人們普遍認為，太陽能電池可以大致分為三個技術(shù)“代”之一。第一代電池是結(jié)晶的。第二代電池是硅和其他材料的非晶薄膜，旨在降低通常與傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶片生產(chǎn)相關(guān)的成本。但是，第三代技術(shù)的定義不太清楚，“第三代”的名稱通常僅限于所謂的新興技術(shù)。該組有時被描述為包括能夠克服單個結(jié)器件的Shockley-Queisser功率轉(zhuǎn)換效率極限（33.7％）的任何技術(shù)。大多數(shù)技術(shù)人員還將包括廣泛的其他轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括非半導(dǎo)體，如聚合物和染料敏化電池，由傳統(tǒng)材料堆疊（如非晶硅或砷化鎵）和納米技術(shù)構(gòu)建的串聯(lián)電池。

現(xiàn)在讓我們來看看仔細研究一下“第三代太陽能電池”成員的候選人。

染料敏化太陽能電池（DSC或DSSC）源自光合作用研究（圖1）。在20世紀60年代后期，在研究從植物中提取的葉綠素時，伯克利的研究人員意識到有機染料可以在電化學(xué)電池的氧化物電極上產(chǎn)生電能。增加電荷收集的表面積被認為是提高電池效率的途徑。最終，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的一個團隊發(fā)現(xiàn)二氧化鈦（Ti2O）是理想的陽極材料。這種基本的電池設(shè)計現(xiàn)在是大多數(shù)DSSC研究的基礎(chǔ)，并且在其發(fā)明者之后被稱為Gr?tzell電池。

圖1：染料敏化太陽能電池示意圖（由SPIE提供）。

DSSC可以通過改性有機染料來適應(yīng)服務(wù)中預(yù)期的光照條件。這些常見的化學(xué)物質(zhì)已被很好地理解，其發(fā)展可追溯到紡織工業(yè)的早期階段。 DSSC的第二個主要成分是TiO2。這種材料也很豐富，因為它是許多應(yīng)用的首選白色顏料，從油漆到紙張，甚至是牙膏。極端白色是由于高折射率導(dǎo)致使用TiO2作為光學(xué)涂層材料以及許多防曬乳液中的封閉劑。

由于TiO2作為一種廣泛可用，易于生產(chǎn)，價格低廉且特性良好的材料，染料敏化太陽能電池作為第三代電池研究的目標已經(jīng)變得非常流行。

TiO2天然形成非常多孔的層，導(dǎo)致陽極表面積高，從而提高電池效率。但是對這種材料的更有針對性的研究已經(jīng)導(dǎo)致更高的表面積層。納米技術(shù)研究人員已經(jīng)開發(fā)出TiO2加工技術(shù)，以創(chuàng)造出許多不同的納米結(jié)構(gòu)材料。 TiO2在納米管和納米線形式中相對容易生產(chǎn)，非常適合于最大化DSSC器件的效率。

許多新興電池類型與傳統(tǒng)硅光電池相比具有明顯的優(yōu)勢，特別是在建筑集成光伏（BIPV）應(yīng)用和基板靈活性非常重要的應(yīng)用中。但是，仍有一些問題需要解決。例如，與競爭對手相比，DSC電池往往具有較短的壽命和其他可靠性問題。雖然DSSC在第三代技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，其頂級電池效率超過11％，但將其推向商業(yè)化的有用范圍，自20世紀90年代末以來進展相對平穩(wěn)。幸運的是，最近出現(xiàn)了其他納米結(jié)構(gòu)器件，并且其短壽命顯示出非常快速的改善（圖2）。

圖2：技術(shù)和年份太陽能電池效率的趨勢（由NREL提供）。

納米結(jié)構(gòu)的效用不僅限于它們?yōu)槿玖厦艋柲茈姵靥峁┑挠行娣e改進。粒子的大小實際上可用于設(shè)計材料的屬性。由于電荷載體是物理限制的，因此可以嚴格控制它們的相互作用以影響材料的整體性質(zhì)。量子點是這些納米結(jié)構(gòu)的一類，其允許材料的極小島的尺寸被用作器件性質(zhì)的設(shè)計參數(shù)。多年來一直參與量子點研究的學(xué)術(shù)團體位于多倫多大學(xué)。由Ted Sargent教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊一直在為許多應(yīng)用開發(fā)量子點技術(shù)。 Sargent集團最近通過設(shè)定量子點太陽能電池的效率記錄，在光伏器件方面取得了突破。

Sargent Group的研究重點是膠體量子點（CQD）光伏技術(shù)。在他們的CQD技術(shù)中，硫化鉛（PbS）納米顆粒懸浮在載液中。將膠體懸浮液施加到基材上是通過旋涂或噴涂。因此，CQD光伏通常被稱為“太陽能涂料”。

即使是薄膜光伏技術(shù)的后沿，Sargent團隊還有很長的路要走。但是他們的設(shè)備非常接近。自從達到5.1％的效率記錄以來，持續(xù)改進可能是為了使“太陽能涂料”可以服務(wù)的市場具有競爭力所必需的。例如，可以涂覆多個層，每個粒度適合于給定波長，以獲得更多的陽光中包含的能譜。即使對于太陽能涂料，似乎許多薄涂層比一層厚涂層更好。量子點光伏的商業(yè)化可能不依賴于未來的革命性發(fā)現(xiàn)，但如果確實出現(xiàn)這種情況，那么太陽能涂料可能會開始取代主導(dǎo)當(dāng)前市場的晶體器件。

硅光伏生命在其中留下了生命

盡管新興的太陽能收集技術(shù)有很大的前景，但許多傳統(tǒng)技術(shù)在未來幾年仍將繼續(xù)保持市場可行性。考慮非晶硅可能的面板形狀因數(shù)范圍。用于AM-1456CA的Sanyo薄膜器件為10 mm×25 mm，AM-5902CAR為30 mm×37.5 mm，而實用規(guī)模的面板則由儀表測量并由同一批量生產(chǎn)設(shè)備驅(qū)動。大型平板電視的普及。

晶體硅器件也是多種多樣的。 IXYS的Ixolar系列（圖3）提供22％的電池效率，具有多種模塊配置，例如較大的SLMD481H12 78 mm×90 mm，具有全功率峰值輸出功率。

圖3：Ixolar SLMD481H12太陽能電池（由IXYS提供）。

不要等待

1954年，貝爾實驗室開創(chuàng)了第一個太陽能電池，使用價值12，000美元的這些設(shè)備來運行普通的家用烤面包機。現(xiàn)在，經(jīng)過幾十年的研究和進步，只能被描述為“不到摩爾定律的步伐”，我們似乎終于處于實現(xiàn)第三代光伏技術(shù)的邊緣，以捕捉太陽的無限能量。因此，涉及能量收集的設(shè)計工程師或采購經(jīng)理必須考慮的問題是：我是否應(yīng)該推遲等待下一代太陽能電池的購買決策？總之，答案是否定的。盡管在本十年結(jié)束之前很有可能取得重大突破，但在第三代太陽能電池離開實驗室并進入一天工作世界之前還有很多工作要做。在此期間，您可以找到適合您能量收集設(shè)計需求的精選當(dāng)前產(chǎn)品。