一、研制硅基太阳能电池的新成果
（一）硅基太阳能电池研制的新进展
1．研制出硅太阳能电池新产品。
⑴开发出多晶硅太阳能新电池。2004年12月，德国弗劳恩霍夫协会近日发表的新闻公报说，该协会研究人员采用新技术，在世界上率先使多晶硅太阳能电池的光电转换率达到20.3％。
据悉，与单晶硅太阳能电池相比，多晶硅电池成本低，但也存在明显缺陷。晶粒界面和晶格错位，是造成多晶硅电池光电转换率一直无法突破20％的关口。单晶硅电池早在20多年前就已突破这一关口。
公报说，该协会下属的弗赖堡太阳能系统研究所经过两年攻关，成功开发出一种新技术，可以使多晶硅电池的晶格错位等缺陷得到部分解决。其技术关键，是在太阳能电池生产过程中选择适当温度，使多晶硅的电子性能得到提高，并同时形成高效率的太阳能电池结构。经过多次试验，研究人员找到了适当的温度平衡点，既保证太阳能 。
另外一项重要改进，是该研究所开发出的一种名为LFC的太阳能电池背面接触新技术。该技术生产成本低，效率高，可以取代目前昂贵的传统技术。
⑵研制出转换效率超高效的硅太阳能电池。2008年10月，有关媒体报道，美国特拉华大学专家艾伦·巴尼特领导的一个研究小组，近日研制出超高效的硅太阳能电池。它在标准的陆地日光条件下，太阳能转换效率达到创纪录的42.8%，是目前最好的硅太阳能电池的2倍。这项技术，将在世界范围内改变电力的产生方式。
巴尼特介绍说，以前的高效太阳能电池，其聚焦装置需要一套复杂的光学跟踪系统，包括一个30.5厘米厚、桌面大小的聚焦透镜。而他们研制的电池采用了一种新型的横向光学聚焦系统，该系统将入射光分成高、中、低三个不同的能量束，分别照射到不同的感光材料上，这些感光材料总的吸收光谱则覆盖了整个太阳光谱。更重要的是，该聚焦系统包含一个静止的宽接收角光学系统，可以捕获大量的光能，而不需要复杂的跟踪装置，整个系统厚度不到1厘米。新型太阳能电池的这种超薄、没有活动部件的特性，意味着它很容易被应用于笔记本电脑等便携设备。
这项名为“超高效太阳能电池”的研究项目，由美国国防部高级研究计划局资助，意在开发实用的便携式太阳能电池充电器。美国杜邦公司已联合特拉华大学组成超高效太阳能电池开发集团，计划将该电池从实验室产品推进到工业制造原型阶段。
美国国防部高级研究计划局将继续资助下一阶段的开发，并将转换率的目标定为50%。由于美军士兵随身携带的军事装备仅电池的重量就占20%，美国军方对这种电池特别感兴趣，希望该项研究能大大缩减电池的后勤保障线，在减少电池重量的同时，提供更多电力，从而改善战场上那些严重依赖电力的技术装备的灵活性、耐受性和有效性。
⑶运用硅整流二极管天线研制出超高效率太阳能电池。2010年8月，有关媒体报道，一个来自美国、比利时和韩国科学家组成的研究小组近日宣布，他们正在研究一种全新的方法，用于收集太阳能并将其转换为直流电能，这也使得设计、制造一种新型太阳能转换器成为可能。据悉，这项突破性的科技，将大大提高能量的转换效率，并且与现有的太阳能电池相比，成本也被大幅度降低。
报道称，这项技术具有较强的可扩展性，可持续发展能力、适应能力比较强，并且不对环境造成污染。这也使得制造商可以在某种材料出现短缺时，很快地以最经济的方式采用新型材料。 此技术基于一种独特的“光整流”过程，通过一个构造简易，成本低廉的单一元件，从太阳能的红外至可见光谱中吸取能量。
这种大幅吸收太阳光谱的方式，与传统太阳能电池相比，有效地提高了转换效率。这个单一元件电池，具有吸收太阳能的天线和将太阳能吸收、转换为电能的整流器的双重身份。此装置被称为“硅整流二极管天线”，它已被用于微波输电领域，并且效率高达90%。 由于此装置由金属电线制成，半导体能带的局限性将不再是限制效率的因素。
此外，这个单一元件电池，可以在高温下正常工作。而对于传统半导体电池来讲，当温度高于93.3℃时，电池的性能将受到很大影响。 通过大量的计算机模拟，科学家进行了非几何对称的金属-真空-金属隧道结的量子计算，用以模拟单一元件硅整流二极管天线装置。
在模拟过程中，该隧道结被光照射，以模拟太阳光谱。计算机模拟的结果与该装置运行的实际整流结果一致，而且结果也证明了，对于太阳光在可见光区域整流的可行性，并会有直流电流产生。科学家们实现了比现有太阳能电池更高的效率，甚至最高可达50%。 科学家们正在建造装置原型，包括更加耐用的天线结构，以及提高输出及效率。
⑷通过二氧化硅纤维化制造出“纸型太阳能电池”。2012年2月，韩国电气研究院一个研究小组，在《能源和环境科学》学术刊物上发表论文称，他们综合运用纳米技术和纤维技术，开发出“纸型太阳能电池”制造技术。这项研究成果，被该刊物选定为大事论文题目，同时获得英国皇家化学会刊发的《化学世界》的介绍和好评。
韩国太阳能产业界认为，该项研究成果，可以打破目前韩国太阳能产业发展停滞的局面，从而开拓新的市场。
“纸型太阳能电池”制造技术的创意，来自于韩国传统的窗户结构。研究小组表示，先把二氧化硅纤维化，再利用所得纤维制作成纳米纸的形态。在该纸状结构的基础上，添加窗棂结构的金属网，就得到了轻薄耐用并可随意弯折的太阳能电池。
目前普遍应用的太阳能电池中，由于有坚硬的塑料基座和玻璃结构，所以相比“纸型太阳能电池”更加坚硬和厚重。该项技术的主要开发人员、韩国电气研究院创意源泉研究本部纳米融合技术研究中心的车胜一称，由于制作过程相对简单，利用“纸型太阳能电池”制造技术，在太阳能电池量产过程中，可以为企业节省大量成本。目前，该研究小组申请了有关这项技术的4项专利。
韩国电气研究院表示，“纸型太阳能电池”不仅可以应用在日常经常使用的智能手机中，在建筑、汽车和传播等领域，甚至在国防工业中都可以得到利用。
⑸研制有望同时提高硅太阳能电池供热和供电效率的新系统。2012年7月，物理学家组织网报道，用于供电的太阳能电池板会占据屋顶的大部分空间，为太阳能加热系统留下的空间很少。为了解决这一问题，美国密歇根理工大学，材料科学和工程学助理教授约书亚·皮尔思领导的研究小组，制造出一种新的太阳能电池系统，它不仅供电能力更强，并且也能捕获更多热量来加热房间和水。
太阳能光伏热能系统（PVT）指利用太阳能电池的光生伏特效应，把太阳能直接转换成电能的发电系统。但迄今为止，与独立式太阳能集热器相比，其生热能力要略逊一筹。那是因为，它们需要在低温下操作，以冷却晶体硅太阳能电池，这就会让硅发电更多，但集热能力将会同时遭到抑制。
如此一来，光伏热能系统就面临两方面的问题。首先，与它相比，好的太阳能热水系统能以更低的成本捕捉更多的能量。另外，它会占满屋顶的所有空间，使得热应用几乎无立锥之地。有鉴于此，该研究小组，使用不同的硅，制造出一种更好的光伏热能系统，从而解决了上述问题。
皮尔思解释道，目前，大多数太阳能面板都由晶体硅制成，但其实，科学家们也可以使用非晶硅（一般是薄膜硅）来制造太阳能电池。薄膜硅的供电量或许要少一点，但它们更轻、更灵活、更便宜，还可节能。然而，由于非晶硅材料在强烈的光线照射下，会产生缺陷而导致电流下降（即所谓的光致衰减效应），发生供电不稳定的问题。因此，目前，薄膜太阳能电池占据的市场份额非常少。
然而，该研究小组发现，可以通过把薄膜硅整合入一种新的光伏热能系统中，来克服光致衰减效应。皮尔思指出，在制造新系统之前，我们不需要把薄膜硅冷却；而且，通过将其加热到接近水的沸点，可以使用这种薄膜硅，制造出更厚且能克服光致衰减效应的太阳能电池。当他们把薄膜硅直接应用于太阳能集热器上时，他们同时发现，通过抑制退火（每天烘烤该电池两次），能将新太阳能电池的光电转化效率提高10%。
皮尔思说：“新电池系统的供热、供电效率都得到了较大提高，因此，这种光伏热能系统，将成为下一波太阳能电池的主流。在接下来的20年内，每家每户的屋顶上可能都会配备光伏热能系统。”
⑹把传统硅基太阳能电池改造为新式太阳能热光伏发电系统。2014年1月，美国麻省理工学院机械工程学副教授伊夫林·王等人领导的一个研究小组，在《自然·纳米技术》杂志上发表研究成果称，他们研制出一套新式的太阳能热光伏发电系统，该系统内的一个高温材料发出的热，会被光伏电池收集起来。因此，新系统不仅能利用更多太阳光，也有望使存储太阳能变得更容易。
伊夫林·王解释说，传统的硅基太阳能电池“无法利用所有光子”，因为要想把一个光子的能量变成电能，要求光子的能级与光伏材料带隙的能级相匹配，尽管硅的带隙与很多波长的光匹配，但也有很多不匹配。
为解决这一问题，他们在太阳光和硅基光伏电池之间，插入了一个两层的吸收—释放设备。该设备由碳纳米管和光子晶体等组成。该设备的外层直面太阳光，是一排多壁的碳纳米管，它能有效吸收太阳光并将其转化为热，当这种热将其紧紧依附的光子晶体加热时，光子晶体会“发出”光，这种光的最高密度几乎与光伏电池的带隙相吻合，这就确保被吸收器收集的大部分能量能转化为电。
传统硅基光伏电池，存在能源转化效率方面的理论限制(肖克利—奎伊瑟极限)，其光电转化效率最高为33.7%。而几年前兴起的这种太阳能热光伏发电系统“可以显著提高效率，最理想的情况可能超过80%”。
但这一理念在实验过程中遇到了很多障碍，此前的太阳能热光伏发电设备的转化效率还不足1%，最新太阳能热光伏发电设备的转化效率为3.2%。研究人员表示，随着研究的进一步进行，有可能达到20%，届时就能进行商业化生产了。
由于这套系统的吸收—释放设备依靠高温来运行，其尺寸非常关键：物体越大，表面积与体积的比值越小，因此，尺寸越大，其热损失下降越快。这次测试在一块1厘米的芯片上进行，以后将在10厘米的芯片上进行。
2．研制提高硅太阳能电池效率的新材料。
⑴推出能够提高晶硅光伏电池功率输出的新型电子材料。2010年9月，总部位于美国新泽西州莫里斯镇霍尼韦尔公司，近日向媒体宣布，推出一系列新型电子材料，利用这些材料，晶硅光伏电池制造商，能够通过使用先进高效的电池设计，来提高电池的功率输出。
这些新型材料，包括大规模半导体制造中常用的电介质和掺杂剂。霍尼韦尔电子材料部，向半导体行业供应电子材料，已有超过40年的历史。现在，正在将这方面的专长，应用于光伏行业。
太阳能电池效率，对于光伏制造商而言至关重要。效率提高，意味着相同大小的电池板，在接受相同太阳辐照量的情况下，将提供更高的功率输出。因此，电池效率是决定太阳能成本的关键决定因素。具体而言，有了这些新型掺杂剂和电介质材料，制造商便能在光伏电池制造中应用新的技术，使得生产每瓦电能的成本，较当前所用工艺大大降低。
掺杂剂是可以改变硅材料电学特性的配方化学品，能够有选择性地改变太阳能电池特定部分的电学特性。电介质是可以用作绝缘体的配方化学品，能够防止电流通过太阳能光伏电池的某些区域。这些电介质材料还具有其他优点，例如，可以用作钝化层以防止有害的复合效应，或用作扩散阻挡层以防止掺杂剂扩散到某些不必要的区域，还可用作掩膜材料。
由于杂质会降低光伏电池的质量，霍尼韦尔公司在设计这些新材料时，将杂质的含量控制在了极低的水平上。可使用霍尼韦尔新型材料的晶硅电池结构，包括选择性发射极、背部钝化、点接触和硼背场。此外，霍尼韦尔的掺杂剂将使n型硅基材得到广泛的应用，代替当前占主导地位的p型硅，从而消除p型硅光致退化效应带来的不良影响。有很多既经济又高产的方法，可以把这些新材料应用于硅晶圆，例如，丝网印刷和喷墨印刷，以及其他光伏和电子制造行业中已经使用的相当成熟的方法。
这些光伏制造新型材料的开发工作，由霍尼韦尔公司位于加利福尼亚州桑尼维尔和中国上海的先进研发机构完成。此外，霍尼韦尔与研究所、原始设备制造商和全球光伏电池制造商密切合作，以确保这些材料，与已大规模商业化生产的设备兼容，并且满足整个光伏制程的工艺整合要求。
除了这些新型材料以外，霍尼韦尔电子材料部2009年还推出用于光电板产品的防反射涂层，改进光电板玻璃的透射率，从而提高光伏模块的效率和功率输出。
⑵发明可提高硅太阳能电池效率的制冷涂料。2015年9月21日，美国斯坦福大学范汕洄教授领导的一个研究小组，在美国《国家科学院学报》上发表研究成果称，他们发明一种透明制冷涂层材料，可以在不影响太阳能电池板吸收阳光性能的同时为其降温，从而提高太阳能电池的工作效率及持久性。
研究人员说，他们利用微加工技术在二氧化硅薄片上蚀刻微米量级的小孔，设计了一种二氧化硅光子晶体涂层材料。这种材料对可见光是透明的，但有很强的热辐射能力。使用这种涂层的太阳能电池板，能吸收同样多的太阳光，同时温度得到降低。
