太陽(yáng)能電池領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)分析及潛在技術(shù)探測(cè)

侯劍華　郭爽

〔摘 要〕當(dāng)今，太陽(yáng)能電池成為全球能源可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。本文以太陽(yáng)領(lǐng)域的5個(gè)代表性期刊中2001-2014年公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)為研究對(duì)象，利用信息可視化方法，探測(cè)了太陽(yáng)能電池領(lǐng)域近十年發(fā)展歷程中關(guān)鍵技術(shù)和潛在技術(shù)，研究得出當(dāng)前太陽(yáng)能電池領(lǐng)域研究主要集中在光電轉(zhuǎn)換材料、電池片制造加工以及可靠性3個(gè)方面；不同代際的太陽(yáng)能電池處于不同的技術(shù)生命周期階段；潛在關(guān)鍵技術(shù)主要包括：基于材料吸光度的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，薄膜電池片規(guī)?；圃旒夹g(shù)，聚合物太陽(yáng)能電池的維護(hù)與延壽。

〔關(guān)鍵詞〕太陽(yáng)能電池；關(guān)鍵技術(shù)；潛在技術(shù)；CiteSpace軟件

DOI：10.3969/j.issn.1008-0821.2015.09.019

〔中圖分類號(hào)〕G250252 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A 〔文章編號(hào)〕1008-0821（2015）09-0098-07

〔Abstract〕Nowadays，Solar cells has played an important role in the global sustainable development.Samples include papers published on 5 representative journals in solar fields during 2001 to 2014，the key technology and potential technology nearly ten years in solar field development history are detected by information visualization.Results showed that photoelectric conversion materials，manufacture of battery pieces and stability of solar cells are major research contents in the field of solar cell；cells belonging to different generations are in various technology lifecycle stages；potential key technologies include multilayered structure design based on absorbancies of materials，film battery manufacturing technologies in large scale，as well as maintenance and life-extension of polymer solar cells.

〔Key words〕solar cell；key technology；potential technology；CiteSpace

能源是人類社會(huì)生存與發(fā)展的根基。隨著人類社會(huì)的快速發(fā)展，能源大量消耗導(dǎo)致的能源短缺和環(huán)境污染，是當(dāng)前以及未來(lái)世界各國(guó)都必須直視的問(wèn)題，因此對(duì)可再生能源的研究和利用上升到空前的戰(zhàn)略地位。太陽(yáng)能既是一次能源，也是最主要的可再生能源之一，具有資源豐富，分布廣泛等優(yōu)點(diǎn)，其利用方式主要有太陽(yáng)熱能利用、太陽(yáng)能光伏發(fā)電和光電解制氫等方式[1]。其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電是當(dāng)前太陽(yáng)能領(lǐng)域最受關(guān)注的研究領(lǐng)域。

自1953年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制出光電轉(zhuǎn)換效率為6%的單晶硅太陽(yáng)電池以來(lái)，類型豐富的太陽(yáng)能電池接連問(wèn)世。按照結(jié)晶狀態(tài)，太陽(yáng)能電池可分為結(jié)晶薄膜式和非結(jié)晶薄膜式；按照材料可分為硅薄膜型、多元化合物薄膜型、聚合物多層修飾電極型、納米晶類型和有機(jī)太陽(yáng)能電池[2]。國(guó)內(nèi)李欣、黃魯成[3]通過(guò)Fisher-Pry模型分析，對(duì)1974-2010年間全球染料敏化太陽(yáng)能光伏技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行研究；楊中楷、劉佳[4]利用太陽(yáng)能光伏電池?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)知識(shí)圖譜方法展現(xiàn)了技術(shù)沿革的歷史脈絡(luò)；李春發(fā)；曹瑩瑩[5]利用CiteSpace軟件對(duì)全球的能值研究熱點(diǎn)進(jìn)行可視化分析。然而，近幾年專門對(duì)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的分析特別是對(duì)未來(lái)潛在技術(shù)的預(yù)測(cè)研究相對(duì)較少，本文將通過(guò)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的期刊文獻(xiàn)，利用共被引網(wǎng)絡(luò)方法，探測(cè)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域近十年發(fā)展歷程中關(guān)鍵技術(shù)和潛在技術(shù)。

