摘要
1957年10月4号，前苏联成功发射世界上第一颗人造卫星，开创了空间文明的新纪元。至2000年，世界上发射上天的卫星和航天器共5000多个。与此同时，为航天飞行器提供能源支持的太阳能电池技术也在不断革新进步。
太阳能电池是一种利用光生伏特效应把光能转换成电能的器件，又叫光伏器件，主要有单晶硅电池和单晶砷化镓电池等。太阳电池最初为空间航天器使用，空间航天器用单晶硅太阳电池的基本材料为纯度达0.999999、电阻率在10Ω·cm以上的P型单晶硅，包括p-n结、电极和减反射膜等部分，受光照面加透光盖片保护。它的理论光电转换效率为20%以上。单晶砷化镓太阳电池的理论光电转换效率为24%，它能在高温、高光强下工作，耐辐射损伤能力高于硅太阳电池，但镓的产量较少，成本高。光电技术在航天工业走向成熟，并在民用领域为人类提供更大的经济效益。经过几十年的发展，民用光电技术是一项被看好的未来主流能源之一。虽然现有的光电技术理论值较低，它为人类提供了一个能源利用的思路。
发展历史
1839年，当时的法国物理学家A.E.贝克勒尔（Alexander-Edmond Becquerel）发现了光生伏打效应；
1883年，美国科学家Charles Fritts所制造出来第一个“硒制”太阳电池；
1946年半导体研究学者Russell Ohl开发出现代化的“硅制”太阳电池；
1954年，科学家将硅制太阳电池的转化效率提高到4%左右，次年达到11%；
随后，太阳能电池技术开始应用于人造卫星；
19世纪70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。商用太阳能技术带来的未来收益促进了太阳能技术的快速革新。
太阳能电池的种类
目前太阳能电池的种类非常丰富，包括单晶体硅太阳能电池、多晶体硅太阳能电池、硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池、铜铟硒电池、有机半导体太阳能电池、纳米晶多孔薄膜太阳能电池等。
硅太阳能电池
硅太阳能电池这是以晶体硅为主要材料制备的太阳能电池, 包括单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池, 单晶硅太阳能电池是研究和开发最早的太阳能电池材料, 并保持着目前最高太阳能电池转换效率纪录。目前, 制造单晶硅太阳能电池的技术最为成熟。但是, 单晶硅太阳能电池成本较高。多晶硅和单晶硅的本质区别在于多晶硅内存在晶界, 晶体颗粒很小。多晶硅太阳能电池成本低廉, 但是转化效率比单晶硅电池低, 其实验室最高转换效率为18%, 工业规模生产的转换效率为10%。
单晶体硅电池的生产包括[i]
1、单晶体硅的制备
直拉法又称为切克劳斯基法，1917年切克劳斯基建立起来的一种晶体生长的方法，简称CZ法。直拉单晶制造是把原料多硅晶体块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化，再将一根直径只有10mm的棒状晶种（籽晶）浸入熔融液中。再适合的温度下，熔融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。
2、硅片切割，材料准备
将制成的单晶硅棒切割成方形硅片，边长一般为10~15cm，厚度约200~350微米。
3、去除损伤层
一般采用碱或酸腐蚀将切割损伤层去除，腐蚀厚度约10微米。一般包括滚磨、切割、研磨、倒角、化学腐蚀、抛光、检测抛光面等步骤。
4、制绒
制绒是通过改变电池表面结构，增强其对太阳光的有效吸收，进而提高太阳能电池的光电转换效率的方式。随机产生的金字塔工艺是目前在商品化太阳能电池中普遍采用的方法，其工艺简单，成本低廉，适合大规模生产。
