| 标题 | 太阳能电池领域关键技术分析及潜在技术探测 |
| 范文 | 侯剑华 郭爽 〔摘 要〕当今，太阳能电池成为全球能源可持续发展的重要内容。本文以太阳领域的5个代表性期刊中2001-2014年公开发表的文献为研究对象，利用信息可视化方法，探测了太阳能电池领域近十年发展历程中关键技术和潜在技术，研究得出当前太阳能电池领域研究主要集中在光电转换材料、电池片制造加工以及可靠性3个方面；不同代际的太阳能电池处于不同的技术生命周期阶段；潜在关键技术主要包括：基于材料吸光度的多层结构设计，薄膜电池片规模化制造技术，聚合物太阳能电池的维护与延寿。 〔关键词〕太阳能电池；关键技术；潜在技术；CiteSpace软件 DOI：10.3969/j.issn.1008-0821.2015.09.019 〔中图分类号〕G250252 〔文献标识码〕A 〔文章编号〕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 能源是人类社会生存与发展的根基。随着人类社会的快速发展，能源大量消耗导致的能源短缺和环境污染，是当前以及未来世界各国都必须直视的问题，因此对可再生能源的研究和利用上升到空前的战略地位。太阳能既是一次能源，也是最主要的可再生能源之一，具有资源丰富，分布广泛等优点，其利用方式主要有太阳热能利用、太阳能光伏发电和光电解制氢等方式[1]。其中太阳能光伏发电是当前太阳能领域最受关注的研究领域。 自1953年美国贝尔实验室成功研制出光电转换效率为6%的单晶硅太阳电池以来，类型丰富的太阳能电池接连问世。按照结晶状态，太阳能电池可分为结晶薄膜式和非结晶薄膜式；按照材料可分为硅薄膜型、多元化合物薄膜型、聚合物多层修饰电极型、纳米晶类型和有机太阳能电池[2]。国内李欣、黄鲁成[3]通过Fisher-Pry模型分析，对1974-2010年间全球染料敏化太阳能光伏技术的发展趋势进行研究；杨中楷、刘佳[4]利用太阳能光伏电池数据，通过知识图谱方法展现了技术沿革的历史脉络；李春发；曹莹莹[5]利用CiteSpace软件对全球的能值研究热点进行可视化分析。然而，近几年专门对太阳能电池领域关键技术的分析特别是对未来潜在技术的预测研究相对较少，本文将通过太阳能电池领域的期刊文献，利用共被引网络方法，探测太阳能电池领域近十年发展历程中关键技术和潜在技术。 1 分析工具与数据处理 CiteSpace软件是美国Drexel大学的Chaomei Chen博士在引文分析理论的基础上，应用JAVA计算机编程语言开发的一种专门用于文献信息可视化分析的应用程序。通过绘制研究文献共被引网络的科学知识图谱，探测和分析学科研究前沿随着时间相关的动态变化趋势以及研究前沿与其知识基础之间的关系，发现不同研究前沿之间的内部联系[6-8]，本研究基于CiteSpace绘制的文献共被引网络，根据关键节点判断关键技术，结合聚类功能探测潜在的技术。 根据2014年的JCR报告信息，选择科学主题分类（Subject Category）中的“能源与燃料（ENERGY & FUELS）”领域。该领域覆盖了非可再生能源（例如木材、煤炭、石油和天然气）和可再生能源（例如太阳能、风能、生物质能、地热能和水能）的发展、生产、应用、转化以及管理等方面。本文选取了太阳能领域的5个代表性期刊，数据检索策略如表1所示： 我们将利用上述5种期刊，来分析探测引起太阳能领域研究转折的关键技术。相关的文献数据下载于美国ISI（科学情报研究所）的Web Of Science数据库。 2 关键技术分析 首先通过CiteSpace软件对太阳能领域的期刊文献数据进行引文共被引（文献共被引）可视化分析（Document Co-citation Network）。