1 分析工具與數(shù)據(jù)處理

CiteSpace軟件是美國(guó)Drexel大學(xué)的Chaomei Chen博士在引文分析理論的基礎(chǔ)上，應(yīng)用JAVA計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的一種專門用于文獻(xiàn)信息可視化分析的應(yīng)用程序。通過(guò)繪制研究文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)知識(shí)圖譜，探測(cè)和分析學(xué)科研究前沿隨著時(shí)間相關(guān)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)以及研究前沿與其知識(shí)基礎(chǔ)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)不同研究前沿之間的內(nèi)部聯(lián)系[6-8]，本研究基于CiteSpace繪制的文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)判斷關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合聚類功能探測(cè)潛在的技術(shù)。

根據(jù)2014年的JCR報(bào)告信息，選擇科學(xué)主題分類（Subject Category）中的“能源與燃料（ENERGY & FUELS）”領(lǐng)域。該領(lǐng)域覆蓋了非可再生能源（例如木材、煤炭、石油和天然氣）和可再生能源（例如太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芎退埽┑陌l(fā)展、生產(chǎn)、應(yīng)用、轉(zhuǎn)化以及管理等方面。本文選取了太陽(yáng)能領(lǐng)域的5個(gè)代表性期刊，數(shù)據(jù)檢索策略如表1所示：

我們將利用上述5種期刊，來(lái)分析探測(cè)引起太陽(yáng)能領(lǐng)域研究轉(zhuǎn)折的關(guān)鍵技術(shù)。相關(guān)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)下載于美國(guó)ISI（科學(xué)情報(bào)研究所）的Web Of Science數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

首先通過(guò)CiteSpace軟件對(duì)太陽(yáng)能領(lǐng)域的期刊文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行引文共被引（文獻(xiàn)共被引）可視化分析（Document Co-citation Network）。在參數(shù)選擇中，為了使文獻(xiàn)的被引次數(shù)容易觀測(cè)，增強(qiáng)可比性，我們選擇“時(shí)間切片（Time Slicing）”為2，即以每2年為單位來(lái)計(jì)算文獻(xiàn)的被引用頻次的變化。在分析“模塊（Modeling）”，選擇“文獻(xiàn)共被引分析（Cited Reference）”。共被引文獻(xiàn)間的連線強(qiáng)度（Links Strength）選擇“夾角余弦（Cosine）”。在節(jié)點(diǎn)顯示的閾值設(shè)置中，由于期刊在載文數(shù)量上隨時(shí)間呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，根據(jù)布拉德福定律（BCBradford）的文獻(xiàn)分散理論，核心期刊區(qū)域與相關(guān)期刊區(qū)域成等比關(guān)系（1∶n∶n2……），因此選擇百分比N%作為閾值選項(xiàng)較為合理。我們?cè)O(shè)定顯示被引次數(shù)排在前05%的文獻(xiàn)，產(chǎn)生文獻(xiàn)樣本數(shù)量如表2所示。endprint

利用Citespace軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，得到了一個(gè)結(jié)構(gòu)非常清晰的共被引網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，其中節(jié)點(diǎn)的大小代表共被引頻次，節(jié)點(diǎn)圓環(huán)的厚度代表在時(shí)間區(qū)間內(nèi)的被引次數(shù)。我們可以看到在同一時(shí)間區(qū)間內(nèi)共被引連線的數(shù)量要明顯多于不同時(shí)區(qū)之間的連線，這表明了在同一時(shí)區(qū)內(nèi)研究主題的聚類特征還是比較明顯的。一般情況下，在一個(gè)聚類比較明顯的網(wǎng)絡(luò)中，很容易識(shí)別聚類之間的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵連線。

可視化分析結(jié)果（見(jiàn)圖1）顯示，太陽(yáng)能領(lǐng)域研究形成了清晰的文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)，整體上反映了該領(lǐng)域從分散到集中、從基礎(chǔ)到應(yīng)用的發(fā)展脈絡(luò)。

