光電轉換效率是指太陽電池器件將光轉化為電的能力大小，亦即發(fā)電效率，是衡量太陽電池性能最重要的參數(shù)，它與電池的結構、結特性、材料性質、電池工作環(huán)境等均有關系。通常文獻中報道的小面積電池及太陽電池組件的額定出廠效率測試標準條件為AM1.5的模擬太陽光（AM即air mass，大氣質量，由于太陽光入射到地球不同緯度的天頂角不同，因此相對的等效大氣質量也不同。AM1.5等同于天頂角48.2°，包括亞洲、歐洲、美洲等在內的絕大多數(shù)國家和地區(qū)都處在這個中緯度區(qū)域，因此一般地表的太陽光譜都用AM1.5表示，能量為1000W/ m²）。此外，太陽電池的重要參數(shù)有開路電壓、短路電流、填充因子及最大功率等。開路電壓是指標準測試條件下電池在兩端開路時輸出的電壓值；短路電流是指標準測試條件下輸出端短路時流過電池兩端的電流值；太陽電池的工作電壓和電流是隨負載電阻不斷變化的，若選擇的負載電阻值能使輸出電流和電壓的乘積為最大，即可獲得器件的最大輸出功率，用Pm表示，此時的工作電壓和工作電流分別為Vm和Im，被稱為最佳工作電壓和最佳工作電流；填充因子是指最大功率與開路電壓和短路電流乘積之比，代表太陽電池在最佳負載時能夠輸出的最大功率特性。

按照材料類型通常將太陽電池分為以下幾種：硅太陽電池、無機化合物半導體太陽電池、染料敏化太陽電池、有機太陽電池、有機-無機雜化太陽電池。

1.  硅太陽電池

硅太陽電池包括晶體硅和非晶硅太陽電池，其中晶體硅太陽電池分為單晶硅和多晶硅太陽電池。晶體硅太陽電池制備工藝成熟，轉換效率高，現(xiàn)在的市場占有率在70%以上。由于硅元素在地球上儲量巨大，制備的硅電池性能穩(wěn)定，已有正常運行20年以上的晶體硅太陽電池光伏電站，現(xiàn)階段晶體硅太陽電池仍牢牢占據(jù)光伏市場的霸主地位。

1.1    晶體硅太陽電池

1.1.1 單晶硅太陽電池

單晶硅是研究最早，最先進入太陽電池商業(yè)應用的半導體材料，因此對單晶硅太陽電池的研究最為深入，制備技術也最為成熟。最初單晶硅太陽電池應用于空間領域，是衛(wèi)星及航天器的主要電源，上個世紀七十年代開始地面應用的研究。此種太陽電池以高純（＞99.9999%）單晶硅錠為原料，為降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)在地面用單晶硅太陽電池均采用太陽能級單晶硅棒，材料性能指標有所放寬，有的也可使用半導體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅原料經(jīng)由反復拉制制成太陽電池專用的單晶硅棒。

單晶硅太陽電池的外觀和結構如圖3所示。目前N型單晶硅太陽電池的世界最高效率由日本Kaneka公司保持，為小面積（72cm²）26.7%，組件（13177 cm²）24.4%；哈梅林太陽能研究所(ISFH)和漢諾威萊布尼茨大學在一塊經(jīng)過特殊處理的叉指P型單晶硅片背面使用了多晶硅脫氧–多晶硅氧化物–觸點工藝，實驗室電池轉換效率達到26.1% 。

1.1.2 多晶硅太陽電池

多晶硅太陽電池的結構與單晶硅類似，唯一的不同是吸光主體材料是由多個不同晶向的晶粒組成的。外觀上，單晶硅電池的顏色是均勻的，多晶硅（如圖4所示）則會因存在不同晶向的晶粒而呈現(xiàn)出不同不均勻的“花紋”狀圖樣，這也可以作為從外觀上判斷電池是單晶硅還是多晶硅的依據(jù)之一。目前多晶硅太陽電池的實驗室最高效率是由FhG-ISE創(chuàng)造的22.3%，面積為3.923cm ^2[4]；多晶硅太陽電池組件效率則是由常州天合創(chuàng)造并保持的19.9%。