范汕洄说，这种晶体是被动制冷，工作时不需要电，也不需要其他任何能量的输入。其基本原理是令波长10微米左右的热辐射发散到空中，因为这种波长的热辐射不会被大气吸收、阻拦，从而能够为太阳能电池板降温。在自然界，这种制冷方式常见。
用硅片进行的测试表明，这种晶体可把硅片温度降低13℃。范汕洄说，太阳能电池不会把吸收的阳光全部转化为电力，没有转化的就变成热。太阳能电池越热，其效率越低。如果太阳能电池板能降低13℃，那么其工作效率将提高1%。几十年来，商用硅基太阳能电池效率提高0.1%都是很大的进步，而今其总体效率也只有20%左右，因此如能提高1%，那将是“非常非常大的进步”。
3．研究提高硅太阳能电池效率的新方法。
⑴用硅纳米颗粒提升太阳能电池转化效率。2007年8月，美国伊利诺伊大学物理学家穆尼尔·奈佛领导一个研究小组，在《应用物理快报》上发表论文称，他们一直致力于寻找更好的材料和方法，来制造高性能的太阳能电池。他们近日研究发现，在硅太阳能电池表面，生成一层硅纳米颗粒薄膜，能够提升它的能量转化能力，并且减少电池自身的发热量，延长使用寿命
该项研究成果，主要针对的是吸收转化紫外光。对传统太阳能电池而言，紫外光线要么直接被渗漏出去，要么被硅器件吸收，但转化成的却是热能而并非电能，这有可能影响使用寿命。2004年，奈佛发表于《光子技术快报》的一项研究中证实，紫外光线能够与尺度合适的纳米颗粒有效地结合，产生电能。
为了达到实际应用的效果，奈佛和同事进行了新的研究。他们首先利用自身开发的一项专利技术，将体积较大的硅转制成离散的纳米级颗粒，它们会发出不同颜色的荧光。而后，研究人员将这些颗粒分散在异丙基酒精中，并抹在太阳能电池的表面。当酒精蒸发后，电池表面就会最终形成一层紧密的纳米颗粒薄膜。
研究人员发现，如果太阳能电池表面覆盖的，是厚度为1纳米的蓝色荧光纳米粒子薄膜，整个电池将能够多转化60%的紫外光线，不过可见光的转化率提升不到3%。但如果电池表面覆盖的是厚度为2.85纳米的红色荧光粒子薄膜，那么紫外光线的转化率可增加67%，而可见光的提升也能达到10%。
奈佛认为，太阳能电池性能的这种改进，应更多地归因于电池电压的提高而不是电流。他说，“我们的研究结论，表明了薄膜内电荷传输和纳米粒子界面修正的重要性。”他表示，新的涂层工艺，很容易并入目前太阳能电池的制造过程，而成本并不会有额外的增加。
⑵发明大幅提高多晶硅太阳能电池转换效率的方法。2008年4月2日，美国技术评论网站报道，麻省理工学院机械工程学教授伊曼纽尔·萨克斯领导的一个研究小组，近日发明了可大幅提高多晶硅太阳能电池效率，同时维持低成本的方法。他们同时成立了一家名为1366的技术公司，以将这项技术商业化。
萨克斯是1366公司的创办人之一。他的实验室研制出的大约2厘米宽的小型多晶硅太阳能电池，其光电转换效率（将定量的光能转换成电能的效率），比普通多晶硅太阳能电池提高了27％。
萨克斯研究小组采用了3项关键的发明，来提高太阳能电池模型的效率。
第一项发明是在太阳能电池表面增加纹理，使硅板能吸收更多的光。当光线进入电池时，粗糙的表面使得光线发生弯曲，当光线到达电池的背面时，它不会被直接反射出去，而是被小角度反弹回，从而驻留在硅太阳能板里。光线在硅板里停留的时间越长，它被吸收而转换成电能的概率就越大。这项技术，曾在单晶硅太阳能电池上使用，但此前在多晶硅电池上还很难实现。
第二项发明与采集硅板产生的电流的银丝有关。萨克斯发明了一项技术，可以制备很细的银丝，其直径只有太阳能电池通常使用的银丝的五分之一，而且提高了导电率。银丝越细，制造成本就越低。同普通银丝相比，细银丝可以更紧密的排列，彼此的间隔更小，这使得银丝采集电流的效率更高。
第三项发明是使用一套宽平的金属条来汇集通过细银丝传来的电流。通常，这些金属条会阻碍光线进入太阳能电池，从而使电池效率下降。但萨克斯通过蚀刻金属条表面，使其变得像多面镜一样，从而获得了与在硅板表面增加纹理一样的效果。虽然这道工艺步骤会使生产成本增加，但银的用量减少了，二者可以抵消。
一般来说，多晶硅太阳能电池，要比昂贵的单晶硅太阳能电池转换效率低，但要便宜许多。27％的效率提升，意味着可用较低的成本，生产出与单晶硅太阳能电池效率相当的多晶硅太阳能电池。目前的太阳能电池每产生1瓦的电力，需要2.1美元。1366公司正在兴建一座试验工厂，以生产完全尺寸的太阳能电池（大约15厘米宽）。萨克斯说，如果公司的放大生产能够成功，这项技术将使太阳能发电的成本大幅降低。他估计，第一批采用新技术生产的太阳能电池，其发电成本约为1.65美元/瓦，考虑到今后的技术改进，成本会降为1.30美元/瓦。但是要想和煤炭发电竞争，太阳能发电的成本必须降到1美元/瓦才行。萨克斯预测，通过改进减反射涂层和其它技术进展，在2012年左右，这个目标完全可以达到。
⑶开发使硅太阳能电池转换率增一倍的新技术。2012年7月15日，日本《朝日新闻》网站报道，日本京都大学电子工程学教授野田进领导，他的同事参与的一个研究小组，在《自然·光子学》网络版上发表论文说，他们研制了一种特殊的滤膜，能使硅太阳能电池的光电转换效率相对于“普及”水平提高一倍以上。
据报道，目前，最普及的硅太阳能电池的光电转换效率一般在20％左右，经技术改良达到30％已经很不容易。这是由于太阳光包含各种不同波长的光，而硅能够吸收并转换为电能的只是某些特定波长的光。
该研究小组开发出一种滤膜，它只允许在目前技术条件下能实现光电转化、有特定波长的光穿过并照射太阳能电池，从而提高光电转换的实际效率。这种滤膜由两张铝镓砷半导体膜夹一张6.8纳米厚的砷化镓半导体膜制成。当阳光透过这种滤膜再照射太阳能电池后，电池的光电转换效率可提高到40％以上。
⑷通过新型“金字塔”结构提高硅太阳能电池效率。2014年7月，美国斯坦福大学，电力工程教授范汕洄领导的一个研究小组，在美国光学学会杂志《光学》上发表论文说，虽然太阳能电池已经技术成熟、应用广泛，但其能源转化率一直存在瓶颈。例如，目前最成功、应用最广泛的硅基电池的能源转化率还不足30%。为了改变这种状况，他们采用新型“金字塔”型表面设计，可以使太阳能电池自动降温，从而克服了太阳能电池持久、高效发电中的一大障碍。
据悉，目前太阳能电池效率较低的一大原因，是由电池本身过热造成的。数据显示，每升高1℃，太阳能电池的效率就会降低0.5%；于此同时，温度每升高10℃，太阳能电池的老化速率就会加倍。为此，科研界和工业界投入了巨资试图解决这个问题。
通常，太阳能电池能够轻易达到55℃以上。这使得能源转化率和寿命都大大降低。而通过通风或冷却液等主动降温方式，不仅成本较高，还可能会形成遮挡影响能量吸收。
范汕洄研究小组采用的设计，则避免了这些问题。据悉，研究人员在电池表面增加一层非常薄的石英玻璃，上面嵌入微型的金字塔和锥形结构。通过这种改造，太阳能电池就可以把不需要的热量反射回去。
对太阳能电池来说，可见光转化为电能的效率最高，而红外光则主要携带热量。据范汕洄介绍，该设计采用的石英玻璃允许可见光通过，但是对特殊波长的光却有折射和反射的作用，从而实现了自动降温。目前，研究人员已经在实验室中进行了相关测试，下一步，他们将在室外环境中进行测试。
4．研究降低硅太阳能电池成本的新发现。
发现纳米锥或为降低硅太阳能电池成本的关键。2012年6月，美国斯坦福大学一个研究小组，在《纳米快报》上发表研究成果称，对于硅光伏产业，要制造出经济可行的太阳能电池，需要将目前模块每瓦特1美元的成本下降一半，而这些成本大多来自硅材料和经常使用的昂贵制造工艺。该研究小组近日研发出一种由硅纳米锥和有机导电聚合物覆盖的混合型太阳能电池，不仅可以在这两个方面削减成本，同时还表现了出色的性能。
研究人员介绍，混合太阳能电池使用纳米材质有两个好处：提高光的吸收，减少使用所需硅材料的数量。太阳能电池的纳米纹理涉及纳米线、纳米穹罩（圆顶）和其他结构。研究发现，纳米锥体结构提供了一个增强光吸收最佳形状的纵横比（纳米锥的高度/直径），因为它能够同时对短波光的抗反射和长波长的光散射都发挥作用。
在以往使用纳米材质的设计中，结构之间的空间通常太小，以致无法填充聚合物。而新太阳能电池中，纳米锥的形状结构允许聚合物涂在开放的空间，减少了其他材料的需求。通过用一个简单的低温方法，即可形成这种纳米锥体/聚合物混合结构，也降低了工艺成本。
研究人员在对新型太阳能电池进行测试，并作出一些改进之后发现，生产的器件效率达到11.1%，这是在混合硅/有机太阳能电池中的最高数值。此外，短路电流的密度表明，这种太阳能电池产生最大的电流，仅稍低于单晶硅太阳能电池的世界纪录，非常接近理论极限。
研究人员预测，由于混合硅纳米锥聚合物太阳能电池良好的性能，以及更简单的生产工艺，未来有一天其可能会被视为经济上可行的光伏器件。
（二）硅薄膜太阳能电池开发的新进展
1．研制硅薄膜太阳能电池新产品。
⑴在薄金属底板上开发出薄膜结晶硅太阳能电池。2004年10月，日本媒体报道，三洋电机公司展出了正在开发的“新型薄膜结晶硅太阳能电池”，并且与老式单晶硅太阳能电池进行了比较演示。其特点是，可将多个太阳能电池单元串联起来。
据悉，可得到单晶硅太阳能电池50多倍的高输出电压。从演示中的输出电压来看，此次展出的太阳能电池为+39.4V，而单晶硅太阳能电池仅有+0.6V，因此两者大约相差66倍。
研究人员表示，他们在作为底板的薄金属底板上，薄薄地层叠了微结晶硅层和非晶硅层。关键是使用了绝缘体来分隔电池单元。这样，便可将大量的小型电池单元结合到一起。而过去的单晶硅太阳能电池，很难在不破坏结晶的前提下配置绝缘体。
因为可得到较高的输出电压，所以利用很小的面积，即可确保200V等各种家用电压。另外，当遇到因屋顶形状使老式太阳能电池板无法安装的情况时，该产品也可使用。与多晶硅太阳能电池等相比，另一个最大的优点是生产成本低。原因在于“不使用晶圆，硅的用量较低。”
该产品的另一个特点，是电池板可以弯曲。不包括底板在内的薄膜厚度仅2微米。微结晶硅本身也比单结晶硅耐弯曲。
新产品的问题是转换效率仍较低。单个电池单元的效率可达12.6%，而将多个电池单元串联后，就会导致电流密度降低、效率下降。据三洋电机介绍，今后，将通过优化电流和电压之间的平衡、提高转换效率，使之达到实用水平。
⑵研制出高转换率的太阳能硅薄膜电池。2015年3月25日，俄罗斯科学网站报道，俄科学院约飞物理技术研究所一个研究小组，研制出一种新的太阳能薄膜电池，这种基于硅材料的太阳能电池组件，其光电转换效率理论可达27%。
俄罗斯一家太阳能薄膜公司，通过与瑞士合作，在俄设厂生产太阳能电池，年产100兆瓦特的薄膜太阳能电池组件。瑞士的生产技术，保障所产太阳能电池组件光电转换效率达到8.9%。为完善该技术并进一步提高光电转换率，2010年，这家俄罗斯公司，在约飞物理技术研究所建立薄膜太阳能电池技术研究中心。该中心的研究人员，逐渐将这种薄膜太阳能电池的光电转换效率，提高至10%，进而达到12%。
在平行的研究中，俄研究人员致力于完善一种新的产品，基于硅材料的薄膜太阳能电池。2012年，日本三洋公司基于晶体非晶体异质结技术的太阳能电池专利到期，俄科学家借助于该专利技术，利用俄诺贝尔奖获得者阿尔费罗夫关于光电异质化的研究成果，研制出一种新的太阳能薄膜电池。这种新的太阳能薄膜电池基于硅材料，生产中利用等离子化学沉降的方法在晶体硅表面形成一层非晶体硅的纳米薄膜。目前，该研究中心生产的基于这种技术的薄膜太阳能电池组件的工业样品，光电转换率已达21%，超过传统薄膜太阳能电池组件的近2倍。
⑶研制出高转化率的三结薄膜硅太阳能电池。2015年6月，由日本先进工业科学和技术研究所、光伏发电技术研究协会、夏普、松下和三菱等单位抽调人员组成的一个研究小组，在《应用物理快报》杂志上发表论文称，他们开发出的一种三结薄膜硅太阳能电池，获得了13.6%的稳定转化效率，成功打破了此前报道的13.44%的世界纪录。研究人员称，如果进行一些合理化改进，其效率可达14%以上。
日本先进工业科学和技术研究所研究员佐井田村说，新研究获得了两个重要成果。一是开发出具有先进光捕获能力的薄膜硅太阳能电池；二是在只有4微米厚的微晶吸收层上，实现了每平方厘米34.1毫安的光电流密度。
太阳能电池的效率有多种不同类型，通常不同类型效率之间很难进行直接比较。这个研究使用的是稳定的光电转换效率（PCE）。