20世紀(jì)90年代以前，其文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)呈網(wǎng)狀分布（見(jiàn)圖1左下），這一時(shí)期關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)相對(duì)分散，雖然出現(xiàn)了比較明顯的節(jié)點(diǎn)，但并未形成主導(dǎo)趨勢(shì)，這是因?yàn)樵摃r(shí)期太陽(yáng)能電池研究尚處于萌芽階段。1954年，在貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生了第一個(gè)太陽(yáng)能電池。1960年前后，HGerischer等人發(fā)現(xiàn)染料吸附在半導(dǎo)體上并在一定條件下能產(chǎn)生電流，這成為光電化學(xué)電池的重要研究基礎(chǔ)。在隨后的30年間，HGerischer等研究了各種染料敏化劑與半導(dǎo)體納米晶間光敏化作用，但是研究產(chǎn)生的光電轉(zhuǎn)換效率始終未超過(guò)1%[9-10]。

1991年，BOREGAN等開(kāi)創(chuàng)性地合成了一種成本低廉、可應(yīng)用于商業(yè)的染料敏化納米二氧化鈦（TiO2）薄膜太陽(yáng)能電池，將該領(lǐng)域研究推向一個(gè)新時(shí)期。1993年，德國(guó)斯圖加特大學(xué)物理電子學(xué)院的SCHMID D提出了在多晶CIS（CuInSe2）薄膜表面基礎(chǔ)上形成異質(zhì)節(jié)的新模型，進(jìn)一步提高了光電轉(zhuǎn)化率。幾乎同一時(shí)期，MKNazeeruddin等使用CIS-X2BIS在納米TiO2電極上進(jìn)行了分點(diǎn)離子敏化，在理論和實(shí)踐上均取得了突破性進(jìn)展。這一時(shí)期太陽(yáng)能電池

材料發(fā)展迅速，形成了時(shí)間跨度小但研究?jī)?nèi)容相對(duì)集中的第二集團(tuán)（見(jiàn)圖1上中部），極大地推動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

1995年前后至今，太陽(yáng)能電池發(fā)展進(jìn)入黃金時(shí)期，不僅在光電轉(zhuǎn)換材料方面突破不斷，還出現(xiàn)了針對(duì)電池片制造加工技術(shù)的研究，表明太陽(yáng)能電池正從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)。值得注意的是，MJorgensen[11]在2008年關(guān)于聚合物太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性及退化的研究成了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，這說(shuō)明對(duì)太陽(yáng)能電池的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系越來(lái)越完善，也可被視為該技術(shù)正在趨于成熟的標(biāo)志。這一時(shí)期，研究領(lǐng)域之間相互重疊，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分布密集，是太陽(yáng)能電池研究的重要階段（見(jiàn)圖1中右部）。

在上述參數(shù)設(shè)置前提下，得到前9個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)文獻(xiàn)，相關(guān)的文獻(xiàn)信息如表3所示。

由表3可知，在排名前9的節(jié)點(diǎn)文獻(xiàn)中，有4篇涉及光電轉(zhuǎn)換材料、4篇涉及太陽(yáng)能電池片的制造、1篇涉及聚合物太陽(yáng)能電池的可靠性分析，分別共被引1 261次、565次、219次，這些節(jié)點(diǎn)將圖譜中各領(lǐng)域緊密連接在一起，代表了太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合圖譜中文獻(xiàn)分布情況可知，當(dāng)前太陽(yáng)能電池領(lǐng)域研究主要集中在光電轉(zhuǎn)換材料、電池片制造加工以及可靠性3個(gè)方面。

21 太陽(yáng)能電池材料技術(shù)

在我國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)“十二五”規(guī)劃中，太陽(yáng)能電池薄膜材料成為發(fā)展重點(diǎn)[12]。薄膜太陽(yáng)能電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，它以硫化鎘、砷化鎵、硅等為基體材料，所制成的薄膜厚度在微米量級(jí)，具有對(duì)太陽(yáng)能量的吸收律高、易取材、成本低、韌性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可以應(yīng)用于建筑、電力供應(yīng)、軍事、旅行等方面。

