一、太陽發電的兩種主要技術途徑

1光伏發電

通過光電轉化裝置直接將光能轉化為電能稱為“太陽能發電”，或者“光伏發電”。

太陽輻射的光子具有能量，根據量子力學中能量量子化理論可知，光子能量E=h=，其中h為普朗克常數，=h/2π稱作約化普朗克常數，和分別為光子的頻率和圓頻率，二者的值與光子的波長成反比，因此光子的能量是光子波長的函數，波長越長，能量越低，波長越短，能量越高。

迄今為止，光伏發電技術的主流依然是以硅基太陽電池為代表的半導體發電技術，其主要工作原理是照射到半導體上的光子激發半導體價帶中的電子至導帶，在PN結內建電場作用力的驅動下，電子-空穴自動分開，從而形成可以為外部負載利用的高能熱電子。

目前太陽電池的光電轉換效率仍然比較低，不能很好的滿足商業化要求，就硅太陽電池而言，致使效率低主要來自三方面：第一，光電池的半導體材料的禁帶寬度一般由材料種類決定，然而太陽光譜具有廣泛的頻率（波長）分布，根據能量守恒原理，能量低（小于Eg）的光子不可能激發價帶電子到達導帶，只能被散射或者穿過體材，這部分光子對光電轉換效率是沒有貢獻的。第二，高能光子（遠大于Eg）雖然能夠激發產生熱電子，但是根據能量守恒定律，必然還有△E=-Eg的能量以聲子的形式傳遞給了晶格，最終以熱能的形式耗散掉，雖然這部分高能光子的能量對光電轉換效率是有貢獻的，但是也遠遠達不到100%。第三，縱使價帶電子已經被激發至導帶，倘若沒有其他負離子或者電子及時補充給價帶中留下空穴，那么價帶中的熱電子也會由于電子-空穴間的庫倫作用力很容易地躍遷回價帶，

而大大降低了電池的電流I，又P=IV，，從而對光電轉換效率產生了很大的消極影響。

針對以上降低太陽電池效率的三點因素，可以在以下幾方面做出努力：第一，由太陽光譜圖可知，無論是在大氣層外還是經過大氣層散射、吸收、反射之后到達地表的太陽光譜能量都主要集中在可見光區域（400-800nm），從整體能量分布來看，主要分布在400-1500nm范圍，經過簡單計算（E=h(c/)），其對應的能量范圍為0.83-3.11eV，考慮到更多的能量是分布在短波區域，因此從轉換效率而言，對單結太陽電池，半導體材料的最佳禁帶寬度應該取在1.4-1.6eV左右。

實際上，無論是理論計算還是實驗驗證，單結太陽電池對光電轉換效率的博弈能力都是極其有限、表現平庸的。為了更加充分地利用利用廣泛波譜范圍的光能，人們構想了多結太陽電池，這種電池從上表面往下依次吸收能量逐漸降低的光子，具有較大的光電流，實踐證明這種電池確實可以憑借不同結材料廣泛吸收各種波長的光子，從而大大提高了光電轉換效率。

但是，如果從本質上講，多結太陽電池并沒有從根本原理上改變太陽電池的缺陷，因為這種辦法之所以可以提高太陽電池的效率，充其量歸因于原來各種低效率電池的低效率疊加，即每個結就是一個傳統太陽電池，故而。不管怎么說這種辦法確實是提高了電池效率。

上世紀90年代，瑞士科學家提出一種新型的太陽電池-量子點太陽電池。這種電池工藝簡單、成本低廉、環境友好。我在本科畢設期間制作過CdS單結量子點太陽電池，其基本工作原理為：在TiO2多孔結構中生長CdS量子點，透過透明導電玻璃的光子照射在CdS量子點上，激發產生熱電子，由于TiO2的導帶低略微低于CdS導帶低，因此CdS的熱電子像流水一樣悄悄流向TiO2，進而通過導電玻璃流出電池被負載使用。為了降低電子-空穴的復合效應，最初是的辦法是采用液態離子（如碘離子等）滲入TiO2孔洞迅速復合空穴阻止熱電子向下躍遷，憑此保證電池電流不會很小。

這種辦法與PN結型太陽電池相比原理是根本不同的，具有諸多優點的同時，也帶來了需要研究的問題。首先，電解液的穩定性很難得到保證，隨著使用時間的延長，電解液的溶液（如酒精）會揮發殆盡，電池壽終正寢。其次就是如何得到顆粒大小完美的量子點。倘若顆粒太小，光子吸收率必然大打折扣，如果顆粒太大，堵塞了TiO2孔洞，電解質不能及時進入孔洞與CdS空穴復合，進而不可避免地增加了電子-空穴復合幾率。