在参数选择中，为了使文献的被引次数容易观测，增强可比性，我们选择“时间切片（Time Slicing）”为2，即以每2年为单位来计算文献的被引用频次的变化。在分析“模块（Modeling）”，选择“文献共被引分析（Cited Reference）”。共被引文献间的连线强度（Links Strength）选择“夹角余弦（Cosine）”。在节点显示的阈值设置中，由于期刊在载文数量上随时间呈增长趋势，根据布拉德福定律（BCBradford）的文献分散理论，核心期刊区域与相关期刊区域成等比关系（1∶n∶n2……），因此选择百分比N%作为阈值选项较为合理。我们设定显示被引次数排在前05%的文献，产生文献样本数量如表2所示。 利用Citespace软件对数据进行计算处理，得到了一个结构非常清晰的共被引网络，如图1所示，其中节点的大小代表共被引频次，节点圆环的厚度代表在时间区间内的被引次数。我们可以看到在同一时间区间内共被引连线的数量要明显多于不同时区之间的连线，这表明了在同一时区内研究主题的聚类特征还是比较明显的。一般情况下，在一个聚类比较明显的网络中，很容易识别聚类之间的关键节点和关键连线。 可视化分析结果（见图1）显示，太阳能领域研究形成了清晰的文献共被引网络，整体上反映了该领域从分散到集中、从基础到应用的发展脉络。 20世纪90年代以前，其文献共被引网络呈网状分布（见图1左下），这一时期关键节点相对分散，虽然出现了比较明显的节点，但并未形成主导趋势，这是因为该时期太阳能电池研究尚处于萌芽阶段。1954年，在贝尔实验室诞生了第一个太阳能电池。1960年前后，HGerischer等人发现染料吸附在半导体上并在一定条件下能产生电流，这成为光电化学电池的重要研究基础。在随后的30年间，HGerischer等研究了各种染料敏化剂与半导体纳米晶间光敏化作用，但是研究产生的光电转换效率始终未超过1%[9-10]。 1991年，BOREGAN等开创性地合成了一种成本低廉、可应用于商业的染料敏化纳米二氧化钛（TiO2）薄膜太阳能电池，将该领域研究推向一个新时期。1993年，德国斯图加特大学物理电子学院的SCHMID D提出了在多晶CIS（CuInSe2）薄膜表面基础上形成异质节的新模型，进一步提高了光电转化率。几乎同一时期，MKNazeeruddin等使用CIS-X2BIS在纳米TiO2电极上进行了分点离子敏化，在理论和实践上均取得了突破性进展。这一时期太阳能电池 材料发展迅速，形成了时间跨度小但研究内容相对集中的第二集团（见图1上中部），极大地推动了相关技术的发展。 1995年前后至今，太阳能电池发展进入黄金时期，不仅在光电转换材料方面突破不断，还出现了针对电池片制造加工技术的研究，表明太阳能电池正从实验室走向市场。值得注意的是，MJorgensen[11]在2008年关于聚合物太阳能电池稳定性及退化的研究成了关键节点，这说明对太阳能电池的评价指标体系越来越完善，也可被视为该技术正在趋于成熟的标志。这一时期，研究领域之间相互重叠，关键节点分布密集，是太阳能电池研究的重要阶段（见图1中右部）。 在上述参数设置前提下，得到前9个关键节点文献，相关的文献信息如表3所示。 由表3可知，在排名前9的节点文献中，有4篇涉及光电转换材料、4篇涉及太阳能电池片的制造、1篇涉及聚合物太阳能电池的可靠性分析，分别共被引1 261次、565次、219次，这些节点将图谱中各领域紧密连接在一起，代表了太阳能电池领域的关键技术。结合图谱中文献分布情况可知，当前太阳能电池领域研究主要集中在光电转换材料、电池片制造加工以及可靠性3个方面。 21 太阳能电池材料技术 在我国太阳能光伏产业“十二五”规划中，太阳能电池薄膜材料成为发展重点[12]。薄膜太阳能电池是一种直接把光能转化为电能的装置，它以硫化镉、砷化镓、硅等为基体材料，所制成的薄膜厚度在微米量级，具有对太阳能量的吸收律高、易取材、成本低、韧性强等优势，可以应用于建筑、电力供应、军事、旅行等方面。 