作為硅太陽(yáng)能電池的一種，分為非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池兩種。其中，非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池具有成本低、自重輕的優(yōu)點(diǎn)，適合大批量生產(chǎn)，但其自身的穩(wěn)定性還不夠成熟，因此還未大規(guī)模的應(yīng)用；多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池相對(duì)于單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池成本低，相對(duì)于非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化率高，但就環(huán)保和材料獲取而言，它的發(fā)展空間著實(shí)有限。目前，在各種類型的太陽(yáng)能電池中，晶體硅太陽(yáng)能電池仍占據(jù)著主導(dǎo)地位，但隨著薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展成熟，其制造成本正大幅度降低，在未來(lái)幾年內(nèi)，以非晶硅和銅銦鎵硒、碲化鎘等為薄膜材料的化合物太陽(yáng)能電池產(chǎn)量將會(huì)快速增長(zhǎng)。一方面，高純度晶硅的生產(chǎn)受到產(chǎn)業(yè)技術(shù)和原料資源的限制，其產(chǎn)能擴(kuò)張受到限制；另外晶體硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到成熟階段，其單位產(chǎn)出增長(zhǎng)已接近極限，這就給薄膜太陽(yáng)能電池提供了發(fā)展的空間，其發(fā)展速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越單晶硅太陽(yáng)電池。

有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的新興技術(shù)之一，具有成本低、韌性好、材料易獲取等優(yōu)勢(shì)。2002年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的研究人員HUYNH WU[13]在《Science》雜志上發(fā)表的一篇關(guān)于“混合納米棒——聚合物太陽(yáng)電池（Hybrid Nanorod-polymer Solar Cells）”的文章，在聚合物太陽(yáng)能電池的研究中起到了重要的作用。HUYNH在研究中證明了可以通過(guò)增大半導(dǎo)體納米棒的長(zhǎng)徑比，使它們垂直地排列在基底平面上，從而改善與聚合物的內(nèi)界面以便消除納米棒表面的陷阱，從而提高電子的遷移率，使電子更快、更直接地傳輸?shù)诫姌O上。該項(xiàng)技術(shù)發(fā)揮了納米棒的高載流子遷移率的潛能，提高了用納米棒和共軛聚合物制成的納米晶體雜化薄膜太陽(yáng)電池的效率[Hybrid Nanorod-polymer Solar Cells]。盡管如此，有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的研究還剛剛起步，其轉(zhuǎn)化效率低、使用壽命短等問(wèn)題都還無(wú)法使之成為具有實(shí)用價(jià)值的技術(shù)。

22 太陽(yáng)能電池片制造加工技術(shù)

雖然光電轉(zhuǎn)換材料是太陽(yáng)能電池的核心技術(shù)，但是作為一種產(chǎn)品，僅僅有材料是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要解決發(fā)電主體（電池片）、電路系統(tǒng)、背板等組件的制造加工技術(shù)，惟有如此才能最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能。在眾多組件中，電池片在太陽(yáng)能電池中最為重要，它集成了光電轉(zhuǎn)換材料和電路系統(tǒng)，主要作用是實(shí)現(xiàn)光能向電能的轉(zhuǎn)換。因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換材料多種多樣，所以電池片的制造加工也各不相同，針對(duì)不同材料設(shè)計(jì)電池片及其制造工藝是太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容之一。endprint

2009年，F(xiàn)CKrebs[14]系統(tǒng)梳理了聚合物太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)，成為連接太陽(yáng)能電池材料和制造加工的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。文章對(duì)比分析了當(dāng)今常用的成膜技術(shù)（Film-forming Techniques）和極具量產(chǎn)潛力的印刷涂層技術(shù)（Printing and Coating Techniques），指出雖然前者相對(duì)成熟，但是針對(duì)不同材料其工藝條件往往是單一的，而且只能滿足實(shí)驗(yàn)室研究、難以量化生產(chǎn)，相比之下，后者在工藝適用性方面有所突破，卻應(yīng)用不多。作者將印刷涂層技術(shù)的各個(gè)步驟分別進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)一步剖析了其優(yōu)勢(shì)和不足，成為研究人員完善印刷涂層技術(shù)的重要參考。

這一關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)不僅是對(duì)之前電池片制造加工技術(shù)的總結(jié)，也是此后相關(guān)研究的發(fā)軔之作，該時(shí)期FCKrebs[15]和JYKim[16]針對(duì)聚合物電池片制造的研究同樣以關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)，證明其已經(jīng)成為太陽(yáng)能電池領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)。