佐井田村指出，太阳能电池只要暴露在光照、湿度、温度等条件下，转换效率就会发生一定程度的衰减，因此大多数太阳能电池都通过“初始”效率来进行评价。如果电池是像晶体硅这样的材料，性能上还相对稳定；而如果涉及无定形硅即非晶硅，情况将完全不同，在经过暴晒后其导电性能会显著衰退。
许多因素都可能导致光诱导降解硅太阳能电池，一种应对措施是在衬底采用蜂窝结构。此前蜂窝状纹理大多用于单结太阳能电池，其仅由一个半导体材料制成，只吸收一个波长的光。而在新研究中，科学家发现这种结构同样可用于多结太阳能电池，这类电池可以吸收多个波长的光，比单结电池具有更优异的陷光性能。为进一步提高效率，他们还对蜂窝纹理进行了精细的控制，并加入了一种蛾眼结构的防反射膜。
为了作出公正的比较，研究人员对暴露在阳光中一段时间的太阳能电池进行测试。结果表明，这种电池的初始效率可达14.5%，稳定效率也有13.6%。
尽管刷新了一项新的纪录，研究人员认为该电池还有很大的改进空间，在提高太阳能电池顶部层的性能，并解决光谱失配问题之后，其稳定效率将有望突破14%。
2．研究制造硅薄膜太阳能电池的新方法。
⑴研制出把超薄硅太阳能电池“印”在铝箔上的新方法。2008年1月8日，英国《卫报》报道，一种可“印”在铝箔上的超薄硅太阳能电池，近日在美国加利福尼亚州一家工厂的流水线上源源不断地生产出来。这种可以大规模生产的太阳能电池，被科学家称为太阳能发电的“革命”。
据悉，这种电池板是硅谷的纳米太阳能公司研制生产的。与越来越多欧洲消费者安装在自家屋顶上发电的太阳能电池不同，这种新式电池可像印刷报纸一样“印”在铝箔上，弹性好，重量轻。纳米太阳能公司预计，用这种电池板发电能像用煤发电一样便宜。
纳米太阳能公司称，该产品订单已经排到了2009年中期，而且第二家工厂很快要在德国投产。
纳米太阳能公司在瑞士的经理埃里克•奥尔德科普说：“我们的首块太阳能电池板，将用于德国的一家太阳能电站。我们的目标，是生产出发电成本为99美分1瓦的电池板。”
报道说，在欧洲、日本、中国和美国，有几家公司和纳米太阳能公司一样，都在研发生产不同样式的“薄片”太阳能电池。美国政府和硅谷的企业家，已经为这种技术实现商用，投入了3亿美元。
⑵开发出高压喷涂气态硅制造硅薄膜太阳能电池的新方法。2008年9月9日，《日经产业新闻》报道，日本三洋电机公司成功开发出高速生产硅薄膜的技术，并用新技术生产出双重构造的薄膜型太阳能电池，使以较低成本生产光电转换效率较高的实用太阳能电池成为可能。
据报道，太阳能电池的硅薄膜，一般用等离子化学气相沉积法生成。等离子化学气相沉积法的要点，是把气态硅喷涂到基板上，但是如果需要面积大的薄膜，喷涂的气体压力就容易下降，膜的形成速度就会变慢。三洋电机公司通过将喷涂气态硅的喷嘴形状从原先的扁平状改成金字塔状，成功使气态硅维持高压状态。
技术人员用新技术，试制纵向55厘米、横向65厘米的太阳能电池板，薄膜的形成速度相当于每秒3纳米厚。如果利用这一新技术生产厚2微米的双层硅薄膜，速度可提高到原来的9倍。太阳能电池板的光电转换效率可达9.84％，比薄膜型太阳能电池通常5％至8％的转换效率要高。
制造速度的提升，使每台设备的产量大幅提高，生产成本随之显著降低。据三洋电机公司介绍，如果用于实际批量生产，那么平均每瓦功率的成本约为150日元（约合1.4美元），大约是晶体硅的一半。三洋目前正计划验证新技术能否用于生产纵向1.1米、横向1.4米的大型电池板，还希望将光电转换效率提升到14％。
太阳能电池有多种类型，薄膜型太阳能电池因为薄，所以其原料硅的使用量，只有多晶硅太阳能电池的1％，因而价格要便宜。但是，其光电转换效率只有晶体硅太阳能电池的一半，后者的转换效率已超过20％。要实现批量生产薄膜型太阳能电池，可大面积设置、价格低、转换效率高等3个条件缺一不可，但同时满足这3个条件的难度非常大。
⑶研制出用“墨水”打印硅薄膜太阳能电池的新方法。2011年7月，美国麻省理工学院化学工程师凯伦·格利森、电子工程学教授弗拉基米尔·布洛维、研究生迈尔斯·巴尔等人组成的研究小组，在《先进材料》杂志上发表论文称，他们研发出一种新“墨水”，把它沉积在纸或其他柔软织物表面，能打印出硅薄膜太阳能电池，就像打印文件一样简单且成本低廉。该研究，由美国国家科学基金会对其提供了资助。
这项技术，与现有大多数制造太阳能电池的方法不同。现有技术需要将衬底暴露在具有破坏性的环境中——要么让衬底以液体形式存在，要么暴露在高温下；而新技术使用的是蒸汽而非液体，温度也不到120℃，这些“相对温和”的环境使人们能将常用的、不经处理的纸张、布料、塑料作为衬底，在其上打印出太阳能电池。
该技术提供了一种大规模制造硅薄膜太阳能电池的廉价方法。这种名为气相沉积的技术，比印刷普通文档要复杂一点，为了在纸上打印出一个光伏电池阵列，需要在这张纸上沉积5层物质，而且这个过程必须在真空中进行。
该技术可以使用普通的、未经处理的纸，包括印刷纸、薄纸、复写纸甚至报纸，并且效果都很好，甚至将纸折成纸飞机后，其上的太阳能电池仍能工作。研究人员同时也在一块薄薄的聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料上打印出了一块硅基太阳能电池，并将其折叠打开了1000次，其性能并不受影响。相比之下，现在使用商业化方法制造出的太阳能电池折叠一次就失效了。
布洛维表示，与传统由玻璃或其他材料制成的衬底相比，纸或塑料衬底要轻薄很多，这也让其应用领域更加广泛。另外，研究结果也证实，2010年打印出来的太阳能电池现在仍能工作，这表明其寿命很长。而且，纸质衬底太阳能电池能够被制成遮光窗帘或墙纸，其安装成本大大低于玻璃衬底太阳能电池。
最新的这种纸上太阳能电池的转化效率比较低，但科学家们相信，随着他们持续对该材料进行改进，转化效率可以大大提高。研究人员说：“不管怎么，该电池现在足以为一个小型设备提供电力。”
印刷电子专业调查机构主席皮特·哈罗普表示，麻省理工学院的研究非常令人兴奋，目前太阳能电池研究领域的很多科学家都专注于研制大规模太阳能电池，其实，小型太阳能电池的应用领域也很广泛。
3．研究提高硅薄膜太阳能电池效率的新技术。
⑴找到提高硅薄膜太阳能电池效率的新途径。2008年11月，有关媒体报道，美国麻省理工学院材料科学和工程教授莱昂内尔•金默灵领导，物理系博士后比特•博麦尔等人参与的一个研究小组，通过计算机模拟和实验室测试，找到能极大提高太阳能光电池效率的新途径。
据悉，利用计算机模型和先进的芯片制造技术，由物理学家和工程师共同组成的麻省理工学院研究小组，成功地在构成太阳能电池的超薄硅薄膜的正面增加了一种增透膜，并在背面增加了由多层反射膜和衍射光栅组合成的精细结构。此举导致太阳能电池的电能输出提高了50%。
超薄硅薄膜背面的多层反射复合结构经过精心设计，能够让照射进薄膜的光，更长时间地在薄膜内反射，以便有充足的时间让光能被吸收并转换成电能。博麦尔表示，没有这些反射层，光将直接反射出薄膜进入周围的空气。他认为，确保进入硅薄膜中的光，能够具有更长的传输通道十分重要，在硅薄膜中传输距离越长，意味着光能被吸收的概述越高，被吸收的光能将促使薄膜中的自由电子形成电流。
为获得理想的光电转换效率，研究小组进行了数以千计的计算机模拟实验。他们通过改变衍射光栅的刻痕距离、硅薄膜的厚度，以及硅薄膜背面反射层的数量和厚度，来寻求最佳的太阳能电池设计方案。金默灵说：“计算机模拟（结构）的性能，比任何其他结构的要好得多，当硅薄膜为2微米厚时，光能转换成电能的效率提高了50%。”
在获得了理想的设计后，研究小组通过实际的测试，对其进行确认。金默灵表示，研究人员完善了光电池的结构，并将其制造出来。测试确认了计算机模拟设计的正确性，该结果已引起了工业界的兴趣。
研究人员表示，至今所完成的工作，仅仅是走向实际高效光电池商业化生产的第一步，今后，他们还需要通过不断的模拟和实验测试，以及更多的制造工艺和材料研究，对新型光电池进行精细调整。金默灵认为，如果太阳能利用产业保持目前的需求势头，那么新型光电池有望在未来3年内得到应用。
⑵通过优化薄膜太阳能电池内部结构提高其光电转化效率。2011年5月，新加坡科学技术研究局微电子所的帕特里克·罗等组成研究小组，在美国无线电工程师协会（IEEE）主办的《电子器件快报》杂志上发表论文称，他们发现，改变薄膜太阳能电池内硅的微观结构，可增强其捕获光线的能力，显著提高其光电转化效率。
能源危机，是当今世界面临的一大主要挑战，高需求和低供给在不断推高原油及其制成品的价格。硅基太阳能电池，是生产清洁能源和可再生能源最有前途的技术之一。有数据称，太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤，只需将其中一小部分转化为电能，就能解决目前人类社会对化石能源的依赖。但太阳能电池，尤其是薄膜太阳能电池，较低的转化效率，一直困扰着这项技术的发展和普及。
新加坡的研究人员发现，采用改变薄膜太阳能电池内硅的微观结构的方式，可显著提高其转化效率。
研究人员称，普通的硅薄膜太阳能电池，存在着一个固有的问题：它们无法吸收那些波长比其薄膜厚度更大的光子。例如，一个标准的800纳米厚的薄膜，虽然能捕捉到波长较短的蓝光，但也会完全错过波长较长的红光。因此，为了保持材料低成本的同时提高转化效率，就必须想办法捕捉到更多的光子，其中也包括那些中等波长的光线。
为达到这一目的，研究人员在薄膜太阳能电池中硅的表面蚀刻出很多纳米尺寸的硅柱。帕特里克·罗解释说，这些硅纳米柱就像森林中的树木，一旦光线进入后就无法轻易“脱身”。当光线射入硅柱组成的“森林”后，光线就会在“森林”的底部，以及“树木”间，不断进行反射，每一次反射都会增加吸收光子的机会。
该研究小组用电脑对此进行模拟，以确定这种薄膜太阳能电池的性能和其最佳外形。经研究他们发现，每个纳米支柱的上半部分，还可通过添加掺杂剂的方式制成电极。目前，他们正在通过这一思路，进行这种薄膜太阳能电池原型的制造工作。
⑶研制出增强硅薄膜太阳能电池吸光能力的技术。2012年1月，美国加州理工学院，应用物理和材料科学教授哈里·阿特沃特领导的一个研究小组，在《纳米快报》杂志上发表研究成果称，尽管硅薄膜太阳能电池应用广泛，但其也有“先天不足”：薄膜越薄，制造成本越低，但当其变得更薄时，会失去捕光能力。然而，近日他们却发现，当薄层厚度等于或小于可见光的波长时，其捕光能力会变得很强。于是，研究人员据此研制出厚度仅为现在商用薄膜太阳能电池厚度的1%、但捕光能力却大有改善的薄膜太阳能电池。
该研究小组用射线—光极值这一理论最大捕光值，来标识一种材料最多能捕获多少光线，但是，只有当材料具有一定的厚度时，才能达到这一峰值。目前，他们已经制造出吸光层的厚度仅为0.1纳米的薄膜太阳能电池，但这样纤细的薄膜会漏掉很多光。
不过，别担心，研究人员已经找到一种巧妙的方法，使薄层能帮助太阳能电池超越射线—光极值。他们发现，当薄层的厚度小于可见光的波长（400纳米到700纳米）时，薄层会同这些可见光的波特性相互作用，而不是将可见光看成一条直直的射线。阿特沃特说：“当我们制造出的薄层厚度，等于或小于可见光的波长时，一切规则都改变了。”这样，一种材料的吸光能力，不再取决于厚度，而取决于光线和吸收材料之间的波作用。
通过计算和计算机模拟，该研究小组证明，让一种材料对光更有“胃口”的技巧在于，制造出更多“光态”让光来占领，这些“光态”就像狭缝一样，能吸收特定波长的光。一种材料的“光态”数量，部分取决于该材料的折射率，折射率越高，其能支持的“光态”就越多。
其实，早在2010年，斯坦福大学的教授范汕洄研究小组就把“光态”数，确定为一种材料能吸入多少光线的主要因素。他们用一种折射率较高的材料，把一种折射率低的材料包围，结果发现，高折射率材料的出现，能有效提高低折射率材料的折射率，增强其捕光能力。
阿特沃特研究小组对上述结论进行了延伸，最近这项研究表明，薄膜吸光器内挤满 “光态”，会大大增强其捕光能力。而且，可通过几种方式（比如，用金属或晶体结构包住吸光层，或将吸光器嵌入一个更复杂的三维阵列中）来提高吸收器的有效折射率。范汕洄表示：“最新研究表明，我们可以采用多种不同的方法，有效地突破射线—光极值。”
美国托莱多大学的罗伯特·柯林斯表示，阿特沃特研究小组的研究，是“非常关键的第一步”。但他也认为，这项技术还面临着诸多挑战，比如，需要额外的工业过程来制造这些超薄的薄膜，这会导致成本增加。