作为硅太阳能电池的一种，分为非晶硅薄膜太阳能电池和多晶硅薄膜太阳能电池两种。其中，非晶硅薄膜太阳能电池具有成本低、自重轻的优点，适合大批量生产，但其自身的稳定性还不够成熟，因此还未大规模的应用；多晶硅薄膜太阳能电池相对于单晶硅薄膜太阳能电池成本低，相对于非晶硅薄膜太阳能电池转化率高，但就环保和材料获取而言，它的发展空间着实有限。目前，在各种类型的太阳能电池中，晶体硅太阳能电池仍占据着主导地位，但随着薄膜太阳能电池技术的发展成熟，其制造成本正大幅度降低，在未来几年内，以非晶硅和铜铟镓硒、碲化镉等为薄膜材料的化合物太阳能电池产量将会快速增长。一方面，高纯度晶硅的生产受到产业技术和原料资源的限制，其产能扩张受到限制；另外晶体硅太阳能电池的生产技术已经发展到成熟阶段，其单位产出增长已接近极限，这就给薄膜太阳能电池提供了发展的空间，其发展速度已经远远超越单晶硅太阳电池。 有机聚合物太阳能电池领域的新兴技术之一，具有成本低、韧性好、材料易获取等优势。2002年美国加州大学伯克利分校的研究人员HUYNH WU[13]在《Science》杂志上发表的一篇关于“混合纳米棒——聚合物太阳电池（Hybrid Nanorod-polymer Solar Cells）”的文章，在聚合物太阳能电池的研究中起到了重要的作用。HUYNH在研究中证明了可以通过增大半导体纳米棒的长径比，使它们垂直地排列在基底平面上，从而改善与聚合物的内界面以便消除纳米棒表面的陷阱，从而提高电子的迁移率，使电子更快、更直接地传输到电极上。该项技术发挥了纳米棒的高载流子迁移率的潜能，提高了用纳米棒和共轭聚合物制成的纳米晶体杂化薄膜太阳电池的效率[Hybrid Nanorod-polymer Solar Cells]。尽管如此，有机聚合物太阳能电池的研究还刚刚起步，其转化效率低、使用寿命短等问题都还无法使之成为具有实用价值的技术。 22 太阳能电池片制造加工技术 虽然光电转换材料是太阳能电池的核心技术，但是作为一种产品，仅仅有材料是远远不够的，还需要解决发电主体（电池片）、电路系统、背板等组件的制造加工技术，惟有如此才能最终实现产品功能。在众多组件中，电池片在太阳能电池中最为重要，它集成了光电转换材料和电路系统，主要作用是实现光能向电能的转换。因为光电转换材料多种多样，所以电池片的制造加工也各不相同，针对不同材料设计电池片及其制造工艺是太阳能电池领域的重要研究内容之一。 2009年，FCKrebs[14]系统梳理了聚合物太阳能电池的制造技术，成为连接太阳能电池材料和制造加工的关键节点。文章对比分析了当今常用的成膜技术（Film-forming Techniques）和极具量产潜力的印刷涂层技术（Printing and Coating Techniques），指出虽然前者相对成熟，但是针对不同材料其工艺条件往往是单一的，而且只能满足实验室研究、难以量化生产，相比之下，后者在工艺适用性方面有所突破，却应用不多。作者将印刷涂层技术的各个步骤分别进行评价，进一步剖析了其优势和不足，成为研究人员完善印刷涂层技术的重要参考。 这一关键节点的出现不仅是对之前电池片制造加工技术的总结，也是此后相关研究的发轫之作，该时期FCKrebs[15]和JYKim[16]针对聚合物电池片制造的研究同样以关键节点出现，证明其已经成为太阳能电池领域亟待突破的关键技术。 23 聚合物太阳能电池的可靠性技术 在排名前10的节点文献中，MJorgensen的研究探讨了聚合物太阳能电池的稳定性和退化机理，是其中惟一一篇关注太阳能电池可靠性的文献，却以219次的总被引频次居第4位。同时，以该节点为中心，衍生出结构完整的文献共被引网络，更说明其研究内容代表了2008年以后太阳能电池领域一个重要的研究方向。 