介绍一支太阳能电池里的“潜力股”
提起太阳能电池，大家应该都不陌生。太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光发电的光电半导体薄片，在光照条件下瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。
太阳能电池
太阳能电池怎么命名？看吸收层材料
太阳能电池片由许多层材料层层堆积而成，每一层的功能不同，其中最重要的一层叫做吸收层，绝大部分入射的光都是在这一层被吸收，吸收层吸收的光越多，产生的电流越大。
因此，绝大部分太阳能电池都是用吸收层材料的特性或者名字来命名的。比如，晶体硅太阳能电池，吸收层材料是单晶硅或者多晶硅；薄膜太阳能电池，吸收层是几个微米的薄膜材料；钙钛矿太阳能电池，吸收层是钙钛矿结构的材料。
太阳能电池内部结构示意图
三代太阳能电池，各有千秋
根据太阳能电池的发展历程，目前人们把太阳能电池划分为三代。
第一代，是晶体硅太阳能电池。这类电池的特点是工艺成熟、效率高，但是由于硅是间接带隙半导体，光吸收系数低，电池需要做厚才能吸收绝大部分入射的太阳光，耗费原材料多，成本高。
第二代，是薄膜太阳能电池。顾名思义，电池可以做很薄，节约原材料，但是目前商业化的组件效率还达不到晶体硅的水平，尚处于萌芽状态。
第三代，是钙钛矿太阳能电池。该类电池实验室的最高效率在短短的几年间由3.8%（2009年）迅速增加到22.1%（2016年）接近晶体硅的效率，但是这类电池存在材料的稳定性以及高效电池器件的稳定性等问题，还无法投入应用。
第一代、第二代和第三代单节电池的示意图（图片来自网络）
薄膜太阳能电池：厚积薄发
从市场占有份额来看，第一代晶体硅太阳能电池依然是太阳能电池的主力军，约占90%的市场份额；从科学研究来看，当下最热门的太阳能电池要数第三代的钙钛矿太阳能电池。
而第二代的薄膜太阳能电池，无论从市场还是科研的角度，它表现都不是特别突出。那么，它是怎么在这激烈的竞争中占据自己的一小片天地呢？
它有两个“独门绝技”：第一，弱光性优势明显；第二，种类丰富。
首先，薄膜电池弱光性优势明显。就是说，它在光线较暗的情况下，依然能够产生电流。这是晶体硅太阳能电池不具备的。
薄膜太阳能电池的弱光性，让它在光照条件不好的山区，或者作为建筑幕墙使用时具有不可替代的地位。因此，薄膜太阳能电池是对现有晶体硅太阳能电池主导的光伏市场的良好的补充。
其次，薄膜太阳能电池种类多，每一种都各具特色。目前的明星薄膜太阳能电池包括：砷化镓、碲化镉和铜铟镓硒太阳能电池。
砷化镓，转换率非常高，组件效率最高可以到达24.1%，并且具有抗辐射的特性，当然制备工艺也非常严苛，主要应用在不计成本的太空领域；
碲化镉是薄膜太阳能电池市场比较活跃的投资项目，技术成熟，但是还处在美国First Solar独家垄断阶段，组件效率达到18.6%；
铜铟镓硒电池性能稳定、抗辐射能力强，实验室小面积电池的光电转换效率目前是各种商业薄膜太阳电池之首约为22.6%，大面积组件最高效率约为17.5%。
以上三种薄膜太阳能电池尽管在太空或者商业领域表现良好，但他们都含有地球中储量稀少，并且有毒的元素，比如，砷、碲和铟，极大地限制了未来大规模产业化的发展。
如何让薄膜太阳能电池变得绿色环保？可以从材料入手
自2009年起，人们开始关注一种新的薄膜太阳能电池材料，它的所有组成元素在地球中储量丰富、无毒，是非常有希望的绿色环保电池，结构和性能都与铜铟镓硒有很大的相似性——铜锌硒硫。
但是它的实验室最高效率也只有12.7%，远不及铜铟镓硒的实验室最高效率22.6%。其中一个原因，就是其中的缺陷行为跟铜铟镓硒中的差异很大。
最近，中科院固体所的曾雉研究员团队，对铜锌硒硫的缺陷进行了系统的研究。他们从理论上筛选出了铜锌硒硫中阻碍电池效率的缺陷类型，并提出了抑制办法，建议实验上在合成铜锌硒硫的时候，锡的实际用量比材料化学配比所需的多，并且用镉对铜锌硒硫进行稀掺杂，采取这两种方案能够降低有害缺陷，提高电池效率。
缺陷调控机理
铜锌硒硫太阳能电池的发展，为实现环境友好的低成本高效率太阳能电池提供了可能。然而，它的效率要想赶超硅太阳能电池，单单从材料本身调控上入手还是远远不够的，还需要结合器件工艺、光学工程等技术。
随着技术的不断发展，薄膜太阳能电池的效率若能提高到晶体硅的水平，其成本将远低于晶体硅电池。因此从产业的长远布局来看，发展薄膜技术是毋庸置疑的，非常有利于优化我国的能源结构。