4．研究降低硅薄膜太阳能电池成本的新方法。
⑴开发出可降低工艺成本的卷带式薄膜太阳能电池。2009年6月4日，美国《技术评论》网络版报道，美国一家先创公司“迅力光能”开发出了一种制造大型可卷曲太阳能板的技术。这种卷带式制造技术，可在不锈钢薄板上形成薄膜非晶硅太阳能电池，有利于降低生产工艺的成本。每个太阳能模块，大约1米宽、5.5米长。
相对于传统硅太阳能电池板笨重和坚硬的形象，这些重量轻、可卷曲的电池板很容易集成到建筑物的屋顶和外立面，也可用于车辆外体。该太阳能电池板比传统电池板更吸引人的地方是，能更容易地将其嵌入不规则设计的屋顶。
该公司的创始人兼总裁邓迅明说：“它们甚至可以卷起来放在背包里带着，这样你就可用它给你的笔记本电脑充电。”
非晶硅薄膜太阳能电池，要比传统的晶体电池更为便宜，因为它只需使用材料的一部分，相对于晶体太阳能电池150毫米至200毫米厚的硅层，它的厚度只有1毫米。但是，其弊端是效率非常低。为了提高其效率，迅力光能公司制造了一个三重结构的电池，它由非晶硅、非晶锗化硅及纳晶硅等3种不同材料制成，每种材料被调谐至捕获不同太阳光谱的能量。
虽然，目前市场上有些晶硅模块的效率可达20%以上，而迅力光能的可卷曲光伏模块效率只有8%左右，但其优势在于高容量的卷带式技术。卷带式工艺可使其降低成本，扩大应用范围。
到目前为止，迅力光能已获得了4000万美元的投资。2008年12月，俄亥俄州还给予了这家公司700万美元的贷款，以加快建设一个2.5万千瓦的卷曲太阳能模块生产线。该公司预计将于2010年正式向市场推出其产品。
⑵研制出使硅薄膜太阳能电池成本减半的纳米结构。2011年10月，物理学家组织网报道，新加坡微电子研究院高级研究员纳瓦·辛领导，南洋理工大学电机与电子工程学院院长郑世强、新加坡微电子研究院院长孔迪立等人参与的一个研究小组，把一个新奇的纳米结构，置于非结晶硅制成的太阳能电池的表面，研制出一种转化效率高、成本低的新型薄膜太阳能电池。研究人员认为，这项技术，有望把太阳能电池的制造成本降低一半。
目前，太阳能电池一般都由高品质的硅晶体制成，因此，大大提高了其制造成本，限制了太阳能电池在全球大规模的应用。新加坡研究小组，制造出的这种新薄膜硅太阳能电池，则解决了这个问题。
研究人员首先使用品质比较差、厚度仅为传统太阳能电池所用硅晶体百分之一的非结晶（不定形）硅薄膜，制造出一种薄膜硅太阳能电池，大大降低了太阳能电池的制造成本。
但这种电池，在把太阳光转化为电力方面的效率较低，为此，研究人员使用纳米技术，在非结晶硅太阳能电池表面，制造出一种独特的纳米结构，改进了这种薄膜硅电池的转换效率，增加了能源输出。新的纳米结构硅薄膜太阳能电池，产生的电流是34.3毫安/平方厘米，与传统电池的输出电流（40毫安/平方厘米）相当。
纳瓦·辛表示：“新的纳米方法，让这种薄膜太阳能电池，获得有史以来最高的短路电流密度以及5.26%的转化效率。”
然而，一般晶体硅电池的转化效率为20%至25%。纳瓦·辛认为，鉴于短路电流密度与转化效率直接相关，通过不断改进填充率、增加开路电流的电压，能让这种硅薄膜太阳能电池的转化效率，最终提高到与晶体硅太阳能电池相当。他们接下来，将集中于探索其他捕光策略，比如使用表面等离子体光子学技术来捕光等。
郑世强表示，太阳能电池要想在全球各地“遍地开花”，提高低成本太阳能电池的转化效率非常重要。南洋理工大学一直致力于研究，便宜高效其容易制造的太阳能电池，以便太阳能电池在未来的可再生能源家族中，发挥更大的作用和影响力。孔迪立表示：“薄膜太阳能电池的需求量，在2013年可能会翻番。”
⑶发现蚀刻图案能大幅降低硅薄膜太阳能电池的制造成本。2012年7月，美国麻省理工学院机械工程系有关专家组成的一个研究小组，在《纳米快报》杂志上发表研究成果指出，高纯度硅占据了传统太阳能电池阵列总成本的40%，因此研究人员长久以来一直在寻找可最大化太阳能电池输出功率，同时降低硅用量的途径。现在，他们找到一种可降低硅厚度的新途径，可在保持电池高效的基础上，最高变薄90%，从而降低硅薄膜太阳能电池的制造成本。
研究人员称，这一途径的秘密，在于蚀刻在硅表面的微型倒金字塔图案。他们使用了两束重叠的激光束，以便在沉积于硅之上的光刻胶的表面，生成特别的微小刻痕。经过几个中间步骤后，氢氧化钾可溶解未被光刻胶覆盖的表面部分，从而在材料表面产生希望获得的金字塔图案。这些微小的刻痕，每个都不足百万分之一米，却能够像厚度为自身30倍的固体硅表面一样有效地捕获光线。这种可有效提升硅薄膜太阳能电池效能的新方法，有望作用于任意的硅基电池。
研究人员表示，如果能够大幅降低太阳能电池中硅的用量，就能显著降低电池的生产成本。但问题是，当电池被打造得很薄时，其吸收阳光的能力将随之降低。不过，新方法却能克服这一问题。这种被称为“倒转纳米金字塔”的表面刻痕，能大大增加光的吸收量，而表面面积只会增加70%，从而限制了表面复合现象的发生。表面复合是指半导体少数载流子在表面消失的现象。半导体表面，具有很强的复合少数载流子的作用，同时也使得半导体表面对外界的因素很敏感，这也是造成半导体器件性能，受到表面影响很大的根本原因。
基于新方法获得的10微米厚晶体硅，能够达到和30倍厚的传统硅片近似的光吸收量。这不仅能够减少太阳能电池中昂贵的高纯度硅用量，还能减轻电池的重量，并因此节约所需的电池用料，有效降低薄膜太阳能电池的材料成本和安装成本。此外，新技术所使用的设备和材料，也是现有硅芯片处理标准零件，因此无需更新制造设备，从而使制造的难度大幅降低，更加便于实施和操作。
迄今为止，研究小组只进行了制造新型太阳能电池的第一步，即基于硅片生产了具有图案的表面，并借助俘获的光线证实了它的效能提升，下一步则需要增加组件以生产真实的光伏电池，并证明它的能效可与传统太阳能电池相媲美。研究人员期望新型的硅基太阳能电池转化效率达到20%，但这仍需进一步的实验进行检验。如果一切顺利，新系统可在不远的未来实现商用化，制造出更经济的薄膜太阳能电池，而超薄的设计也将使其应用范围更加广泛。
二、开发非硅基太阳能电池的新成果
（一）砷化镓太阳能电池研制的新进展
1．开发砷化镓太阳能电池的新成果。
⑴研制有望打破能效记录的砷化镓太阳能电池。2011年11月8日，物理学家组织网报道，美国劳伦斯伯克利国家实验室科学家伊莱·亚布鲁诺维契领导，欧文·米勒等专家参与的研究小组，通过与传统科学研究相反的新思路，用砷化镓制造出了最高转化效率达28.4%的薄膜太阳能电池。该太阳能电池效率提升的关键，并非是让其吸收更多光子而是让其释放出更多光子，未来用砷化镓制造的太阳能电池，有望突破能效转化记录的极限。
过去，科学家们都强调通过增加太阳能吸收光子的数量，来提升太阳能电池的效率。太阳能电池吸收阳光后产生的电子必须被作为电提取出来，而那些没有被足够快速提取出的电子会衰变并释放出自己的能量。
该研究小组发现，如果这些释放的能量作为外部荧光排放出来，太阳能电池的输出电压就会提高。亚布鲁诺维契说：“我们的研究表明，太阳能电池释放光子的效率越高，其能源转化效率和提供的电压就越高。外部荧光是太阳能电池转化效率达到理论最大值——肖克莱·奎塞尔效率极限的关键。对于单p-n结太阳能电池来说，这个最大值约为33.5%。”
米勒解释道，在太阳能电池的开路环境中，电子无处可去，就会密密挤在一起，理想的情况是，它们排放出外部荧光，精确地平衡入射的太阳光。
基于此，由亚布鲁诺维契联合创办的阿尔塔设备公司，使用亚布鲁诺维契早期研发的单晶薄膜技术——外延层剥离技术，用砷化镓制造出了最高转化效率达28.4%的薄膜太阳能电池。这种电池不仅打破了此前的转化效率，其成本也低于其他太阳能电池。目前效率最高的商用太阳能电池由单晶硅圆制造，最高转化效率为23%。砷化镓虽然比硅贵，但其收集光子的效率更高。就性价比而言，砷化镓是制造太阳能电池的理想材料。
亚布鲁诺维契说：“太阳能电池的高性能与外部荧光有关，我们的理论将显著改变未来太阳能电池的面貌，我们将生活在一个太阳能电池非常便宜而且高效的世界中。”
⑵展示既能吸光又能发光的砷化镓太阳能电池模型。2012年5月6日至11日，在美国旧金山市举办的激光器和电子设备大会上，加州大学伯克利分校电子工程系艾利·雅布龙诺维奇教授领导，欧文·米勒等人参与的研究小组，向人们展示了一项砷化镓太阳能电池新成果。他们提出了新的设计理念，把太阳能电池设计得像发光二极管一样，既能吸光又能发光，据说这种新设计有望让太阳能电池突破转化效率的极限。
科学家们自1961年就知道，太阳能电池的光电转化效率存在着一个理论最大值：约为33.5%。但50年过去了，始终无人突破这一极限。2010年，科学家们让平板单节点太阳能电池（能吸收特定频率光波）的转化效率达到了26%。
人们普遍认为，太阳能电池吸光越多，提供的电力就会越多，但该研究小组却反其道而行之。为了获得更高的转化效率，他们基于吸光和发光之间的数学关联，提出上述设计理念。米勒表示，当太阳中的光子“袭击”太阳能电池内的半导体时，电池会产生电。光子提供的能量会让材料中的电子变得松散从而能自由移动，但这一过程（发冷光过程）可能也会产生新光子。这种新式太阳能电池背后的理念是：应让这些并不直接来自于太阳光的新光子能容易地从电池中逃逸。米勒表示：“尽管这与直觉相悖，但从数学角度而言，使新光子逃逸会让电池产生更多电压。”
米勒解释道：“从根本上而言，太阳能电池的吸光和发光之间存在着热力学关系。让太阳能电池发光，那么，光子就不会在太阳能电池内‘失去’，就会增加太阳能电池产生的电压。发光越好的太阳能电池产生的电压越高，转化效率也越高。”米勒表示，尽管冷光发射过程会增加电压这一理论并不新鲜，但从没有人想过用其来设计太阳能电池。
雅布龙诺维奇说，他参与创办的阿尔塔设备公司，去年使用新概念设计出的一种由砷化镓制成的太阳能电池模型，就取得了高达28.3％的创纪录转化效率。该进展应部分归功于他们在设计电池时，也让光能尽可能容易地从电池中逃逸，他们使用的技术包括改进电池背面，确保产生的光子被反射回材料中，从而产生更多电力。
雅布龙诺维奇希望能利用最新技术，让太阳能电池的转化效率超过30%。该研究适用于各种类型的太阳能电池，有望让整个太阳能电池领域大大受益。
2．研制含有砷化镓原料的多层叠加太阳能电池新成果。
⑴研发出以砷化镓为基础的高转换率多层太阳能电池。2010年10月27日，德国弗赖堡的弗劳恩霍夫协会太阳能系统研究所，安德烈亚斯·贝特博士领导的研究小组，在布鲁塞尔领取了欧洲技术与研究组织行业协会颁发的2010年创新奖。这项创新奖，旨在表彰研究和技术组织推动了经济和社会进步的研究工作。
贝特研究小组研发出效率几乎是传统硅太阳能电池两倍的太阳能电池。这种电池采用了太阳能电池堆叠技术，使整个太阳光谱都可用于能源生产。
目前，在实验室所研发的硅基太阳能电池中，单晶硅电池的最高转换效率为29%，而该研究小组实现了41.1%的效率，这是继2007年美国研制出效率达40.7%的太阳能电池后，又一具有里程碑意义的纪录。
为实现这一目标，贝特研究小组改进了多层太阳能电池的堆叠。这种电池内部的三个子电池由Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体（指元素周期表中的Ⅲ族与Ⅴ族元素相结合生成的化合物半导体，主要包括砷化镓、磷化铟和氮化镓等）相互叠加而成，每个子电池能够特别有效地转化一定波长范围内的太阳光。这些高效的电池被安装在可集中太阳光强度500倍的集中器里。经过贝特研究小组自2006年以来不断的改进，这种阳光集中器内的金属结构，已经可以传输较大电流，并且自身电阻较低，尺寸也非常小，不会阻挡阳光的穿透。
为了使这项技术迅速从实验室走向工业化，该研究所还专门建造了一个示范试验室，用来展示它们在工业中如何应用。而从这家研究所分离出来的太阳能公司所生产的集中器系统，已经在西班牙太阳能电厂的应用中，帮助实现了太阳能并网发电25%的系统效率。
⑵开发出以砷化镓为核心的高转换率太阳能电池。2011年11月4日，有关媒体报道，日本经济产业省下属独立行政法人，日本新能源与产业技术综合开发机构，其主导的“创新型太阳能发电技术研发”项目，取得阶段性成果，项目承担单位夏普公司，成功开发出转换效率达36.9%的太阳能电池。
夏普公司采用中层为砷化镓的三种无机化合物（上层InGaP、中层GaAs、底层InGaS）叠加的方式，在2009年10月，就实现35.8%的转换效率。经过两年的研究，解决了结合部连接层衰减的问题，大幅提高了转换效率。