分析该领域早期文献不难发现，多数研究致力于提高材料的光电转换效率，对其他指标要求不高。从科学技术发展的角度来看，在新技术的发展初期，人们往往只关心与其性能密切相关的最主要指标，具体到太阳能电池，这一最主要指标即为光电转换效率，因此到21世纪之前，本领域的研究仍仅着眼于材料的光电转换性能；随着技术的不断发展，技术本身逐渐满足了核心性能要求，而为了能够将其应用，需要综合考虑其他性能指标，以保证产品高效平稳运行，因此自2005年至今，出现了大量以满足大规模生产制造要求、延长电池使用寿命为目的的研究成果，标志着太阳能电池技术逐渐走向成熟，也就要求构建更加完善的指标体系来促进其发展。 通过对比分析可知，当以2009年为共被引网络研究的截止日期时，在排名前15的关键节点中没有一个与聚合物太阳能电池的可靠性相关；而以2014年为共被引网络研究的截止日期时，该研究方向的关键节点已蹿升至第4位。这表明该领域的大量研究成果出现在2009年以后，是近5年来太阳能电池领域的重要研究方向，如图2所示。 3 潜在技术探测 为进一步展现当前太阳能电池领域关键技术研究的主要类别，并通过聚类结果判断不同代际技术所处的生命周期，进而实现对技术的预测，我们利用CiteSpace可视化软件的谱聚类分析功能[17]，共现网络形成13个大小聚类。按照聚类大小和研究的相关度，结合TF*IDF算法抽取的标识词，整理出主要研究热点方向，包括9项研究热点领域及其基本的研究主题，如图3所示。 通过关键技术识别和聚类结果，可以发现不同代际的太阳能电池处于不同的技术生命周期阶段，其中以晶体硅为基础的第一代太阳能电池早已实现产业化，其生产技术成熟，但限于资源及光电转换效率，这些产品面临淘汰，处于技术生命周期的衰落期；以薄膜材料为主的第二代太阳能电池技术基本成熟，然而其制造难度大、成本高，其产业化进程受到很大限制，处于迈入技术成熟期的前端，如果能够在降低成本提高产量方面有所突破，第二代太阳能电池有望迅速占领市场的大部分份额；相比之下，第三代、第四代太阳能电池仍处于电池材料开发的萌芽阶段，虽然其应用潜力已在实验室中得到证明，但尚未达到大规模生产的水平，处于技术生命周期的萌芽期。综合以上研究结果，太阳能电池领域的潜在技术可归纳为以下方面： 31 基于材料吸光度的多层结构设计 吸光度（Absorbance）是衡量材料吸收光的能力的物理量，吸光度越大，材料对光的吸收能力越强，光的透过率越低。同时，由于材料本身性质不同，材料吸收光线的波长范围往往也有差异，在红外线、可见光、紫外线等波长范围内分布不均。 传统的太阳能电池中，通常采用单一的电池材料完成光电转换，其效率直接取决于材料性质。随着人们对电池材料的认识不断深入，研究人员发现可以利用材料吸收特定波长光线的性质，选择性地透过其他波长范围的光，在原有材料的下层分布其他电池材料对透过光进行再吸收，进而弥补单一电池材料光电转换的不足，在全波长范围内充分利用光能。 原理上，多层结构弥补了传统太阳能电池对光能利用率低的不足，有望提高光电转换效率。但是在实际操作中，多层结构向研究人员提出了更高的要求：一方面，电池材料多种多样，每种材料都拥有各自的吸光特性，如何遴选材料使之在吸收波长得到互补、在吸光度上互相匹配，是多层材料设计的最大难点，如果处理不当将导致材料资源的浪费，还会提高成本；另一方面，多层结构的实现对材料制备工艺提出挑战，如何匹配不同材料的合成条件、采用适当的工艺保证不同材料在多个层级上分布是亟待解决的关键技术。 32 薄膜电池片规模化制造技术 薄膜材料已被证明是取代传统晶体硅电池片的重要替代，也是当前最具市场化前景的太阳能电池技术。 薄膜材料的研究在20世纪90年代取代重大进展，瑞士洛桑高等工业学院GRATZEL M[18]的研究小组将染料敏化纳米晶体太阳能电池光电转换效率从之前的不足1%提高到7%以上。