以上兩個問題中第一個，科學家們試圖制作固態電解質來避免揮發問題，目前尚未找到可以保證光電轉換效率很高的固態電解質。第二個問題顯然是個優化問題，最佳的顆粒大小應該是使TiO2表面布滿CdS量子點同時保證孔洞尚未堵塞（我的實驗表明隨著沉積CdS次數的增加，光電轉換效率先增加后降低，過了最佳沉積次數之后，由于顆粒較大，孔洞已經部分處于半阻塞狀態，當然效率下降可能并非完全歸于于這一點，顆粒的增大使量子效應減弱也可能是降低效率的因素之一）。

2太陽熱發電

通過收集太陽熱輻射能間接轉化為電能稱為“太陽熱發電”。

具體實現方式是通過集熱裝置將太陽輻射的熱能集中，驅動發電機發電。熱發電機一般包括集熱系統、熱傳輸系統、蓄熱儲能系統、熱機、發電機等。雖然太陽輻射到地球表面的總能量是龐大的，但是能流密度卻是很小的，分布廣泛而分散。目前主要有兩種利用方式：聚光式和聚熱式。

聚光式系統的集熱部分由聚光器、跟蹤定位器、吸收器構成。傳輸部分由管道和介質構成，介質通常為水或空氣。儲熱部分用來保證發電的連續性，介質多為熔鹽。

西班牙太陽能發電塔是典型的聚光發電技術。采用反射鏡將太陽光反射并聚集到接收器，接收器聚集太陽能并將其轉換為熱能，利用這種熱能產生熱蒸汽，推動渦輪發動機，切割磁場，從而發電。與半導體光電轉換不同，由于熱量存儲技術，這種光電轉換方式能夠某種程度上克服多云天氣和夜間的影響。

二、太陽能電池發展的新概念和新方向

基于傳統太陽能電池的缺點，一些新概念設計已經在太陽電池技術中顯現，從某種意義上說，預示了太陽電池發展的新趨勢。

1薄膜電池

硅基太陽電池的厚度已由上世紀70年代400-450下降到目前的200左右。但是隨著技術的發展也很難使厚度下降到80以下[4]。如果希望繼續削減厚度就需要需尋找新的半導體材料，如CIGS、GaAs、CdTe等。

電池器件的薄膜化有利于縮短光生載流子在器件中的擴散距離，降低空穴-電子復合幾率，提高光電轉換效率。另一個好處是，器件薄膜化大大節約了原料，降低了生產成本。

2柔性電池

此種電池因其柔性而可以勝任于平板電池無法勝任的曲目地帶，甚至可以成卷生產，便于規模化、商業化，輕盈的質量使其便于攜帶成為了可能。

3染料敏化太陽電池

染料敏化太陽電池被國際公認為第三代太陽電池，具有諸多競爭優勢。首先，電池制備工藝十分簡單，無需昂貴又耗能的高溫和高真空，也無需高純材料，只需簡單的化學工藝即可。從成本的角度，只是普通硅基太陽電池的1/3-1/5。此種電池可以薄膜化、柔性化，轉化效率也比較高。

它的缺點也是明顯的，液態電解液的泄漏、揮發引起的封裝困難和長期穩定性限制了它的發展。為了解決這個問題，研究人員將固態電解質取代液態電解質，解決了封裝問題，但是由于離子在其中的擴散速度慢，使電池的暗電流增大，導致光電轉換效率降低，同時電解質中存在的光腐蝕現象也不容忽視。一種比較理想的嘗試是采用凝膠電解液，液態電解質貫穿于交聯高分子三維網絡結構中形成兩相體系，電解液以連續液相存在于高分子三維網絡中，較大程度地保持了電解質離子在其中的擴散速率，進而獲得較高的光電轉換效率；同時高分子骨架能有效地減少溶劑揮發，保持了良好的穩定性。

燃料敏化太陽電池應用廣泛，前景光明。小到手機充電器、MP3播放器，大到建筑屋頂太陽發電，燃料敏化太陽電池無所不能。

4量子點太陽電池

2002年美國國家能源實驗室Nozik和澳大利亞新南威爾士大學Green兩個小組的研究同時指出：某些半導體量子點在被光譜末端的藍光或高能紫外線轟擊時，能釋放兩個或兩個以上電子。2004年美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室首次證明看上述結論[7]。簡單地說就是量子點可以超過100%的量子產額。

基于上述，人們認為利用量子結構的量子限制效應和能級分立特性，將其應用于太陽電池。目前尚處于理論探索和初步嘗試階段，潛在價值不可估量。