研究人员表示，这个项目瞄准2050年，目的是开发出转换效率40%以上的太阳能电池，并使成本下降到日本目前的普通发电水平（7日元每千瓦时）。由于这一成果的取得，预计该项目将大大提前实现上述目标。
另据日本新能源与产业技术综合开发机构网站消息，为了配合“创新型太阳能发电技术研发”项目的实施，该开发机构和欧盟委员会，在2011年5月签署了研发合作协议，产学研合作共同开发转换效率达到45%的太阳能电池。项目实施期间从2011到2014年，日本共投入6.5亿日元，欧盟投入500万欧元。日方项目参加单位为，丰田工业大学（丰田集团）、夏普、大同特殊钢、东京大学、产业技术综合研究所；欧方为，西班牙、德国、英国、意大利、法国等国的大学、研究所与企业。
⑶含有砷化镓成分的四结光伏太阳能电池创转化效率新纪录。2013年9月24日，物理学家组织网报道，德国弗朗霍夫太阳能系统研究所弗兰克·狄默思领导，法国聚光光伏制造商Soitec公司、德国柏林亥姆霍兹研究中心有关专家参与的研究小组，制造出一款在太阳光浓度为297下光电转化效率高达44.7%的四结光伏电池，创造了新的世界纪录。他们表示，这项成果，有望大幅降低太阳能发电的成本，并为获得转化效率高达50%的太阳能电池，铺平道路。
其实，早在2013年5月份，该研究小组就同法国原子能委员会电子与信息技术实验室科学家，联合推出当太阳光线浓度为319时，光电转化效率高达43.6%的光伏电池。在此基础上，科学家们经过详细的研究和优化精炼，制造出了光电效率达44.7%的太阳能电池。
这些太阳能电池，主要用于聚光光伏设备中。聚光光伏技术，是指把汇聚后的太阳光，通过高转化效率的光伏电池直接转换为电能的技术。利用光学元件，把太阳光汇聚后再进行发电的聚光太阳能技术，被认为是太阳能发电未来发展趋势的第三代技术。
最新研制出的四结太阳能电池中的单个电池，由不同的III-V族（元素周期表中III族的B，Al，Ga，In和V族的N，P，As，Sb等）半导体材料制成，其中含有以砷化镓为原料制成的产品。这些结点逐层堆积，单个子电池能吸收太阳光光谱中不同波长的光。
狄默思表示：“多年来，我们一直致力于这种多结太阳能电池的研发工作。这种四结太阳能电池，是我们多年心血的结晶。除了改进材料和优化结构外，被称为‘晶圆接合’的新程序，在研发过程中发挥了关键作用。凭借这一技术，我们能将两个半导体晶体有序地结合起来，而不是让其胡乱地堆积在一起。利用这种方式，我们能生产出最佳的半导体结合体，从而制造出效率最高的太阳能电池。”
Soitec的主席和首席执行官安德里·荷夫表示：“在不到4个月的时间内，太阳能电池转化效率的记录提高了1%，这证明四结太阳能电池设计方法极具潜力，我相信，太阳能电池的转换效率即将超越50%。”
（二）铜铟硒与铜铟镓硒太阳能电池研制的新进展
1．开发铜铟硒太阳能电池的新成果。
突破制造铜铟硒太阳能电池新型薄膜的技术瓶颈。2010年4月21日，美国《技术评论》杂志报道，美国俄勒冈州立大学化学工程系助理教授张志宏领导的研究小组，利用持续流动的微型反应器，突破了铜铟硒薄膜太阳能电池制造上的技术瓶颈。这项技术在实现铜铟硒膜层厚度可控的同时，还可大幅降低太阳能电池的制造成本并减少废弃物。该研究论文，发表于最新一期《当代应用物理》杂志上。
以往使用铜铟硒制造光能吸收膜时需要使用飞溅、蒸发以及电镀技术，这些过程耗时很长，且需要昂贵的真空系统以及有毒的化学物质，因此成本很高。而另一种铜铟硒化学溶液沉积法尽管降低了成本，但生长溶液会随着时间流逝发生变化，很难控制光能吸收膜的厚度。
俄勒冈州立大学和韩国岭南大学携手研发的这项技术，能够在一个持续流动的微型反应器中，让“纳米结构的薄膜”厚度可控地沉积在不同的表面。比以前使用的化学溶液沉积法更加安全、快捷、经济。张志宏他们现在已经证明，这套系统能够在短时间内、在玻璃衬底上生产铜铟硒薄膜太阳能电池。接下来，他们将完善这项技术，以便能够与基于真空的技术竞争，实现商业化生产。
值得一提的是，利用这种方式制造的薄膜太阳能电池，可直接用于屋顶制造。这将给未来的可再生能源及传统建材带来革命性变化。因为所有的太阳能应用最终都要考虑效率、成本和环境安全，而这种产品恰恰能够满足这些要求。
该研究小组还在研发使用纳米结构的光能吸收薄膜来制造太阳眼镜，不仅成本更低且防紫外性能更好。研究人员认为，这项技术，也能应用在照相机和其他光学设备制造上。
研究人员表示，他们旨在进行“太阳能电池的生产和应用的革新”，希望能够将成本降低50%，减少生产过程对环境的伤害，同时创造更多的就业岗位。
2．开发铜铟镓硒太阳能电池的新成果。
⑴铜铟镓硒薄膜太阳能电池研究获重要进展。2010年7月13日，德国美因茨大学发表公报说，该校研究人员参与的薄膜太阳能电池研究项目取得重要进展，有望使太阳能薄膜电池突破目前20％光电转化率的纪录。
目前，光电转化率最高的是铜铟镓硒（CIGS）太阳能薄膜电池，可达20％，但与超过30％的理论值仍相距甚远，其主要难题是材料中的铟、镓分布和比例难以达到理想值。
美因茨大学的研究人员，与美国国际商业机器公司德国美因茨分部，以及生产特种玻璃的德国肖特公司等合作，借助电脑模拟程序发现铜铟镓硒材料的铟镓分离温度，即在稍低于正常室温的情况下，铟镓会完全分开且分布不均匀，从而导致材料的光电作用减弱。而超过这个温度后，铟镓会相互融合，且温度越高其分布就越均匀。这表明太阳能薄膜电池生产过程需要较高的温度，只要最后的制冷步骤足够快就能使这种均匀性“定格”。
以往生产工艺受生产必需的玻璃底板的耐热性限制，无法提高温度。为此肖特公司研发了一种能够耐受超过600℃的特殊玻璃材料。研究人员说，此项成果是一个重大突破。
⑵用喷墨打印技术制造铜铟镓硒薄膜太阳能电池。2011年6月，美国俄勒冈州立大学化学、生物学和环境工程系的教授张志宏领导的研究小组，在《太阳能材料和太阳能电池》上发表研究成果称，他们首次找到一种方法：使用喷墨打印技术成功地制造出铜铟镓硒薄膜太阳能电池，新方法使原材料浪费减少90%，并通过使用一些富有潜力的化合物，显著降低了太阳能电池的制造成本。有关专家表示，借助该项技术，科学家最终能制造出性能极佳、能被快速制造、成本超低的薄膜太阳能电子设备。
研究人员已为这项技术申请了专利。尽管现在研制出的太阳能电池的转化率仅为5%，需要进一步的研究来加以提高，但他们相信，该研究最终将引出新一代的太阳能技术。
张志宏表示：“这项技术极富潜力，有望成为太阳能领域重要的新技术。迄今为止，还没有一个人使用喷墨技术制造出能工作的铜铟镓硒太阳能设备。”他解释道，新技术的一个优势是能显著减少材料的浪费。最新技术并不会使用昂贵的气相淀积法，将化合物沉积在基座上，因为那样会造成原材料的大量浪费；喷墨技术不仅可以制造出精确的图样，而且浪费很少。
另外，该方法使用了一种极有潜力的化合物黄铜矿——也被称为铜铟镓硒，它能大大提高太阳能转换效率。一层黄铜矿仅为一到二微米厚，然而，它从光子那儿捕捉的能量几乎与由硅制成的50微米厚的材料相媲美。
在这项研究中，研究人员制造出一种墨水，使用喷墨方法，能将黄铜矿印刷在基座上，能源转化效率约为5%。科学家们表示，从理论上来讲，他们可以获得12%的转化效率，这样，就可以制造出进行商业化生产的太阳能电池。
这个研究小组也和该校化学工程系副教授格雷格·赫尔曼合作，研究了其他也能够被应用于喷墨技术的化合物，其成本甚至更低。
许多制造太阳能电池的方法要么非常耗时，要么需要使用昂贵的真空装置或有毒的化合物。该研究小组正着手消除这些障碍，并研制出成本更低、更环保的太阳能技术。他们表示，最新技术或许会孵化出很多新兴企业，提供大量就业岗位。如果制造成本能持续走低，其他障碍被一一攻破，终有一天，人们甚至能制造出可以直接整合进屋顶材料中的太阳能电池，让太阳能电池真正“飞入寻常百姓家”。
张志宏总结道：“总而言之，我们研究出了一种简单、快捷、直接的、基于溶液的沉积过程来制造高质量的铜铟镓硒太阳能电池的方法，通过控制低成本金属盐前体化合物在分子层面的结构，可以方便地获得安全、简单、在空气中稳定的墨水。”
（三）碲化镉与硒化镉太阳能电池研制的新进展
1．开发碲化镉太阳能电池的新成果。
⑴通过硫化镉嵌入薄膜中制成可弯曲的碲化镉太阳能电池。2009年7月，美国加州大学电气工程和计算机科学教授阿里·杰威领导的研究小组，在《自然·材料》上发表研究成果称，他们开发出一种新型太阳能电池技术，这种太阳能电池可通过在铝箔上生长直立的纳米柱来制成，将整个电池封装在透明的胶状聚合物内后，就能制作出可弯曲的太阳能电池，成本低于传统的硅太阳能电池。
杰威表示，与传统硅和薄膜电池相比，纳米柱技术可使研究人员使用更为廉价和低质的材料。更重要的是，该技术更适于在薄铝箔上制作出可卷曲的太阳能电池板，从而降低了制造成本。一旦获得成功，其生产成本将可低至单晶硅太阳能板的1/10。
这种太阳能电池，是通过将统一的500纳米高的硫化镉嵌入碲化镉薄膜中制成的，这两种材料均是薄膜太阳能电池中经常使用的半导体。研究人员说，此种电池将光能转换为电能的效率可达6%。此前，也有科学家使用了这种立柱设计思想，但其方法较为昂贵，且光电转换效率不到2%。
在传统太阳能电池中，硅吸收光并产生自由电子，这些电子必须在受困于材料的缺陷或杂质前到达电路。这就要求使用极为纯净、昂贵的晶体硅来制造高效光伏装置。
纳米柱就承担了硅的职责，纳米柱周围的材料吸收光并产生电子，纳米柱将其运送到电路。这种设计以两种方式来提高效率：紧密封装的纳米柱捕捉柱间的光，帮助周围的材料吸收更多的光；电子以非常短的距离穿越纳米柱，因此没有太多的机会受困于材料的缺陷。这意味着可以使用低质量的廉价材料。
有科学家使用不同的纳米结构来制作这种太阳能电池。比如，哈佛大学化学教授查尔斯·里波尔，研发了一种包含硅芯和同心硅层各异的纳米线；加州大学伯克利分校的杨培东则开发出了带有氧化锌纳米线的染料敏化太阳能电池。这些纳米线太阳能电池的光电转换效率已达到了4%。
杰威研究小组制作的纳米柱电池，首次使用经氧化处理的铝箔，创建出呈周期性分布的200纳米宽小孔，这些小孔作为硫化镉晶体直立生长的模板。然后，对碲化镉和顶端电极饰以铜和金的薄膜。它们通过一块玻璃板和电池相连，或是将其顶端投入聚合物溶液使其弯曲。
乔治亚理工学院的材料学和工程学教授王中林评价说，把纳米材料工程设计与制造柔性可弯曲高效太阳能电池的各种软基板技术，集成在一起，这是一个令人兴奋的进展。美国国家可再生能源实验室负责太阳能电池研究的物理化学家阿瑟·诺兹克则表示，这种电池要与由硅、碲化镉和其他材料制成的柔性薄膜太阳能电池进行竞争，其卖点可能不在于其柔性，而是成本优势。
目前，研究人员正在探索使用可提高转换效率的材料。例如，顶端的铜—金层现在仅有50%的透明度，如果可让所有的光都透过，其效率就可增加一倍。因此，研究人员正计划使用像氧化铟这样的透明导电材料。另外，利用其他半导体材料作为纳米柱及其周围材料也在研究人员的考虑之中，这样的制作工艺能适于更广范围的半导体材料，其他材料组合亦可能会提高效率，更重要的一点，则是可以避免镉的毒性问题。
⑵从豆腐中找到制造碲化镉太阳能电池的新配方。2014年6月26日，英国利物浦大学乔南善·梅杰领导的一个研究小组，在《自然》杂志上发表论文，描述了一种制造碲化镉太阳能电池的新配方。这种新配方使用了一种廉价、环保的盐，而此类盐同时也被用在豆腐制作过程中。
研究人员表示，碲化镉电池在太阳能电池市场中处于领先地位，这种电池是当下使用的光伏发电系统中，最具成本效益的一种，但是这些设备仍有改进的余地。制造这些太阳能电池要使用昂贵的含镉盐，这要通过氯化镉来处理碲化镉。氯化镉这种水溶的有毒材料，对工人和环境都有风险。
梅杰研究小组，展示了使用廉价且没有毒性的氯化镁代替碲化镉，可以制造出一样性能的太阳能电池。氯化镁的价格，只有氯化镉的百分之一，并且已经在生活中被广泛应用，例如用于地面融冰，用作浴盐和作为生产豆腐的食品添加剂。
研究人员表示，新方法只需要把现有碲化镉电池制造方法中的一步进行简单替换：把氯化镉换成氯化镁，就有潜力把环境风险降到很低，同时在不影响设备性能的同时，显著降低生产氯化镉太阳能电池的成本。
2．研制硒化镉太阳能电池的新成果。