1.2 非晶硅薄膜太陽電池

晶體硅太陽電池被稱為第一代太陽電池，其主要特征是吸光主體硅材料厚度在幾百個微米左右，這是由硅材料的間接帶隙這一性質決定的。晶體硅太陽電池由于厚度較厚，因此也被稱作“體太陽電池”。相對應的，非晶硅太陽電池由于厚度只有幾個微米甚至幾百納米(如圖5所示)，比晶體硅太陽電池薄100倍，被稱為非晶硅薄膜太陽電池。與晶體硅太陽電池相比，非晶硅薄膜太陽電池有原料成本低、制造成本低及壽命長等優(yōu)點。此類太陽電池由Carlson和Wronski在上世紀70年代中期開發(fā)成功，80年代其生產(chǎn)曾達到高潮，當時約占全球太陽電池總量的20%左右。然而非晶硅薄膜太陽電池的不足也很明顯，由于其光電轉換效率遠低于晶體硅，且存在嚴重的光致衰減效應，亦即效率會隨光照時間的持續(xù)而衰減，因此非晶硅太陽電池的發(fā)展逐步放緩，近幾年基本處于停滯狀態(tài)。目前非晶硅薄膜太陽電池的實驗室小面積效率為10.2%，此效率是由日本產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所AIST于2013年創(chuàng)造并保持的 ^[6]。截至目前，僅有非晶硅-納米晶硅疊層太陽電池組件的效率被報道出來，為12.7%，此項記錄也是由AIST創(chuàng)造的。

圖5. 非晶硅薄膜太陽電池的結構示意圖

2.   化合物半導體太陽電池

2.1  III‐V族太陽電池

III‐V族太陽電池主要指GaAs及InP太陽電池。GaAs是直接帶隙材料，抗輻照性能好，1.42eV的禁帶寬度處于匹配于太陽光譜的最佳能隙范圍，且具有很高的理論轉換效率，是空間及高倍聚光太陽電池材料的最佳選擇。GaAs太陽電池第一次大規(guī)模應用是在前蘇聯(lián)向金星發(fā)射的宇宙飛船Venera-2和Venera-3上，并且KVANT為每個飛船只做了2m²的GaAs太陽電池陣列。1970年發(fā)射的Lunokhod-1和1972年發(fā)射的Lunokhod-2都配備了4 m²的GaAs太陽電池陣列，這些電池組件在月球輻照面上的工作溫度約為130℃，在月球車壽命期間有11%的效率 ^[9]。由于其優(yōu)異的抗輻照能力和低溫度系數(shù)，GaAs太陽電池還是以星用為主。目前GaAs太陽電池的最高效率是Alta Device在2011年創(chuàng)造的28.8%，是所有單結太陽電池中效率最高的 ^[10]。此外，其優(yōu)異的耐高溫性質使得GaAs電池更適合做成聚光太陽電池。與普通固定式太陽電池相比，在產(chǎn)出相同電能的情況下，聚光太陽電池所需要的半導體材料很少，極大降低了太陽電池的原料成本，與GaAs材料成本相比，菲涅爾透鏡聚光系統(tǒng)或拋物面鏡聚光系統(tǒng)的成本較低，另外，聚光系統(tǒng)需要的面積也相對較小，因此一般地面用GaAs太陽電池都是以聚光組件形式出現(xiàn)的，如圖7所示。 

2.2   CdTe薄膜太陽電池

CdTe材料屬于Ⅱ～Ⅵ族化合物半導體，是禁帶寬度為1.46eV的直接帶隙材料，其吸收系數(shù)高達～10⁵cm^-1。與太陽光譜有很好的匹配，因此，對能量高于CdTe禁帶寬度的太陽光而言，lμm厚的CdTe即可以有效吸收其99%，非常適合作為薄膜太陽電池中的吸收層材料來應用。同質結CdTe薄膜太陽電池的理論轉換效率高于28%。圖8為傳統(tǒng)碲化鎘多晶薄膜太陽電池的結構示意圖，主體為n-CdS/p-CdTe異質結。1963年，Cusano報道了第一個效率為7%異質結CdTe薄膜電池，結構為n-CdTe/p-Cu2-xTe電池。之后由于未能發(fā)現(xiàn)與n-CdTe匹配形成良好異質結的其它材料，研究重點轉向p-CdTe/n-CdS異質結電池。Adirovich發(fā)展了現(xiàn)在普遍采用的CdTe太陽電池基本結構“glass/TCO/CdS/CdTe”。1972年，Bonnet和Rabenhorst報道了轉換效率為5～6%的以漸變帶隙CdSxTe1-x薄膜作為吸收層的太陽電池。1982年，T. L. Chu等報道了效率為7.2%的n-ITO/p-CdTe結構的CdTe薄膜太陽電池。目前，小面積碲化鎘太陽電池的最高效率22.1%是美國First Solar于2016年創(chuàng)造的^[13]。

