【《硅酸盐学报》创刊60周年专题】太阳能光电、光热转换材料的研究现状与进展

王  聪，代蓓蓓，于佳玉，王 蕾，孙 莹

(北京航空航天大学物理学院太阳能物理实验室，北京 100191)

摘  要：重点探讨了太阳能光电、光热转换技术领域的材料研究现状与发展，主要包括光伏电池半导体材料和太阳光谱选择性吸收涂层光学材料膜系。太阳电池材料的关键问题还是成本与光电转换效率，钙钛矿太阳电池的研究成为光伏电池新的研究热点。太阳光谱选择性吸收涂层是太阳能光热利用领域的核心材料技术之一。近年来，太阳能的中高温热利用，尤其是聚焦热发电技术，作为与光伏发电平行的另一种主流太阳能发电方式，成为人们日益关注的焦点。另外，还阐述了中高温太阳光谱选择性吸收涂层在国内外的研究成果和最新进展。

关键词：太阳能；光伏电池；太阳能聚焦热发电；太阳光谱选择性吸收涂层

中图分类号：TK519    文献标志码：A    
文章编号：0454–5648(2017)11–1555–14

网络出版时间：2017–10–09  13:56:00         
网络出版地址：
http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2310.TQ.20171009.1356.014.html

收稿日期：2017–06–13。    
修订日期：2017–06–23。

基金项目：国家自然科学基金重点项目(51732001)；  
  国家自然科学基金面上项目(51572010)；
  中央高校基本科研业务费。

第一作者：王  聪(1966—)，男，博士，教授。  

前言  太阳能作为一种取之不尽的清洁能源成为人类开发的重要绿色能源之一。太阳能的转化与应用主要分为：光电、光热、光化学(光催化)、光生物能4种形式。太阳能光电转换，即光伏发电技术，是利用半导体材料的光生电子效应直接把太阳光能转变为电能的发电方式。目前研究的光伏电池半导体材料包括：硅(单晶、多晶、非晶)电池、无机化合物电池、染料敏化电池、薄膜电池、有机电池、无机-有机杂化太阳电池(如钙钛矿电池)、其他如石墨烯、量子点太阳电池等。至于太阳能光热转换技术，是将太阳辐射能通过集热系统聚集吸收转化为热能，其热能可直接应用，也可进一步经过热传输系统将聚焦收集的高温热能传给热机，由热机转化为机械能，然后带动发电机发电。这种发电方式又称为太阳能聚焦热发电(CSP)。其发电方式与机理完全不同于太阳能光伏发电技术，但这种聚焦热发电方式与光伏发电一样，成为目前并行的太阳能发电的两种主流方式。太阳能光热转换技术根据其温度与应用可分为3个层次：1) 热能低温(≤100 ℃)应用，如热水；2) 热能中温应用(100～240 ℃)，如工业蒸汽、空调、制冷、酿酒、海水淡化等；3) 热能高温应用(≥240 ℃)，即聚焦热发电技术(CSP)。而聚焦热发电技术根据太阳光的聚焦方式又分为槽式、塔式、碟式、菲涅尔4种形式。在太阳能应用技术领域，大家普遍关心的关键核心技术包括全光谱光吸收技术、高效能量转换技术、长时段能量存储技术、低成本长寿命系统集成技术。

存在的问题与展望  太阳能的应用，存在的主要问题在于能量转换效率、成本、寿命以及储能的难题。围绕此实际问题，作为关键点的材料技术也主要围绕能量转换效率，制备成本和工作寿命展开新材料的探索与开发，同时解决储能的难题。太阳能光伏电池一方面需要进一步提高光电转换效率，同时需要继续降低电池制备成本，并提高电池工作寿命。制作太阳电池的材料要满足如下要求[15]：半导体材料的禁带不能太宽；高的光电转换效率；材料对环境不造成污染；便于工业化生产且性能稳定。目前钙钛矿太阳电池的研究成为热点，但稳定性成为其应用的重要障碍。从长远来说，薄膜太阳电池也许将更有生命力，但需要探索开发新的材料体系和更为简单、环保的制备方法。另一方面，作为太阳能光热转换关键材料技术的光谱选择性吸收涂层同样存在如下问题：1) 耐温性；2) 耐候性；3) 工作寿命；4) 高温下的红外辐射；5) 大面积涂层的制备工艺、成本与设备等。因此，研究新型太阳光谱选择性吸收涂层需要从以下几个方面考虑：1)探索新材料，新膜系以提高涂层耐温性、耐候性；2) 简化涂层制备方法与工艺，降低制备成本；3) 探索新的光热转换机制以彻底改变光热转换方式；4) 探讨涂层的退化机制，提高涂层工作寿命，建立科学的寿命评估方法。另外，考虑到光热电/建筑美观一体化的需要，光谱选择性吸收涂层的色彩调控也成为近几年来研究的热点之一。总的来说，寻找一种制备简单、成本低廉且在高温、大气环境中长期工作的高吸收涂层是这个领域的普遍诉求。

全球光伏发电已进入规模化发展新阶段，太阳能热利用也正在形成多元化应用格局。太阳能在解决能源可及性和能源结构调整方面均有独特优势，将在全球范围得到更广泛的应用[137]。2016年12月，国家能源局发布的《太阳能发展“十三五”规划》提出，到2020年年底，太阳能装机1.1亿kW，其中，光伏发电装机将达到1.05亿kW以上，太阳能热发电装机将达到500万kW，太阳能热利用集热面积将达到8亿m2，太阳能年利用量计划达到1.4亿t标准煤以上[137]。2016年9月，国家能源局发布了《关于建设太阳能热发电示范项目的通知》，确定第一批太阳能热发电示范项目共20个，其中塔式9个，槽式7个，总计装机容量134.9万kW。这将进一步促进太阳能材料广泛、深入的研究，并有可能出现新的太阳能应用技术与概念，甚或导致颠覆性的材料技术出现。比如科学家正在研制一种新式太阳电池，通过使用碳纳米管和DNA等材料，该电池能像植物体内天然的光合作用系统一样进行自我修复，从而延长电池寿命并减少制造成本。新发现的二钌富瓦烯可以吸收阳光并保持半稳定状态；通过催化剂改变形态后，所吸收的太阳能又会释放出来，可称为热电池[138]。

作者简介 王聪，北京航空航天大学物理科学与核能工程学院，教授，博士生导师。科研方向包括：太阳能聚焦热发电高温太阳光谱选择性吸收涂层(光-热转换多层膜)；热控薄膜；空间太阳能热利用、固体导热与相变储热技术；半导体光催化纳米材料的研究；反钙钛矿化合物的反常(负、低、零膨胀)热膨胀性质、及其关联的磁、电、热输运性质；磁致伸缩，磁卡效应等。