23 聚合物太陽(yáng)能電池的可靠性技術(shù)

在排名前10的節(jié)點(diǎn)文獻(xiàn)中，MJorgensen的研究探討了聚合物太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性和退化機(jī)理，是其中惟一一篇關(guān)注太陽(yáng)能電池可靠性的文獻(xiàn)，卻以219次的總被引頻次居第4位。同時(shí)，以該節(jié)點(diǎn)為中心，衍生出結(jié)構(gòu)完整的文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)，更說(shuō)明其研究?jī)?nèi)容代表了2008年以后太陽(yáng)能電池領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向。

分析該領(lǐng)域早期文獻(xiàn)不難發(fā)現(xiàn)，多數(shù)研究致力于提高材料的光電轉(zhuǎn)換效率，對(duì)其他指標(biāo)要求不高。從科學(xué)技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)看，在新技術(shù)的發(fā)展初期，人們往往只關(guān)心與其性能密切相關(guān)的最主要指標(biāo)，具體到太陽(yáng)能電池，這一最主要指標(biāo)即為光電轉(zhuǎn)換效率，因此到21世紀(jì)之前，本領(lǐng)域的研究仍僅著眼于材料的光電轉(zhuǎn)換性能；隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，技術(shù)本身逐漸滿足了核心性能要求，而為了能夠?qū)⑵鋺?yīng)用，需要綜合考慮其他性能指標(biāo)，以保證產(chǎn)品高效平穩(wěn)運(yùn)行，因此自2005年至今，出現(xiàn)了大量以滿足大規(guī)模生產(chǎn)制造要求、延長(zhǎng)電池使用壽命為目的的研究成果，標(biāo)志著太陽(yáng)能電池技術(shù)逐漸走向成熟，也就要求構(gòu)建更加完善的指標(biāo)體系來(lái)促進(jìn)其發(fā)展。

通過(guò)對(duì)比分析可知，當(dāng)以2009年為共被引網(wǎng)絡(luò)研究的截止日期時(shí)，在排名前15的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)中沒(méi)有一個(gè)與聚合物太陽(yáng)能電池的可靠性相關(guān)；而以2014年為共被引網(wǎng)絡(luò)研究的截止日期時(shí)，該研究方向的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)已躥升至第4位。這表明該領(lǐng)域的大量研究成果出現(xiàn)在2009年以后，是近5年來(lái)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的重要研究方向，如圖2所示。

3 潛在技術(shù)探測(cè)

為進(jìn)一步展現(xiàn)當(dāng)前太陽(yáng)能電池領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)研究的主要類別，并通過(guò)聚類結(jié)果判斷不同代際技術(shù)所處的生命周期，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)技術(shù)的預(yù)測(cè)，我們利用CiteSpace可視化軟件的譜聚類分析功能[17]，共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)形成13個(gè)大小聚類。按照聚類大小和研究的相關(guān)度，結(jié)合TF*IDF算法抽取的標(biāo)識(shí)詞，整理出主要研究熱點(diǎn)方向，包括9項(xiàng)研究熱點(diǎn)領(lǐng)域及其基本的研究主題，如圖3所示。

通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)識(shí)別和聚類結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)不同代際的太陽(yáng)能電池處于不同的技術(shù)生命周期階段，其中以晶體硅為基礎(chǔ)的第一代太陽(yáng)能電池早已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，其生產(chǎn)技術(shù)成熟，但限于資源及光電轉(zhuǎn)換效率，這些產(chǎn)品面臨淘汰，處于技術(shù)生命周期的衰落期；以薄膜材料為主的第二代太陽(yáng)能電池技術(shù)基本成熟，然而其制造難度大、成本高，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程受到很大限制，處于邁入技術(shù)成熟期的前端，如果能夠在降低成本提高產(chǎn)量方面有所突破，第二代太陽(yáng)能電池有望迅速占領(lǐng)市場(chǎng)的大部分份額；相比之下，第三代、第四代太陽(yáng)能電池仍處于電池材料開(kāi)發(fā)的萌芽階段，雖然其應(yīng)用潛力已在實(shí)驗(yàn)室中得到證明，但尚未達(dá)到大規(guī)模生產(chǎn)的水平，處于技術(shù)生命周期的萌芽期。綜合以上研究結(jié)果，太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的潛在技術(shù)可歸納為以下方面：