5、扩散制结
扩散法主要有热扩散法、离子注入法、薄膜生长法、合金法、激光法和高频电注入法等。通常采用热扩散法制结，而热扩散法又分为涂布源扩散、液态源扩散和固态扩散之分。
6、边缘刻蚀、清洗
刻蚀的目的是去除扩散后硅片边缘的PN结，防止短路。湿法刻蚀是将刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀的技术，是一种低成本、普遍化的方法。它是一种具有优良的选择性的化学刻蚀，刻蚀完成就会停止，不会破坏下面一层的其他材料。其原理如下：
\(4HNO_3+3Si\rightarrow3SiO_2+4NO+2H_2O\)；
\(SiO_2+6HF\rightarrow\ H_2\left[SiF_6\right]+2H_2O\)；
7、沉积减反射层
沉积减反射层的目的在于减少表面反射，增加反射率。广泛使用PECVD技术淀积SiN，由于PECVD技术淀积SiN时，不单是生长SiN作为减反射膜，同时生成了大量的原子氢，这些原子氢对晶硅片具有表面钝化和体钝化的双重作用，可用于大量生产。
8、丝网印刷上下电极和共烧形成金属接触
电极的制备是太阳能电池制备过程中一个至关重要的步骤，它不仅仅决定了发射区的结构，而且也决定了电池的串联电阻和电池表面的被金属覆盖的面积。最早采用真空蒸镀或化学电镀技术，而现在普遍使用的是丝网印刷法，即通过特殊的印刷机和模板将银浆铝浆印刷在太阳电池的正背面，以形成正负电极线。
9、测试
完成测试后，即成。
多晶体硅电池的生产流程以多晶硅切片为原料，制成多晶硅太阳能电池芯片。处理工艺主要有多晶硅切片清洗、磷扩散、氧化层去除、抗反射膜沉积、电极网印、烧结、镭射切割、测试分类包装等[ii]。与单晶体硅电池的生产工艺大致相同。
纳米晶多孔薄膜太阳能电池
80年代以来，以瑞士洛桑高等工业学院M.Gratzal教授为首的研究小组一直致力于纳米多孔\(TiO_2\)膜的半导体电极研究，以过渡金属Ru及Os等有机化合物做染料，并配以适当的氧化还原电解质研制出一种纳米晶体化学太阳能电池[iii]。1998年其光电转化效率已达到33%，且成本低廉，制作简单，性能稳定。
\(TiO_2\)纳米晶多孔薄膜太阳能电池的制备[iv]：
1、二氧化钛薄膜的制备
合成前驱体溶液：以纯\(Ti{(OC_4H_9)}_4\)作为的前驱物，加入一定量的去离子水，为了延缓前驱物剧烈水解，加入一定量纯\(NH{(C_2H_5OH)}_2\)。为了形成纳米多孔结构，加入聚乙二醇[v]，并且孔的大小和尺寸与聚二乙醇的添加量有一定的关系，分布密度与其分子量有关。合成完成后，即进行镀膜工序。
2、天然叶绿素的提取及\(TiO_2\)膜的着色
自然晾干的树叶加丙酮研磨，过滤得到初始染料。然后和未研磨的树叶、涂有一层丙酮的未着色的\(TiO_2\)膜一同放入棕色瓶中，并置于黑暗处24h，使叶绿素充分吸附到\(TiO_2\)表面。
3、制备碳膜反电极
用软铅笔在导电玻璃上涂一层碳膜，并烧结。
4、完成电极的组装和测量
在\(SnO_2\)导电玻璃用溶胶-凝胶旋转法制备\(TiO_2\)纳米晶体多孔薄膜，其吸光度较低、透光性能良好，吸光值随镀层的增加而增加。其转换效率约为0.15%，转换效率较低的原因可能包括：天然材料本身转换效率较低；导电玻璃电阻大等。
实现高能量转换效率是推进有机太阳能电池走向应用的必要条件，但在此过程中仍有关键技术问题亟待解决，采用绿色溶剂对活性层体系进行加工便是其中重要的一项挑战[vi]。
太阳能电池的应用现状