随后的10年中，研究人员不仅验证了染料敏化太阳能电池（DSC）作为P-N节光电装置在技术和经济上的可行性[19]，还合成了其他可用于太阳能电池的新型材料，薄膜材料得到了深入快速的发展。 虽然多种薄膜材料已在实验室中成功制备，但其产业化应用却遭遇了制造成本高、工艺适用性差的瓶颈。前已述及，实验室合成薄膜材料常用的成膜技术随材料不同而差异巨大，同时产量太少，可以供应科学研究却难以满足应用需求。因此，近年来出现了产量更大、适用性更广的印刷涂层技术、卷对卷制程技术（Full Roll-to-roll Processing）等新技术，其技术方案仍待完善。 如果能解决薄膜电池片的规模化制造，这一技术可能在短期内迅速替代传统晶体硅电池，成为太阳能电池的主要品种。 33 聚合物太阳能电池的维护与延寿 在太阳能电池领域文献排名前9位的关键节点中，与聚合物直接相关的有3个，与之间接相关的有1个，其研究现状与应用前景可见一斑。尽管聚合物太阳能电池尚不具备实用价值，但其成本更低、材料更易获取，使之成为未来极具潜力的太阳能电池。 在聚合物的合成制备方面，研究人员已经积累了大量经验，加上有机化学、高分子化学、化学工程学等学科领域的理论、实践，寻求光电转换效率高的材料业已取得了重要成果。然而，其电子迁移率不高、光电流损耗大，导致聚合物太阳能电池性质不稳定，难以满足连续使用的要求。同时，聚合物太阳能电池的寿命也低于无机薄膜材料制成的第二代太阳能电池[20]。 综合来看，通过修饰改性等手段提高聚合物的稳定性并延长其使用寿命，是推动聚合物太阳能电池发展的关键。 4 结 论 本文以太阳领域的5个代表性期刊中2001-2014年公开发表的文献为研究对象，利用共被引网络方法，探测了太阳能电池领域近十年发展历程中关键技术和潜在技术： （1）90年代以前，文献共被引网络中关键节点相对分散，并未形成主导趋势，太阳能电池研究尚处于萌芽阶段；1991年前后，太阳能电池材料发展迅速，形成了时间跨度小但研究内容相对集中的第二集团，极大地推动了相关技术的发展；1995年前后至今，研究领域之间相互重叠，关键节点分布密集，太阳能电池发展进入黄金时期。 （2）当前太阳能电池领域研究主要集中在光电转换材料、电池片制造加工以及可靠性3个方面：太阳能电池材料相关的关键节点有4个，太阳能电池薄膜材料对太阳能量的吸收律高、易取材、成本低、韧性强，而有机聚合物太阳能电池同样具有成本低、韧性好、材料易获取等优势，其合成是太阳能电池材料方面的关键技术；太阳能电池片制造加工相关的关键节点有4个，因为光电转换材料多种多样，所以电池片的制造加工也各不相同，针对不同材料设计电池片及其制造工艺是太阳能电池领域的重要研究内容之一；聚合物太阳能电池的可靠性相关的关键节点有1个，以该节点为中心，衍生出结构完整的文献共被引网络，说明其研究内容代表了2008年以后太阳能电池领域一个重要的研究方向。 （3）不同代际的太阳能电池处于不同的技术生命周期阶段，其中：以晶体硅为基础的第一代太阳能电池早已实现产业化，但受制于资源及光电转换效率，它们处于技术生命周期的衰落期；以薄膜材料为主的第二代太阳能电池技术基本成熟，然而其制造难度大、成本高，处于迈入技术成熟期的前端；第三代、第四代太阳能电池仍处于电池材料开发的萌芽阶段，尚未达到大规模生产的水平。 （4）通过关键技术识别和聚类结果，可知太阳能电池领域潜在的关键技术主要包括：基于材料吸光度的多层结构设计，薄膜电池片规模化制造技术，聚合物太阳能电池的维护与延寿。 参考文献 [1]成志秀，王晓丽.太阳能光伏电池综述[J].信息记录材料，2007，（2）：41-47. 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