⑴研制出含硒化镉成分能让房屋外墙发电的太阳能涂料。2012年1月，美国物理学家组织网近日报道说，想象一下，如果给房子外围粉刷一层涂料，它就能将光转化为电，为房间内的家用电器或其他设备所用，那将是一件多么美妙的事情啊。据悉，现在，美国诺特丹大学化学和生物化学系教授拉夏特·卡马特领导的研究小组，研制出一种廉价的太阳能涂料，可利用半导体纳米粒子—量子点产生能量，将光转化为电，有望让我们实现外墙发电这一目标。
卡马特表示：“我们想转化一下思路，超越目前的硅基太阳能技术。我们把能产生能量的纳米粒子—量子点，整合入一种可以涂开的化合物中，制造出了这种单涂层太阳能涂料，其可以用于任何有传导能力的表面上，也不需要特殊的设备。”
研究人员经过层层筛选，最后把目光落在二氧化钛上。他们在二氧化钛纳米粒子表面涂上硒化镉或硫化镉，接着，将其悬浮在水与酒精的混合液体中，制造出了一种浆糊，当把这种浆糊刷在透明的导电材料上，并让其暴露于光线下时，它就会产生电。
研究小组指出，这种新式太阳能电池涂料最高的光电转化效率为1%，远远低于目前商用硅基太阳能电池10%到15%的转化率。但是，他们也表示：“这种涂料的制造成本很低，而且可以大规模制造，如果能进一步提高其光电转化效率，就能真正满足未来的能源需求。”卡玛特和同事也计划进一步改进新材料的稳定性。
⑵用硒化镉纳米晶体制成可印刷的微型液体太阳能电池。2012年4月，美国南加州大学文理学院化学副教授理查德·布切尔领导，研究员戴维·韦伯等参与的一个研究小组，在英国皇家化学学会出版的国际无机化学期刊《道尔顿汇刊》上发表论文称，他们研制出一种便宜且稳定的液体太阳能电池。这种由纳米晶体制成的电池“体形非常娇小”，因而能以液体墨水的形式存在，可印刷或者涂抹在干净基底的表面。
研究人员表示，这种太阳能电池使用的纳米晶体，由半导体硒化镉制成，其大小约为4纳米，这意味着一个针头上就可以放置2500亿个，而且它们也可以漂浮在液体溶液内。布切尔表示：“就像印刷报纸一样，我们也可以印刷太阳能电池。”
液态纳米晶体太阳能电池，尽管与目前广泛使用的单晶体硅晶圆太阳能电池相比，的制造过程更加便宜，但其光电转化效率要稍逊一筹。不过，在最新研究中，研究人员攻克了制造液体太阳能电池面临的关键问题：如何制造出一种稳定且能导电的液体。
以前，科学家们需要让有机配位体分子依附在纳米晶体之上，以让纳米晶体保持稳定并预防二者相互黏连在一起。但这些有机配位体分子同时也会将晶体隔绝起来，使整个系统的导电性能变得非常差。布切尔表示：“这一直是该领域面临的主要挑战。”
为此，布切尔和韦伯为这种纳米晶体，研发出一种新的表面涂层。这种新的合成配位体不仅在使纳米晶体稳定方面表现良好，而且，它们实际上也变身为细小的“桥梁”，将纳米晶体连接起来并帮助它们传输电流。
另外，通过一个相对低温、不需要进行任何与熔化有关的过程，研究人员就可以将这种液体太阳能电池，印刷在塑料而非玻璃表面，最终得到一种柔性太阳能电池板，其形状可以随需而变安装在任何地方。
布切尔表示，接下来，他计划使用其他材料而非有毒的镉来制造纳米晶体。他也指出：“尽管对这项技术进行商业化生产还要等上几年，不过，他们已经很清楚地看到，这项技术可以同下一代太阳能电池技术完美地结合在一起。”
（四）钙钛矿太阳能电池研制的新进展
1．研发钙钛矿太阳能电池取得的成效。
⑴着手研制高转化率的钙钛矿太阳能电池。2013年11月，宾夕法尼亚大学能源创新研究中心，联合主任安德鲁·阿姆领导的一个研究小组，在《自然》杂志上发表研究成果称，他们发现，以一种新式钙钛矿（CaTiO3）为原料的太阳能电池的转化效率或可高达50%，为目前市场上太阳能电池转化效率的2倍，能大幅降低太阳能电池的使用成本。
尽管研究小组还没有演示以新材料为原料制造的高效太阳能电池，此项研究已成为此前诸多研究强有力的补充，证明拥有独特晶体结构的钙钛矿，有望改变太阳能产业的面貌。当前市场上占主流的太阳能电池以硅和碲化镉为材料，达到目前的转化效率历时10多年；而钙钛矿只花了短短4年时间的研究，有鉴于此，即使业界保守人士对钙钛矿也非常看好。
阿姆表示，以新式钙钛矿为原料，制造的太阳能电池，能将大约一半的太阳光直接转化为电力，为目前的2倍，因此，只需一半太阳能电池就可提供同样的电力，这将大大减少安装成本，从而让总成本显著降低。
另外，阿姆说，与传统太阳能电池材料不同，新材料并不需要电场来产生电流，这将减少所需材料的数量，产生的电压也更高，从而能增加能量产出；而且，新材料也能很好地对可见光做出反应，这对太阳能电池来说意义重大。
研究人员也证明，新材料稍作改变，就能有效地把不同波长的太阳光转化为电力，科学家们可借此制造出拥有不同层的太阳能电池，每层吸收不同波长的太阳光，从而显著提高能效。
不过，有专家则强调，尽管这些属性非常有用，但要想制造出可用的钙钛矿太阳能电池，还有很长的路要走。首先，这种太阳能电池产生的电流很低。其次，钙钛矿的储量并不充足，很难实现钙钛矿太阳能电池的批量生产。
⑵研制出环保型钙钛矿太阳能电池。2014年5月5日，美国西北大学无机化学专家梅科瑞·卡纳茨迪斯、材料科学和工程学教授张邦衡领导的一个研究小组，在《自然·光子学》杂志上发表研究成果称，他们研制出环保型钙钛矿太阳能电池，它用锡钙钛矿代替铅(有毒)钙钛矿作为捕获太阳光的设备。新型太阳能电池不仅绿色、高效，且成本低廉，可以使用简单的“实验台”化学方法制造，不需要昂贵的设备或危险材料。
卡纳茨迪斯表示：“这是研制新型太阳能电池领域的重大突破。锡是一种非常实用靠谱的材料。”
拥有独特晶体结构的钙钛矿，是一种陶瓷氧化物。最早被发现的此类氧化物，是存在于钙钛矿石中的钛酸钙化合物。传统硅晶太阳能电池板，因原材料硅土昂贵且制造过程会产生严重污染，学界和业界近年转而研发钙钛矿太阳能板，结果光电转化效能两年内从3%提高至16%，形成重大的科研突破，钙钛矿太阳能电池，也因此被称为太阳能电池领域的“明日之星”。
新型太阳能电池，也使用了钙钛矿结构作为吸光材料，只不过用锡代替铅。科学家们表示，铅钙钛矿的光电转化效率已达15%，鉴于锡和铅属同族元素，锡钙钛矿应该也能达到甚至超过这一数值。张邦衡表示：“我们的锡基钙钛矿层，能像高效的太阳光捕获设备一样工作。”
目前，这款固态锡太阳能电池的光电转化效率，尽管仅为5.73%，但他们认为这是一个非常好的开始。研究人员表示，锡钙钛矿有两个特点：能最大程度地吸收太阳能光谱中的可见光；不需要加热就能直接熔解。
新型固态太阳能电池，是一块由5层材料组成的“三明治”，每一层都具有独特的作用。第一层导电的玻璃，使太阳光能进入电池；第二层是沉积在玻璃层之上的二氧化钛，这两层合在一起作为太阳能电池前部的导电触点；接下来就是新款太阳能电池的“主角”锡钙钛矿，这一层的主要作用是捕获太阳光。研究人员在一个充满氮气的手套式操作箱内制造这一材料，这种工作台化学方法的目的是保护环境，避免锡钙钛矿被氧化。
位于锡钙钛矿之上的是空穴传输层，这一层对于关闭电流并获得功能性的电池至关重要，主要材料是一种吡啶(含有一个氮杂原子的六元杂环化合物)分子。最后压轴的是一薄层金。最终封装的太阳能电池厚度大约1到2微米，能放入空气。测试表明，其光电转化效率为5.73%。
2．研制钙钛矿太阳能电池的新发现。
⑴发现碘化铜可让钙钛矿太阳能电池更便宜。2014年1月8日，物理学家组织网报道，美国诺特丹大学的科学家，发现一种廉价的无机材料，能够取代钙钛矿太阳能电池中昂贵的有机空穴导体，让这种高效的太阳能电池更加便宜。相关论文发表在《美国化学学会会刊》上。
钙钛矿太阳能电池，是当今最有前途的几种光伏技术之一，其理论转化效率最高可达50%，为目前市场上太阳能电池转化效率的两倍，能大幅降低太阳能电池的使用成本。虽然钙钛矿材料相对便宜，但用其制造太阳能电池，还需要用到一种有机空穴导电聚合物，其市场价格是黄金的10倍以上。
新研究中，美国诺特丹大学的杰佛瑞·克里斯、雷蒙德·丰和普拉什特·卡玛特发现，用碘化铜制成的无机空穴导电材料，可以替代有机空穴导电聚合物。
克里斯说：“新发现的无机空穴导电材料，比以往的可替代材料都便宜得多，有望进一步降低这种太阳能电池的制造成本。”
钙钛矿是一类具有特定晶体结构的材料，对太阳能电池的制造而言，这种结构具有天然优势：较高的电荷载体迁移率和较好的光线扩散性能，使光电转换过程中的能量损失极低。虽然碘化铜，能够充当钙钛矿太阳能电池中的空穴导体现在才被证明，但铜系导体之前就被认为，能够在染料敏化太阳能电池和量子点太阳能电池中充当重要角色，而最具吸引力的是它们优良的导电性能。碘化铜导体的导电率比有机空穴导电聚合物高两个数量级，这使其能达到更高的填充系数，也决定了用其制成的太阳能电池具有更大的功率。但目前的研究结果表明，包含碘化铜的钙钛矿太阳能电池，在转化效率上暂时不及原有技术。研究人员认为这可能与其较低的电压相关。这一点未来有望通过降低其较高的重组率来弥补。
研究人员发现，碘化铜太阳能电池还表现出一个优势，就是其良好的稳定性。实验结果显示，经过两小时的连续光照后，碘化铜太阳能电池的电流丝毫没有降低，而有机空穴导电聚合物太阳能电池，所产生的电流则下降了10%。这一点对太阳能电池而言至关重要。克里斯说，下一步他们将对实验步骤进行优化，以使其实现更高的转化效率。
⑵发现钙钛矿可用于制造高效廉价的太阳能电池。2014年3月，新加坡南洋理工大学，物理与材料科学学院研究员邢贵川、材料科学与工程学院副教授尼潘·马修等人组成的一个研究小组，在《自然·材料》杂志上发表研究成果称，他们开发出的下一代太阳能电池材料，不仅能把光转化成电，电池本身还能按照需要发出不同颜色的光。这样，将来有一天，如果手机或电脑没电了，只需拿到太阳下晒一晒就能继续使用了，因为它们的显示器同时也是太阳能电池。
开发这种太阳能电池的材料来自钙钛矿，这是一种能制造高效廉价太阳能电池的关键材料。邢贵川用激光照射他们正在研究的混合钙钛矿太阳能电池材料，发现它发出了明亮的光。而大部分太阳能电池材料吸收光线的能力都很强，是不会发光的。这让他们感到很惊讶。
研究人员表示，这种材料对光照的耐受力很强。它能捕获光子转化成电，或者反之。通过调整材料成分，它还能发出多种颜色的光，因此很适合做成发光设备，比如平板显示器。
马修指出，用现有的技术，就能很容易地把这种材料应用到工业上。由于它在制造过程中易于溶解，室温下能与两种或更多化学物结合，其价格只相当于目前硅基太阳能电池的20%。他说：“作为一种太阳能电池材料，可以把它做成半透明的，作为彩色玻璃装在窗户上，就能同时用阳光来发电。而利用它发光的性质，可以用在商场或办公室外面，作为灯光装饰。”他还说：“这种材料多功能低成本，对环保建筑也是一种促进。我们已在研究怎样扩大规模，把这些材料用做大型太阳能电池，改变发光设备的制造工艺也是一条很直接的途径。更重要的是，这种材料具有响应激光照射的能力，对开发芯片电子设备也有重要意义。”
目前，这种先进材料正在申请专利。美国加州大学伯克利分校能源技术教授拉马穆希·拉姆耐什表示：“该小组的研究成果，清晰地显示了新材料具有广阔的应用前景，包括现有的太阳能电池和激光器。”
⑶发现钙钛矿太阳能电池的理论界限。2015年12月，日本京都大学大北英生准教授和伊藤绅三郎教授率领的研究小组，在《新材料》杂志网络版上发表研究成果称，钙钛矿太阳能电池由于测定条件不同，电流电压曲线会发生变化，因此无法定量研究其发电特征和元件结构关系。研究人员对能量转换率19%以上的高效钙钛矿太阳能电池进行分析，发现其电流发生效率接近100%，电压可提高至理论界限。
钙钛矿太阳能电池虽然使用无机材料，但与有机薄膜太阳能电池一样，可以在室温下溶解在有机溶剂里，像墨水一样使用，具有印刷和涂布方式制作的特点。与目前应用的硅太阳能电池相比，其非常廉价，可大规模量产，是具有竞争力的下一代太阳能电池，各国都在争相研究。
有研究报告显示，钙钛矿太阳能电池，具有20%以上的高效能量转换率。但是钙钛矿的发电特征偏差较大，由于测定条件不同，会出现磁滞现象，难以对元件构造和发电特征展开研究。
此次，日本研究小组，选择比较平滑致密的钙钛矿膜，成功制成能量转换率19%以上、磁滞较小的钙钛矿太阳能电池。研究小组对元件进一步分析发现，电流几乎没有变换损耗。在电压方面，他们发现了开放电压能够达到接近理论界限。
该研究成果，明确了钙钛矿太阳能电池的设计方向。研究小组认为，钙钛矿电池可以与硅太阳能电池匹敌。
（五）碳基太阳能电池研制的新进展