太阳能电池由于它的可靠性和特有的优越性首先在航天技术上大显身手。1958年太阳能电池第一次登上人造卫星。至此航天、卫星就没离过太阳能电池，在未来的太空开发，包括未来在月球上建立太阳能电站，太阳能电池依旧是重要组成部分。
这项诞生于航天工业的革命性技术，在民用方面也得到大力发展，为人类解决能源危机提供了一个方案。在通信领域；公路、铁路、航运交通领域；石油、海洋、气象领域；农村和边远无电地区供电的民生领域等被广泛应用。
1、通信领域的应用
包括太阳能无人值守微波中继站，光缆通信系统及维护站，移动通讯基站，广播、通信电源系统，卫星通信和卫星电视接收系统，农村程控电话、载波电话光伏系统，小型通信机，部队通信系统，士兵GPS供电等。
2、公路、铁路、航运交通领域的应用
如铁路和公路信号系统，铁路信号灯，交通警示灯、标志灯、信号灯，公路太阳能路灯，太阳能道钉灯、高空障碍灯，高速公路监控系统，高速公路、铁路无线电话亭，无人值守道班供电，航标灯灯塔和航标灯电源等。
3、石油、海洋、气象领域的应用
石油管道阴极保护和水库闸门阴极保护的太阳能电源系统，石油钻井平台生活及应急电源，海洋检测设备，气象和水文观测设备、观测站的电源系统等。
4、农村和边远无电地区的应用
在高原、海岛、牧区、边防哨所等农村和边远无电地区应用的太阳能“离网”光伏发电系统、村庄、学校、医院、饭店、旅社、商店等的小型风光互补发电系统。解决无电地区的深水井饮用、农田灌溉等用电问题的太阳能光伏水泵。另外还有太阳能喷雾器、太阳能电围栏、太阳能黑光灭虫灯等。
在未来利用屋顶安装分布式光伏发电系统，以及用太阳能电池组件代替建筑材料、作为建筑物的屋顶和外立面使用，使得各类建筑物都能实现光伏发电系统与电力电网并网运行，以自发自用为主、剩余电力送入电网，这将是今后光伏发电应用的主要形式和发展方向。
未来发展方向
但是在应对能源危机的同时，不可忽视的是环境污染问题。作为清洁能源的太阳能电池一样会产生污染，和煤炭不同的是其不是在使用的过程中产生污染，而是在生产的时候产生。在多晶硅的生产提纯过程中会产生大量的废水，包括氯硅烷低沸物、氯化氢以及提纯分离塔的不凝气等工艺废气经淋洗处理产生的酸性废水。在破碎、细磨工段将产生大量的工业粉尘。这些污染物将对环境造成严重的影响[vii]。不过国家为了限制高污染、高能耗以及产能过剩等问题，“十二五”规划中已将多晶硅从鼓励类项目中删除。部分太阳能电池虽然在生产的过程，由于生产工艺等原因会造成环境污染，但并不影响它的清洁能源标签。
从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光—电转换装置的发明，及各国对再生清洁能源的需求增大，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。
[i] 项金冬，单晶硅太阳能电池的制备，网络
[ii] 多晶体硅太阳能电池生产工艺
[iii] O .ReganB .GratzelMA .Nature.1991, 353 (24) :737-739
[iv] 李长升,张成亮,付瑞鹏.\(TiO_2\)纳米晶多孔薄膜太阳能电池的制备[J].山东陶瓷,2004(03):9-12.
[v]陈文梅,赵修建.溶胶凝胶法制备\(TiO_2\)多孔纳米薄膜[J].武汉工业大学学报,2000(01):6-9.
[vi]Zhang, S.; Ye, L.; Zhang, H.; Hou, J. Mater. Today 2016, 19, 533.doi:10.1016/j.mattod.2016.02.019
[vii] 高少锋，武蕊.中国太阳能电池的发展现状与趋势[J].天津化工,2012,(4):14-16.