31 基于材料吸光度的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吸光度（Absorbance）是衡量材料吸收光的能力的物理量，吸光度越大，材料對(duì)光的吸收能力越強(qiáng)，光的透過(guò)率越低。同時(shí)，由于材料本身性質(zhì)不同，材料吸收光線的波長(zhǎng)范圍往往也有差異，在紅外線、可見(jiàn)光、紫外線等波長(zhǎng)范圍內(nèi)分布不均。

傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池中，通常采用單一的電池材料完成光電轉(zhuǎn)換，其效率直接取決于材料性質(zhì)。隨著人們對(duì)電池材料的認(rèn)識(shí)不斷深入，研究人員發(fā)現(xiàn)可以利用材料吸收特定波長(zhǎng)光線的性質(zhì)，選擇性地透過(guò)其他波長(zhǎng)范圍的光，在原有材料的下層分布其他電池材料對(duì)透過(guò)光進(jìn)行再吸收，進(jìn)而彌補(bǔ)單一電池材料光電轉(zhuǎn)換的不足，在全波長(zhǎng)范圍內(nèi)充分利用光能。

原理上，多層結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池對(duì)光能利用率低的不足，有望提高光電轉(zhuǎn)換效率。但是在實(shí)際操作中，多層結(jié)構(gòu)向研究人員提出了更高的要求：一方面，電池材料多種多樣，每種材料都擁有各自的吸光特性，如何遴選材料使之在吸收波長(zhǎng)得到互補(bǔ)、在吸光度上互相匹配，是多層材料設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)，如果處理不當(dāng)將導(dǎo)致材料資源的浪費(fèi)，還會(huì)提高成本；另一方面，多層結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)對(duì)材料制備工藝提出挑戰(zhàn)，如何匹配不同材料的合成條件、采用適當(dāng)?shù)墓に嚤ＷC不同材料在多個(gè)層級(jí)上分布是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

32 薄膜電池片規(guī)模化制造技術(shù)

薄膜材料已被證明是取代傳統(tǒng)晶體硅電池片的重要替代，也是當(dāng)前最具市場(chǎng)化前景的太陽(yáng)能電池技術(shù)。

薄膜材料的研究在20世紀(jì)90年代取代重大進(jìn)展，瑞士洛桑高等工業(yè)學(xué)院GRATZEL M[18]的研究小組將染料敏化納米晶體太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率從之前的不足1%提高到7%以上。隨后的10年中，研究人員不僅驗(yàn)證了染料敏化太陽(yáng)能電池（DSC）作為P-N節(jié)光電裝置在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的可行性[19]，還合成了其他可用于太陽(yáng)能電池的新型材料，薄膜材料得到了深入快速的發(fā)展。

雖然多種薄膜材料已在實(shí)驗(yàn)室中成功制備，但其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用卻遭遇了制造成本高、工藝適用性差的瓶頸。前已述及，實(shí)驗(yàn)室合成薄膜材料常用的成膜技術(shù)隨材料不同而差異巨大，同時(shí)產(chǎn)量太少，可以供應(yīng)科學(xué)研究卻難以滿足應(yīng)用需求。因此，近年來(lái)出現(xiàn)了產(chǎn)量更大、適用性更廣的印刷涂層技術(shù)、卷對(duì)卷制程技術(shù)（Full Roll-to-roll Processing）等新技術(shù)，其技術(shù)方案仍待完善。endprint

如果能解決薄膜電池片的規(guī)?；圃欤@一技術(shù)可能在短期內(nèi)迅速替代傳統(tǒng)晶體硅電池，成為太陽(yáng)能電池的主要品種。

33 聚合物太陽(yáng)能電池的維護(hù)與延壽

在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域文獻(xiàn)排名前9位的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)中，與聚合物直接相關(guān)的有3個(gè)，與之間接相關(guān)的有1個(gè)，其研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景可見(jiàn)一斑。盡管聚合物太陽(yáng)能電池尚不具備實(shí)用價(jià)值，但其成本更低、材料更易獲取，使之成為未來(lái)極具潛力的太陽(yáng)能電池。