1．研制碳纳米管太阳能电池的新成果。
⑴开发可用于制造太阳能电池的碳纳米二极管。2005年8月，美国媒体报道，通用电气公司全球研究中心，是通用电气公司专门进行科技研究的机构，日前它透露了碳纳米二极管技术的开发，碳纳米二极管技术将用于廉价太阳能电池技术的开发，目前太阳能电池技术正在开发中。
通用电气公司资深纳米技术领导玛格丽特·布洛姆，在一份声明中说：“通用电气公司开发碳纳米二极管装置的成功，不仅仅表明通用电气公司是新时代电子技术的先驱，这一新技术的成功潜在的公开了一条太阳能研究的通道。在我们开发的碳纳米管装置中，光电效应的发现，将导致在太阳能电池领域出现令人激动的突破。人们不仅可以获得太阳能电池更多的效率，在主流电池能量市场，消费者有了进行更多可行的选择余地。”
通用电气公司全球研究中心表示，不同于传统的二极管，他们开发的碳纳米二极管，能够执行多种功能，一个二极管和二个不同类型的晶体管能够发射和侦查阳光。通过一个P型和一个n型半导体材料的连接构成了二极管。在通用电气公司开发的碳纳米二极管装置中，采用静电掺杂技术构成了二个区域。使用二个分离的栅极连接二个等分的碳纳米管，通过一个阴极偏压和其他使用的阳极电压，碳纳米管的P-n结就可构成。
通用电气公司的科学家发现，一个理想的二极管，可以中止碳纳米管中间部分信号再结合的发生。这些试验结果，显示出碳纳米管在接触基体时是非常灵敏的。这一发现，为任何基于碳纳米管装置的工作原理，提供了重要的线索。
通用电气公司全球研究中心指出，在光能量转换成电流的过程中，通过测试碳纳米管的参数、科学家进一步详细阐述了理想二极管的性能，尽管提供的能量比光的波长小1000倍，但由于提高了理想二极管的参数，碳纳米管显示了重要的能量转换效率。
碳纳米二极管技术的开发，是通用电气公司主要开发计划的一部分，通用电气公司保证在未来五年中，用于新技术开发的投资水平将超过二倍，达到7亿至15亿美元。作为这一承诺的一部分，通用电气公司全球研究中心，将积极安排光电技术的开发，研究阳光产生能量的成本效益和更多的效率。
⑵研制大幅提升碳纳米管太阳能电池效率的新方法。2014年9月，美国西北大学材料工程学教授马克·汉森领导的一个研究小组，在《纳米快报》杂志上发表论文称，他们突破了碳纳米管太阳能电池，光电转换效率近10年来无法提升的困局，将其转化效率从1%提高到了3%以上，让一度沉寂的碳纳米管太阳能电池研究，再次进入人们的视野。
由于比传统材料更轻更薄更灵活，碳纳米管刚一问世，就被认为是制造新型太阳能电池的理想材料，但此后的尝试却让科学家们屡屡受挫：不管采取什么方法，碳纳米管太阳能电池的光电转换效率永远都在1%左右徘徊。这个数字不但无法和目前主流的硅太阳能电池相提并论，与其他新近出现的新材料相比，也差了一大截。
但这项新研究无疑给人们带来了新的希望。据报道，汉森研究小组开发出的这种新技术，让碳纳米管太阳能电池的效率从1%提升到了3%，并成为首个被美国国家可再生能源实验室认证的碳纳米管太阳能电池。
汉森说：“近10年来碳纳米管太阳能电池的转换效率，一直徘徊在1%左右，甚至已经趋于稳定，但我们打破了这一僵局。虽然绝对值仍然不高，但纵向比较仍然是一个显著提升。”
汉森的绝招就是碳纳米管的手性，即一个物体与其镜像不重合的现象，具体来说就是碳纳米管的直与弯。当碳卷曲成为碳纳米管时，有可能存在上百种不同的手性。在过去，研究者倾向于选择具有良好半导体性能的一类特定手性，并且尽量用它们制造出一块完整的太阳能电池板。但问题是，每个碳纳米管的手性，只能吸收特定波长范围的光。这样的太阳能电池，无法吸收大部分其他波长的光。而汉森研究小组，制造了一块包含多种手性的碳纳米管太阳能电池。
实验显示，新型太阳能电池与其前辈相比，能够吸收更广泛波长的阳光。此外，这种新型太阳能电池，甚至能够吸收近红外波长的阳光，这是目前很多先进的薄膜太阳能电池都无法实现的。
虽然，对碳纳米管而言这是一个重要的里程碑，但相对于其他材料来说，这个转换效率仍然比较落后。下一步，汉森的研究小组将对该技术继续进行改进，制造出一种具备多层结构的复合碳纳米管太阳能电池，每一层都将根据太阳光谱中特定的波长进行优化，因而将能够吸收更多的光。此外，他们还可能加入如有机或无机半导体材料等新材料，来补充碳纳米管。
汉森说：“我们想要做的，就是尽可能吸收更多的光子，并将其转化为电能。换句话说，就是制造出一种能够一次性完美匹配多个波长阳光的太阳能电池。这是本项研究的终极目标。”
2．研制碳纤维和石墨烯太阳能电池的新进展。
⑴通过碳纤维表面种植二氧化钛纳米棒制造高质量管状太阳能电池。2012年3月，美国佐治亚理工学院郭文希领导的研究小组，与中国厦门大学研究小组一起，携手研发出一种新技术，把一模一样的二氧化钛纳米棒“种植”在碳纤维上，利用这种简单低廉的材料制造高质量管状太阳能电池。新方法与经常使用的溶胶—凝胶法相比更具优势，后者需要高温且会导致材料破碎。研究论文发表在《美国化学学会》会刊上。
与传统的平板太阳能电池相比，种植在碳纤维表面的由二氧化钛半导体纳米棒组成的奇特结构，拥有几个独特的优势。这种柔性管状太阳能电池，能捕捉来自各个方向的光线，甚至有潜力编织进布料和纸张中，以应用于新奇的领域。
郭文希表示：“这项研究，演示了一种创新性的在柔性衬底上，种植成串二氧化钛纳米棒的方法，得到的产品能被用到柔性设备上用于捕捉和存储能量。”
制造管状太阳能电池是一个挑战，因为需要进行很多步骤，包括将纯净的钛薄片变成二氧化钛纳米棒，用纳米棒覆盖碳纤维，并将纳米棒整齐划一地排列在碳纤维上等。研究人员解释道，在碳纤维上铺展二氧化钛纳米结构的一个理想方法，是把二氧化钛纳米结构直接种植在碳纤维表面。
研究人员通过“溶解和种植”方法做到了这一点，该方法把钛变成垂直对齐的单晶体二氧化钛纳米棒，并铺展在碳纤维上。接着，为了进一步改善设备的性能，科学家们使用“蚀刻和种植”法，即使用盐酸并借用一种水热处理方法，将纳米棒蚀刻成为长方形的成串阵列。
随后，科学家们把由纳米棒覆盖的碳纤维，装配成管状染料敏化太阳能电池的光电阳极，并在实验中测试了其性能。结果表明，长方形成串的纳米棒配置获得的光电转化效率为1.28%，而不成串配置的光电转化效率仅为0.76%。科学家们认为，差异源于成串纳米棒的表面积更大，能吸收的染料分子更多，导致激发的电子也更多。
表面积更大，让管状太阳能电池能捕捉来自各个方向的光线，使它们更适合用于太阳光强度有限的地区。除了制造出太阳能电池，新方法也能被扩展到制造光催化剂和锂离子电池。郭文希说：“未来，我们或许仅仅使用碳材料和二氧化钛，就能制造出有潜力的织入布料和纸张中的染料敏化太阳能电池。”
⑵运用石墨烯的高效光电转化技术开发太阳能电池。2015年4月，西班牙光子科学研究所的研究员弗朗克·科朋斯教授、加泰罗尼亚高等研究院的尼尔克·范·赫斯特、美国麻省理工学院的加里洛·赫耶罗，以及加州大学河滨分校物理系教授刘津宁领导的研究团队，在《自然·纳米技术》杂志上发表论文称，他们研制出一种基于石墨烯的光电探测器转化仪，能在不到50飞秒(1秒的一千万亿分之一)的时间内把光转化为电信号，几乎接近光电转化速度的极限，将大力助推太阳能电池等多个领域的发展。
高效的光电转化技术，因为能让光所携带的信息，转化成可在电子电路中进行处理的电信号，在从太阳能电池到照相机等多个关键技术领域发挥着重要作用，也是数据通讯应用的重要支撑。尽管石墨烯是一种拥有极高光电转化效率的材料，但此前，科学家们并不知道，它对超短光脉冲的反应究竟有多快。
现在，该研究团队研制出这种基于石墨烯的光电探测器转化仪，能在不到50飞秒的时间内把光转化为电，将光电转化速度推进到了极限。
为了做到这一点，研究人员使用了超快的脉冲激光激发，以及超高灵敏度的电子读出方法。研究人员克拉斯·泰尔说：“这一实验的独特之处在于，将从单分子超快光子学所获得的超快脉冲成型技术，与石墨烯电子技术完美结合在一起，再加上石墨烯的非线性光—热电反应，使科学家们能在如此短的时间内把光转化为电信号。”
研究人员称，运用石墨烯设计太阳能电池，理论上是可行的。由于石墨烯内所有导带载流子之间存在着超快且超高效的关联，在石墨烯内快速制造出光电压是可能的。这种相互关联，使他们可以采用一种不断升高的电子温度，快速制造出一种电子分布。如此一来，从光吸收的能量，能被有效且快速地转变成电子的热量。随后，在拥有两种不同掺杂的两个石墨烯区域的交界处，电子的热量被转变成电压。实验结果表明，这种光热电效应几乎同时出现，被吸收的光可以快速转变成电信号。
研究人员表示，最新研究打开了一条通往超快光电转化的新通路。科朋斯强调说：“石墨烯光电探测器拥有令人惊奇的性能，可以应用于太阳能开发等很多领域。”
三、研制无机太阳能电池的其他新成果
（一）其他类型太阳能电池研制的新进展
1．开发能够充分利用阳光或光子的太阳能电池。
⑴发明能把更多阳光转化为电能的树状太阳能电池。2011年8月23日，物理学家组织网报道，美国一名13岁的少年发明了一种树状太阳能电池，该电池在冬季的发电效率比同样面积、同样位置的平板式太阳能电池高出近50%。日前，该少年还因此获得了由美国自然历史博物馆颁发的青年自然科学家奖。
这名男孩名为艾丹·德威尔，是美国纽约州的一名初中生。在一次野外徒步旅行时，他对橡树树叶和树枝的独特排列方式产生了浓厚的兴趣。德威尔认为这样的排列方式一定有其道理，并推测如果能据此制造出新的太阳能电池，应该会获得意想不到的效果。
按照德威尔的理论，树枝选择这样的方式生长是因为它效率最高：这既保证了绝大多数树叶都能接受到阳光照射，也避免了阳光直射和由此产生的阴影。
为证实这一想法，德威尔对树枝和树叶的排列进行了研究，并用量角器等工具进行了测量和计算。而后用聚氯乙烯（PVC）管材和太阳能电池板按照斐波那契数列的排序方式，制作出了一个小型的“太阳能树”。为了便于对比，德威尔还制作了一块同样面积的平板式太阳能电池，并在两个装置上都安装上了电压读数器。
在对数据进行分析后德威尔发现，树状太阳能电池能比平板式太阳能电池获得更多的日照时间，从而能把更多的阳光转化为电能。在夏季日照条件较好的情况下，前者的发电效率要比后者高20%；而在太阳高度角较小的冬季，树状太阳能电池的优点更加明显，在发电效率上比平板太阳能电池高近50%。
凭借这一发明和一篇名为《树木斐波那契序列的秘密》的小论文，德威尔日前获得了2011年度“青年自然科学家奖”。评奖方认为，德威尔的发明，是太阳能应用和研究的一种全新方式，尤其是安放位置较低或日照条件不佳的情况下，这种太阳能电池的优势更为明显。
⑵研制能使光子产生超高外量子的量子点太阳能电池。2011年12月16日，美国国家可再生能源实验室（NREL）研究团队，在《科学》杂志上发表研究成果称，他们研制出一种新式的量子点太阳能电池，当其被太阳能光谱的高能区域发出的光子激活时，会产生外量子效率最高达114%的超高感光电流。这一最新研究，为科学家们研制出第三代太阳能电池奠定了基础。
当光子入射到太阳能电池表面时，部分光子会激发光敏材料产生电子空穴对，形成感光电流，此时产生的电子数与入射光子数之比称为感光电流的外量子效率。迄今为止，还没有任何一种太阳能电池，在太阳能光谱内光波的照射下，显示出超过100%的外量子效率。
现在，该研究团队首次在量子点太阳能电池上实现了这一点。他们在一个叠层量子点太阳能电池上获得了114%的外量子效率。该电池由具有减反光涂层的玻璃（其包含有一薄层透明的导体）、一层纳米结构的氧化锌、一层经过处理的硒化铅量子点以及薄薄一层用作电极的金组成。
太阳能光子产生超过100%外量子效率基于载子倍增（MEG）过程，借助这一过程，单个被吸收的高能光子能激发多个电子空穴对。该研究团队首次在量子点太阳能电池的感光电流内，展示了载子倍增，研究人员可借此改善太阳能电池的转化效率。研究结果显示，在模拟太阳光的照射下，新量子点太阳能电池的光电转化效率高于4.5%。目前，这种太阳能电池还没有达到最优化，因此，其能源转化效率相对来说偏低。
与传统的太阳能电池相比，量子点太阳能电池内的载子倍增过程，能将电池的理论热力能转化效率提高35%；量子点太阳能电池，也可使用廉价且产量高的卷对卷制程制造而成；其另外一个优势，是每单位面积的制造成本很低，科学家们将其称为第三代（下一代）太阳能电池。
2．开发能够充分利用热能的太阳能电池。
