品方面具有不可估量的潜力：

　　最后将最终要的发电量，发电量是由发电时数和转换效率共同决定的，转换效率方面晶硅领先，发电时间方面薄膜领先，总体表现基本持平。薄膜具有弱光相应性强的特点。比如晶硅从上午十点半时的阳光强度开始发电，薄膜九点半就开始发电了，晶硅组件下午“收工”早，薄膜收工晚，就像一个人勤奋的工人虽然工作慢一点点，但工作效果却差不多，甚至有时更好。

　　总体来讲，晶硅组件占有目前市场的大部分份额，薄膜由于性能的优势，未来有很大前途，尤其是民用产品方面。

　　薄膜太阳能和晶硅太阳能的电池的发展潜力主要可以从技术、成本和需求三个角度分析。中短期来说，晶硅始终占据行业主要市场份额，而考虑到长期的bb电子应用前景，薄膜电池在技术条件不断突破的背景下，发展潜力巨大。

　　薄膜太阳能电池理论光电转换效率及实验室光电转换效率提升速度优于晶硅太阳能电池。理论效率方面，CIGS电池及CdTe电池理论光电转换效率分别为37%和32%，均优于多晶硅太阳能电池及单晶硅太阳能电池29%和20% 的理论光电转换效率。实验室效率方面，2013至2019年，CIGS电池及CdTe电池实验室光电转换效率提升幅度分别为2.9%和2.5%，正处于实验阶段的钙钛矿电池光电转换效率提升幅度达到10.1%，而同期单晶硅电池转换效率提升幅度仅为1.1%，这表明薄膜太阳能电池具有更优的发电性能增长潜力，且技术进步bb电子程度更优。

　　国际头部厂商发展展现行业潜力。在国际市场，CIGS电池头部厂商Solar Frontier和CdTe电池头部厂商First Solar量产电池光电转换效率达到17%-19%，接近晶体硅太阳能电池效率。在薄膜太阳能电池活性材料耗用少，适应环境能力强、应用场景广等优点推动下，Solar Frontier和First Solar产品得到广泛运用，公司盈利水平较高。Solar Frontier和First Solar量产产品的高转换率及盈利状况展现出行业的增长潜力。

　　晶硅成本持续下降，薄膜太阳能电池丧失成本优势。薄膜太阳能电池发展初期，薄膜太阳能电池生产成本低于晶硅太阳能电池，2008年，First Solar薄膜太阳能电池成本仅为晶硅太阳能电池1/3。但自2011年起，晶硅成本持续下降，单晶硅片和多晶硅片累计降价幅度均超过80%，致使晶硅太阳能电池成本持续下降，薄膜太阳能电池丧失成本优势。

　　薄膜太阳能电池量产产品转换效率落后。虽然薄膜太阳能电池理论光电转换效率及实验室光电转换效率进步幅度均高于晶硅薄膜太阳能电池，但受制于行业发展历史短、技术积累薄弱、生产工艺技术标准落后日美先进厂商等因素，中国量产的CIGS电池光电转换效率在14%-16%之间，CdTe电池光电转换效率在13%-14%之间，落后于国际先进厂商水平，薄膜太阳能bb电子电池潜力尚未得到充分挖掘，阻碍薄膜太阳能电池进一步推广。

　　薄膜太阳能电池轻质、温度系数低、弱光吸收能力强及柔性与刚性衬底多样性选择的特点展现出其潜在的广阔应用场景。

　　（1）BIPV建筑一体化：BIPV要求光伏组件尺寸、形状更加灵活，外观更加符合美学要求。而晶硅太阳能电池无法根据建筑特点改变外观形式，难以满足建筑行业需求。薄膜太阳能电池更加轻薄且具有良好的延展性，在产品形态、比例、颜色和纹理方面灵活性及定制化程度更高，达到建筑设计要求。薄膜太阳能电池厂商运用智能电网技术，加入智能电能转换控制装置，提高BIPV电池组件智能性与结合性。青海国投广场、瑞典光伏小镇等BIPV建筑已成功运用龙焱科技能源的CdTe电池产品，既满足建筑要求且具有视觉美感。

　　（2）交通工具：薄膜太阳能电池车顶具有轻质、柔性、抗风、发电稳定性好等特点，该产品一方面可用于存量燃油汽车改造，减少油料消耗；另一方面可制备于新能源汽车，为车辆提供辅助动力，增加新能源汽车续航里程，或置于房车车顶、光伏动力船等交通工具之上。以汉能子公司MiaSolé为例，其将柔性薄膜电池铺设于物流卡车顶，为卡车停车时提供电力，用于冷藏车、冷链物流及冷库，取代柴油推动，从而减轻营运成本。

　　（3）移动能源：移动互联网时代下，电子产品与消费者生活融合程度加深，而户外条件下，电子产品的能量需求得不到有效满足。柔性轻质的薄膜太阳能电池可制备成小型移动能源，便于消费者携带为电子产品提供电力。此外，移动能源可满足户外探险爱好者照明、煮饭、仪器充电等野外用能需求，提供能源保障。

　　2009年，Miyasaka教授发布第一篇钙钛矿电池研究成果的时候，钙钛矿电池实验室光电转换效为3.8%，到2019年，钙钛矿电池的实验室能量转换效率已经突破25%，钙钛矿晶硅叠层电池转换效率突破28%，进步幅度远超晶硅太阳能电池及其他薄膜太阳能电池，且晶硅+钙钛矿叠层电池的理论效率接近43%。

　　钙钛矿电池具有以下优势：（1）钙钛矿材料优化空间大，电池薄膜配方元素及配比方式多样，且可与晶硅叠加使用；（2）钙钛矿材料对纯度敏感度低，约98%纯度钙钛矿即可用于电池生产，而晶硅材料对杂质敏感，99.9999%（6个N）以上纯度晶硅才能用于电池制造；（3）钙钛矿电池工艺流程通常在 150℃以下环境进行，晶硅电池端的烧结温度在 800-900℃之间，能耗更低。

　　鉴于钙钛矿电池的独特优势，数十家企业从事对钙钛矿电池实用化的研究，但基本处于研发及商业化早期阶段，未形成成熟的产业链和行业格局。英国牛津光伏是钙钛矿电池领域佼佼者，创造出25.2%的实验室转换效率，并于2019年3月获得中国金风科技投资。中国市场方面，协鑫纳米是中国钙钛矿产业进展最领先的企业之一，已投入使用中试线和试验组件，并实现材料、设备到工艺的全面自主研发。

　　综上bb电子，光伏行业的未来必将有薄膜太阳能和晶硅太阳能的共同参与，但未来的长期发展中，薄膜太阳能电池方面会有更大的增长空间，也更值得市场 期待 。