由馮良桓教授領導的四川大學太陽能材料與器件研究所自1996年率先在我國開展了II-VI族化合物半導體薄膜太陽電池材料和器件的研究，創(chuàng)造了碲化鎘薄膜太陽電池轉換效率的第一個國家記錄。進入本世紀，在執(zhí)行國家“十五”“十一五”863重點計劃過程中，建成了我國第一條具有自主知識產(chǎn)權的化合物半導體薄膜太陽電池中試生產(chǎn)線，2012年建成了一條年產(chǎn)2MW的生產(chǎn)線，制造出7200cm²轉換效率為8.96%的大面積碲化鎘薄膜太陽電池組件，為發(fā)展我國碲化鎘薄膜太陽電池的產(chǎn)業(yè)化做出了開創(chuàng)性的貢獻。近年，課題組又先后研制出轉換效率為16.28%，16.73%的碲化鎘薄膜太陽電池，連續(xù)創(chuàng)造了我國碲化鎘薄膜太陽電池的最高效率。目前四川大學研制的小面積CdTe太陽電池效率為17.01％（0.5 cm²），而CdTe太陽電池的中國效率現(xiàn)由在本世紀初創(chuàng)造了全球碲化CdTe電池最高效率的吳選之教授于2007年回國后創(chuàng)建的龍焱能源科技股份有限公司創(chuàng)造并保持，為17.33%。

2.3 銅銦硒薄膜太陽電池

銅銦硒（CuInSe2，簡稱CIS）薄膜材料是屬于Ⅰ～Ⅲ～Ⅵ2族直接帶隙化合物半導體材料，光學吸收系數(shù)達到105量級，薄膜厚度約為1～2μm就能充分吸收太陽光，能隙寬度為1.02eV。通過摻入適量的Ga元素以替代部分In成為與CuInGa2 (簡稱CGS）的固溶半導體（簡稱CIGS），其禁帶寬度可在1.02～1.67eV范圍內調整，這樣就可以使太陽電池進行能隙的優(yōu)化。CIGS薄膜電池吸收系數(shù)高、效率高、且無衰退，在太陽光譜的響應范圍很寬，陰雨天條件下輸出功率高于其他任何種類的太陽電池。其電池結構示意圖如圖9所示。CIGS薄膜電池中各層材料的結構和性能都決定電池的總體轉換效率。目前小面積CIGS薄膜太陽電池的最高效率為22.9%，由日本Solar Frontier創(chuàng)造并保持。此外，德國ZSW、日本AIST都在CIGS太陽電池的研究方面有不俗的表現(xiàn)。

3.   染料敏化太陽電池

染料敏化太陽電池(DSC)是一種新型基于氧化還原反應的化學電池，其工作原理類似于植物的光合作用，由納米多孔半導體材料、染料敏化劑、氧化還原電解質、對電極和導電襯底等幾部分組成。其基本結構和工作原理示意圖如圖10所示。DSC工作時染料分子受太陽光照射后由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，將電子注入到納米多孔半導體的導帶中，然后擴散至導電基底流入外電路，處于氧化態(tài)的染料被電解質還原再生，電解質變成氧化態(tài)，氧化態(tài)的電解質再在正極處接受電子被還原，完成一個循環(huán)。DSC的主要優(yōu)勢是：原材料豐富、工藝技術相對簡單、成本低，同時所有原材料和生產(chǎn)工藝都是無毒、無污染的，部分材料可以得到充分回收，對保護環(huán)境具有重要的意義?，F(xiàn)階段染料敏化太陽電池世界效率為11.9%，該記錄是由日本夏普公司于2011年創(chuàng)造的。

我國在DSC基礎研究方面獲得了許多卓有成效的結果。中國科學院等離子體物理研究所在大面積DSC研究方面做了大量的研究工作^[19-22]，在2003年成功制備出光電轉換效率~6%的15cm×20cm及40cm×60cm的電池組件，報道了效率7.4%的條狀大面積（18cm×0.7cm）電池實驗結果，同時并聯(lián)大面積電池（18×0.7cm×13cm）獲得5.9%的光電轉換效率，在0.5個太陽光照強度下達到7.3%。2004年，在中科院等離子體物理研究所建成了500W太陽電池示范電站，運行良好穩(wěn)定，突破了DSC在電極、密封和連接上的應用"瓶頸"。2012年在銅陵市成功建成了0.5MW的DSC中試線，為該電池的產(chǎn)業(yè)化應用打下了堅實的基礎。

4.   有機太陽電池

有機太陽電池是上世紀90年代發(fā)展起來的新型太陽電池，以有機半導體作為實現(xiàn)光電轉換的活性材料，從廣義上來講，凡是涉及有機半導體材料的太陽電池都可稱為有機太陽電池。通常用于有機太陽電池的材料具有大量由交替碳碳單鍵和碳碳雙鍵組成的共軛鍵，其電子的簡并軌道是離域的，形成了離域成鍵軌道π軌道和反鍵軌道π*。離域π鍵是電子最高占據(jù)軌道HOMO，反鍵軌道π*是最低電子未占據(jù)軌道LUMO，HOMO和LUMO的能級差被認為是有機半導體材料的帶隙，適于用作太陽電池的有機半導體材料一般帶隙在1.4eV，亦即處于太陽光譜的最佳匹配范圍之內。圖12是有機太陽電池的基本結構，其中左邊給體材料和受體材料順次沉積而成的結構被稱為“平板結構”（planar），右邊給體受體材料同時沉積混合而成的結構被稱為體結構（bulk），一般來說，小分子有機太陽電池采用平板結構而聚合物太陽電池采用體結構。有機太陽電池與傳統(tǒng)無機太陽電池的最大區(qū)別是有機材料吸收光子之后形成被局限在一個分子或一條聚合物鏈上的由靜電力作用結合的一個電子和空穴，稱為激子，其結合能的典型值是1eV遠大于無機半導體材料，這也是限制有機太陽電池性能的一個關鍵因素。與非晶硅、染料敏化等太陽電池相似，最近幾年有機太陽電池的發(fā)展也非常緩慢，最高效率為日本東芝公司保持了3年之久的11.2% 。