⑴推进研发可存储和释放热能的热电池。2010年10月，美国麻省理工学院，材料科学和工程系电力工程学副教授杰弗里·格罗斯曼领导的研究小组，在德国《应用化学》杂志上发表研究成果称，他们精确地揭示了二钌富瓦烯分子的工作原理。1996年，科学家发现这种罕见的金属，可按需存储和释放热能。研究人员表示，新研究有助于科学家发现和设计出比该物质更便宜的替代品，从而研发出可存储和释放热能而不是电能的电池。
之前的研究表明，二钌富瓦烯分子吸收阳光时，其结构会发生变化：将其置于更高能的状态，它会长久保持稳定；额外给其添加一点热或催化剂会让其退回到原始形状，并释放出热量。但研究人员现在发现，整个过程更复杂。
格罗斯曼表示：“我们的研究结果表明，在上述过程中存在一个起关键作用的中间步骤。”他解释说，在这个中间步骤中，二钌富瓦烯分子会在两个已知状态之间，形成一个半稳定结构。中间步骤的发现表明，二钌富瓦烯分子并非如此稳定，因此，科学家可寻找比钌更便宜的替代品。由于该过程是可逆的，这也使得“制造出一种可充放热能的热电池成为可能”，这种电池能够重复地存储和释放从太阳光和其他来源中收集到的热能。
格罗斯曼表示，从原理上讲，使用二钌富瓦烯制造的电池，当它存储的热能全部释放时，能够让周围的温度达到200℃，足够加热房间，或者驱使发动机发电。
太阳能的利用有光热转换和光电转换两种。这种热能电池主要“利用了太阳热能的优势，其稳定状态可以持续很长时间，以便在需要时使用；而且，这种电池是可逆的，可将其置于太阳光下进行充热，存储的热能使用完后可重新放回到太阳光下充热”。
格罗斯曼表示，钌存在着稀缺性和成本高两个问题。理解了这种分子的工作原理，科学家应该很容易发现其他“工作方式相同”的材料。研究人员接下来打算把二钌富瓦烯的工作过程，与数百万已知分子组成的数据库结合起来，寻找其他拥有相同结构、能表现出同样行为的候选材料，进一步加快研发新的太阳热能电池。
⑵用新工艺开发出可同时利用光和热产生电力的太阳能电池。2010年8月1日，美国斯坦福大学，材料科学和工程系副教授尼克·梅洛仕领导的研究小组，在《自然·材料科学》网络版上发表研究成果称，他们开发出一种太阳能转换新工艺，该工艺可同时利用太阳的光和热来产生电力，其产生电力的效率，要比现有方法高出两倍多，生产成本将有可能与石油相抗衡。
与目前使用在太阳能电池板中的光伏发电技术不同，新工艺不会随温度升高而降低效率，因此可在更高温度下工作。这种被称为“光子增强热离子发射”的新工艺，其效率将大大超过现有的光伏及热转换技术的效率。
研究小组通过在一片半导体材料上喷涂一薄层金属铯，使材料具有了利用光和热来产生电力的能力。研究证实，这一新工艺，将不再基于标准的光伏发电机制，能在很高的温度条件下产生类似于光伏发电的反应，而且温度越高，工作效率越高。
大多数硅基太阳能电池，在温度达到100℃时已呈现出惰性，但光子增强热离子发射设备在超过200℃的条件下才会达到峰值效率，因而最适于应用在抛物面太阳能聚光器中。可达到800℃高温的抛物面聚光器，通常作为太阳能发电厂设计的一部分，因此，该设备可为太阳能发电厂提供第二条电力来源，通过与现有技术的结合，电力生产成本有望做到最小化。
梅洛仕计算出，光子增强热离子发射工艺应用于太阳能聚光器时，所能达到的效率高达50%，和余热循环系统相结合，则效率可达55%～60%，这几乎是现有系统的3倍。
光子增强热离子发射系统的另一优势，在用于太阳能聚光器时，制作设备所需的半导体材料数量相当少，从而大幅降低了太阳能电力生产的成本。
研究人员表示，该工艺大大增强了太阳能发电的可行性，即使达不到最佳效率，只要能把转换效率从20%增加到30%，其整体转换效率也将在原有基础上提高50%，这将大大促进太阳能产业与石油业的竞争能力。
⑶利用纳米超材料研制出能同时利用热和光发电的太阳能电池。2016年4月，澳大利亚国立大学物理与工程研究院的谢尔盖·克鲁克领导的研究小组，与美国加州大学伯克利分校同行合作，在《自然·通讯》杂志上发表论文称，他们开发出一种属性奇特的纳米超材料，该材料被加热时能以不同寻常的方式发光。这一成果有望推动太阳能电池产业的革命，带来能把辐射热转化成电能的热光伏电池，在黑暗中收集热量来发电。
克鲁克说，新的超材料，克服了一些技术障碍，有助于打开热光伏电池的潜能，预计能使热光伏电池的效率，超过传统太阳能电池的两倍。
热光伏电池产生电流不需要阳光直接照射，而是从周围环境中收集红外辐射形式的热。它们能回收利用发动机辐射的热，或与燃烧机结合按需发电。新型超材料有着纳米级的微结构，由黄金和氟化镁组成，能向特定方向发出辐射，还能改变形状发出特殊的光，而常规材料只能以全方位、广泛红外光波的形式发热。因此，用这种材料制作匹配热光伏电池的发射器极为理想。
该材料的非凡表现，来自其新奇的物理属性，它的磁性呈双曲线形分布，表示电磁辐射以不同方向传播。天然材料如玻璃或水晶，辐射形状是简单的球形或椭球形，而超材料的辐射形式截然不同，这是由于材料与光磁元件之间有着极强的相互作用。
克鲁克预测，新材料会有这些令人惊奇的性质，他的研究小组与擅长制造这类材料的加州大学伯克利分校合作，利用前沿技术造出了这种材料，构成材料的基本单位还不到人头发截面的1.2万分之一。研究人员说，如果发射器和接收器的间距能达到纳米级，用这种超材料为基础造出的热光伏电池的效率还能进一步提高。在这种构造中，辐射热在两者之间传递的效率比传统材料要高10倍。
3．开发能够消除材料毒性的环保型太阳能电池。
研制出无毒且柔韧性强的环保型太阳能电池。2016年5月，澳大利亚媒体报道，澳大利亚新南威尔士大学，光伏与可再生能源工程学院郝晓静博士主持的一个研究小组，研制出一种无毒且柔韧性强的薄膜太阳能电池。
当前“零耗能”建筑的发展，受制于安装在建筑外部薄膜太阳能电池板的成本问题，以及电池板原料的高毒性、稀有性问题。
该研究小组研制出名为“CXTS”的太阳能电池板，它利用薄膜芯片技术，而其芯片材料源自地壳中富含的铜、锌、锡和硫元素，避免了传统大型薄膜太阳能电池产生的毒性问题，材料成本也相对较低。
郝晓静指出，这种太阳能电池板具有柔韧的特点，可依附于玻璃、墙面、屋顶等不同材质，其轻薄的特点也能应用于汽车。该大学正在和几家大公司合作，推动这项技术的商业化。
郝晓静说：“当前该芯片光电转化率为7.6%，研究人员还在进行相关调试工作，转化率超过15%才能投入市场。”
（二）研制无机太阳能电池出现的其他新材料
1．开发有利于提高太阳能电池转换效率的新材料。
⑴研制出大大加强太阳能电池光传导作用的新材料。2007年1月，日本东京大学化学生命工学系相田桌三教授领导的一个研究小组，在美国《科学》杂志上发表研究成果称，他们开发出一种新的纳米级电流传导新材料，光照时可高效通电，能够全面改善太阳能电池技术核心中的光传导作用。
据报道，现在太阳能电池的技术核心在于“光传导作用”，即通过光照，在高电位物质和低电位物质（半导体PN节的P区和N区）间，电子互换而产生电流的现象。
在开发太阳能电池时，理论上讲，交换电子的两种物质不能相互混合，而且接触的面积越大越好。然而，实际上，要达到这种构造是很困难的。
在此项研究中，日本研究小组，利用了被称为“自行组合”的分子自动组成现象，开发出一种纳米级微管，它是将联结两种物质的分子在室温下溶于溶剂形成溶液，低电位区把高电位区包裹起来而形成的。这种微管直径仅16纳米，长度为几微米。没有光照时不通电，而当受到紫外光或可见光照射时，电流能产生比现有技术强劲一万倍的“光传导作用”。相田桌三表示，迄今为止，还没有过这种材料，它的出现照亮了光电子学的发展前途。
⑵开发能提高背板反射率的太阳能电池涂料。2009年5月，有关媒体报道，日本立邦涂料把自己积累的涂料技术，用来强化太阳能电池涂料的开发。目前已开发出提高背板反射率的“薄膜用高白色涂料”，以及防止玻璃附着脏物的新涂层。
高白色涂料应用于构成太阳能电池模块的背板。旨在将95%单元间穿过的太阳光反射并导入单元，从而提高转换效率。厚度为30微米～50微米时效果最好。耐候性和耐紫外线试验已完成，今后将评测其与别的材料的附着及耐湿性等特性。
防脏涂层则涂布在太阳能电池模块表面的玻璃上。因其亲水性效果，玻璃表面的灰尘和污垢可由雨水冲刷干净，能够有效防止玻璃污垢造成的发电量下降。2008年上市了建筑物用的该涂料，主要用于接水槽等的涂布。
2．开发有利于延长太阳能电池寿命的新材料。
研制出可延长太阳能电池板寿命的新型薄膜。2014年6月，日本日清纺织公司对媒体宣布，他们开发出一种新型薄膜，可使太阳能电池板，在实验中的“保质期”提高约50%，从而延长太阳能电池板的使用寿命。
这种新材料，是日清纺织公司的一家专门生产光伏发电材料和设备的子公司研发的。研究人员利用一种特殊的橡胶，开发出一种密封性很强的太阳能电池板保护膜。使用这种保护膜的太阳能电池板，即使在高温和湿度很大的环境中，也不易出现产品质量退化。
在85℃、湿度达85%的实验环境中，研究人员对这种带有新型保护膜的太阳能电池板，进行了3800小时的高电压破坏性测试，结果显示它并未出现质量退化。
日清纺织公司说，在上述环境中，优质的常规太阳能电池板能经受2500小时的破坏性实验仍不退化，其实际使用期可达20年。据此评估，这种带有新型薄膜的太阳能电池板的使用寿命，可远远超过20年。
（三）研制无机太阳能电池出现的其他新技术
1．研制出用于高性能太阳能电池开发的纳米同轴电缆技术。
2007年5月，美国国家可再生能源实验室近日宣布，他们利用纳米同轴电缆技术，研制出性能得以大幅度提高的高性能太阳能电池。有关专家指出，这是在高性能太阳能电池研制方面取得的重大进展。
传统的太阳能电池工作原理很简单：当光照射到pn结上时，产生电子-空穴对，在pn结附近生成的载流子，没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。它们在pn结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，n区带负电，在n区和p区之间的薄层产生了电动势。但由于被激发的自由电子和空穴在同一区域，电子和空穴经常发生相互抵消现象，从而导致太阳能电池的效率很低。
为了使pn结更薄，同时解决自由电子抵消问题，研究人员把两个半导体联合起来，形成纳米同轴半导体结构。这样的纳米电缆可以有两种不同方式：一种的内芯是氮化镓（GaN），外层是磷化镓（GaP）；另外一种则相反。两种电缆的内芯直径大约为4个纳米左右。
当光子投射到纳米电缆的外层后，激发出电子，并在半导体材料之间，发生空穴与自由电子的高效率分离。同轴电缆结构既起到了电池的作用，又起到了普通电缆的作用，解决了电子的分离问题（因为氮、镓与磷具有不同的导电性）。最终，由于一系列复杂的量子效应，与内芯半导体发生相互作用的外层半导体可以接受更宽的可见光范围，从而大大提高了太阳能电子的性能。除此之外，同轴纳米电缆可以在微电子技术，特别是未来的纳米计算机中获得广泛应用。
2．发明让窗户玻璃变为太阳能电池的新技术。
2010年8月11日，英国《每日邮报》报道，该国莱斯特大学教授克里斯·宾斯领导的一个研究小组，与一家挪威公司合作，研发出能让窗户玻璃转变成太阳能电池的新方法。这项革命性技术，可在5年内投入使用，有望把每一扇窗子都变成一台太阳能发电机。
研究人员表示，实际上，他们研制成功一种新型太阳能电池，能像玻璃贴膜一样使用，既透光又发电。研究人员指出，以往的薄膜太阳能电池，可与建筑完美结合，又可作为一种新型建筑材料，但光电转换效率和光致衰退率的不足，让其发展似乎遭受一定的瓶颈。
新型的“贴膜”，太阳能电池由挪威一家公司设计，原材料来自莱斯特大学研究人员合成的一种金属纳米粒子。这些直径10纳米左右的金属粒子，被嵌入排列在透明化合物的矩阵中。尽管为了发电必须有一部分的光被吸收，但该材料的特点，是在此同时还透过一部分光，其“贴”在玻璃门窗、透明屋顶及外墙的表面后，会让使用者感觉像装了浅淡的有色玻璃。
宾斯介绍道，这种膜非常薄，能“把窗户变成一台台发电机”。它可以贴，亦可以在制造过程中，直接加到玻璃窗或其他建筑材料上，即使大面积铺设，也比传统太阳能装置的投资要节省许多。甚至它还能加在汽车顶棚上为电池充电，但研究人员明言，如果你指望纯靠它来驱动汽车的话，那和用手推车不相上下。
目前，小块的电池片材料已经成型，研发的下一个目标，是系统化完善该技术，让电池效率达到20%或更高。