在聚合物的合成制備方面，研究人員已經(jīng)積累了大量經(jīng)驗(yàn)，加上有機(jī)化學(xué)、高分子化學(xué)、化學(xué)工程學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的理論、實(shí)踐，尋求光電轉(zhuǎn)換效率高的材料業(yè)已取得了重要成果。然而，其電子遷移率不高、光電流損耗大，導(dǎo)致聚合物太陽(yáng)能電池性質(zhì)不穩(wěn)定，難以滿足連續(xù)使用的要求。同時(shí)，聚合物太陽(yáng)能電池的壽命也低于無(wú)機(jī)薄膜材料制成的第二代太陽(yáng)能電池[20]。

綜合來(lái)看，通過(guò)修飾改性等手段提高聚合物的穩(wěn)定性并延長(zhǎng)其使用壽命，是推動(dòng)聚合物太陽(yáng)能電池發(fā)展的關(guān)鍵。

4 結(jié) 論

本文以太陽(yáng)領(lǐng)域的5個(gè)代表性期刊中2001-2014年公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)為研究對(duì)象，利用共被引網(wǎng)絡(luò)方法，探測(cè)了太陽(yáng)能電池領(lǐng)域近十年發(fā)展歷程中關(guān)鍵技術(shù)和潛在技術(shù)：

（1）90年代以前，文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)相對(duì)分散，并未形成主導(dǎo)趨勢(shì)，太陽(yáng)能電池研究尚處于萌芽階段；1991年前后，太陽(yáng)能電池材料發(fā)展迅速，形成了時(shí)間跨度小但研究?jī)?nèi)容相對(duì)集中的第二集團(tuán)，極大地推動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展；1995年前后至今，研究領(lǐng)域之間相互重疊，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分布密集，太陽(yáng)能電池發(fā)展進(jìn)入黃金時(shí)期。

（2）當(dāng)前太陽(yáng)能電池領(lǐng)域研究主要集中在光電轉(zhuǎn)換材料、電池片制造加工以及可靠性3個(gè)方面：太陽(yáng)能電池材料相關(guān)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有4個(gè)，太陽(yáng)能電池薄膜材料對(duì)太陽(yáng)能量的吸收律高、易取材、成本低、韌性強(qiáng)，而有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池同樣具有成本低、韌性好、材料易獲取等優(yōu)勢(shì)，其合成是太陽(yáng)能電池材料方面的關(guān)鍵技術(shù)；太陽(yáng)能電池片制造加工相關(guān)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有4個(gè)，因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換材料多種多樣，所以電池片的制造加工也各不相同，針對(duì)不同材料設(shè)計(jì)電池片及其制造工藝是太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容之一；聚合物太陽(yáng)能電池的可靠性相關(guān)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有1個(gè)，以該節(jié)點(diǎn)為中心，衍生出結(jié)構(gòu)完整的文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)，說(shuō)明其研究?jī)?nèi)容代表了2008年以后太陽(yáng)能電池領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向。

（3）不同代際的太陽(yáng)能電池處于不同的技術(shù)生命周期階段，其中：以晶體硅為基礎(chǔ)的第一代太陽(yáng)能電池早已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但受制于資源及光電轉(zhuǎn)換效率，它們處于技術(shù)生命周期的衰落期；以薄膜材料為主的第二代太陽(yáng)能電池技術(shù)基本成熟，然而其制造難度大、成本高，處于邁入技術(shù)成熟期的前端；第三代、第四代太陽(yáng)能電池仍處于電池材料開(kāi)發(fā)的萌芽階段，尚未達(dá)到大規(guī)模生產(chǎn)的水平。

（4）通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)識(shí)別和聚類結(jié)果，可知太陽(yáng)能電池領(lǐng)域潛在的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：基于材料吸光度的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，薄膜電池片規(guī)?；圃旒夹g(shù)，聚合物太陽(yáng)能電池的維護(hù)與延壽。

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（本文責(zé)任編輯：郭沫含）endprint