圖12 有機太陽電池的基本結構示意圖

5.  有機-無機雜化太陽電池

如前文所述，非晶硅薄膜太陽電池、染料敏化太陽電池及有機太陽電池的發(fā)展幾近停滯，最主要的原因是由于2009年“橫空出世”的鈣鈦礦太陽電池，它在短短八年時間，效率從3.8%飆升到22.7%^[25]，這是任何一種太陽電池都無法企及的發(fā)展速度，因而幾乎所有做太陽電池的研究小組都或多或少投入了精力做鈣鈦礦太陽電池相關的研究工作。鈣鈦礦材料是一類結構式為ABX3的化合物，典型材料為CaTiO3，SrTiO3等，其中X是陰離子，A和B是不同半徑的陽離子（離子半徑A＞B）其晶體結構如圖13所示，有機鉛鹵鈣鈦礦是由有機陽離子、鹵素陰離子和無機金屬陽離子在分子水平上組裝行程的鈣鈦礦結構材料，其中有機陽離子為直鏈烷烴、芳香烴基胺及聚合物等，鹵素陰離子包括F、Cl、Br、I。此類鈣鈦礦材料能帶、晶體結構、熱穩(wěn)定性、光電性質等收材料體系組分影響。一般所謂“鈣鈦礦太陽電池”都是基于此種材料制作完成的，鈣鈦礦太陽電池也因此被稱為有機-無機雜化太陽電池。

2009年Miyasaka首次報道基于CH3NH3PbI3的敏化太陽電池，其光電轉換效率為3.8%。2011年Park等以CH3NH3PbI3納米晶作為敏化劑將電池效率提升到6.5%，但CH3NH3PbX3會被I3/I電解液分解而使其穩(wěn)定性變差，在短短10分鐘內器件效率衰減80%。2013年Gr?tzel等采用能夠與鈣鈦礦材料能帶結構相匹配的空穴傳輸材料-2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(化學式：Spiro-OMeTAD)替代電解液，制備出效率高達15.4%的鈣鈦礦電池，避免了電解液分解吸收層問題，因而后期研究工作中采用有機空穴傳輸材料Spiro-OMeTAD替代電解液，使鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性和工藝重復性大大提高。此后鈣鈦礦太陽電池的效率仍不斷被刷新，被nature新聞報道為2017年值得期待的科學事件，且一直保持強勁的發(fā)展勢頭，更有報道稱鈣鈦礦將來要全面取代硅晶體材料。其實鈣鈦礦太陽電池要真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還面臨許多問題。首先在評估太陽能電池性能方面，由于世界范圍內各研究組的實驗室條件有所不同，缺乏統(tǒng)一、嚴格的測量條件，所以在比較各研究組不同評測結果的時候，難以得到可靠的結論。其次，材料對空氣和水的耐受性差，因此太陽電池穩(wěn)定性、壽命短。再次，目前的高效率鈣鈦礦電池中的吸光材料普遍含有鉛，如果大規(guī)模使用將會帶來環(huán)境問題，因此需要研發(fā)出光電轉換效率高的無鉛型鈣鈦礦材料。最后，由于大面積成膜均勻性難題，仍需進一步發(fā)展從實驗室平方厘米量級到規(guī)模化應用平方米量級性能穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽電池器件制備技術。

鈣鈦礦太陽電池有非常好的發(fā)展及應用前景，“全民鈣鈦礦”的空前盛況也將鈣鈦礦太陽電池向無鉛、高穩(wěn)定性、可大面積均勻制備等方向不斷推進。然而如若無法解決電池衰降及大面積制備技術瓶頸，短期內鈣鈦礦的產(chǎn)業(yè)化也只能尋求一些特殊應用場景如短壽命一次性電子產(chǎn)品電源供給。目前沒有人能夠預測鈣鈦礦太陽電池的未來，不論是成為影響能源變革進程的一匹黑馬，還是熱潮褪去后被大眾逐漸遺忘的一現(xiàn)曇花，都已無法抹煞它在材料科學研究歷程里留下的濃墨重彩的筆畫。