表5.1列出了一些太瓦级太阳电池技术所需要的和理想的材料特性。在这些材料要求中有一部分在其他半导体技术中是共性的，但其他部分则是太阳能光伏特有的。为了制备几十太瓦规模的光伏组件，地球上需要有足够的原材料。在可预见的未来，人类到月球或其他行星上去采集原材料尚不太可能实现。半导体产业的许多科学家和工程师并未遇到资源限制的问题，因为这些技术所需用到的材料量远小于其储量。但是，最近在太阳电池产业中资源储量的限制开始显现，有的电池技术已经达到了资源制约，而有的技术则会在不久的将来遇到资源制约问题。

太阳能光伏独有的其他材料要求包括制备过程能源利用率高、碳排放量低，这两个要求有些许共同之处。在美国，大约68%的电力由化石能源提供，电力生产过程中二氧化碳的排放量取决于化石燃料的种类。天然气的二氧化碳排放量是0.51kg/kWh（每发1kWh电对应的碳排放量是0.51kg），而煤的二氧化碳排放量是1.02kg/kWh^[2]。这两个要求也会独立存在。在晶体硅太阳电池和组件制造的一些过程中二氧化碳排放是相当之大。采用电弧炉还原石英冶炼冶金级硅料是一个很能说明问题的例子，该方法冶炼每千克硅料释放7kg的二氧化碳。半导体产业和光伏产业采用相同的方法制备超纯多晶硅，包括高耗能的西门子过程和高碳排放的石英还原过程。由于半导体产业硅的消耗量较小，约为40000吨/年，因而其高能耗和高碳排放制备方法并不会对自然资源和环境造成显著影响。但是，太阳能光伏产业需要大量的硅材料（生产1TWp晶体硅组件大约需要7000000吨硅），这就是太阳能产业发展受到资源和环境限制的原因。

健康和环境危害性低及大气和紫外条件下稳定性高这两个要求是与太阳组件所处的野外环境相关的。如果太阳组件包含有毒元素，如镉（Cd），那么这些有毒物质在雨水冲刷或沙尘暴划伤情况下会从组件中泄漏，污染下面的土壤和附近的水源。目前，仅有少数电池组件安装在室外环境超过10年时间，因此关于这种情况发生的可能性以及这些有毒元素有何长期效应都只有非常有限的相关数据。改进组件设计可以有效降低此类风险。电池组件每周7天、每天24h不间断地暴露于所有不同种类的气候环境下：温度循环、紫外线辐射、水汽、灰尘、雨水、大风和沙尘暴等。这些环境因素要么降低了组件的效率、要么缩短了组件的寿命，因此，选择合适的材料、改进组件的设计对延长光伏组件的寿命极其重要。尽管这个课题听起来似乎没有那么激动人心，但是采用低成本方法延长组件寿命是太阳能光伏的一个战略研究领域。

太瓦级规模太阳能光伏应用另一个的相关问题受到的关注较少，那就是组件的回收利用。这个问题会在15年后变得明显起来，即今天安装的大约100GWp的组件到了其使用寿命。那时将有大量报废的组件散落在公路两旁或堆积在废品回收站内。碲化镉组件今天已经实现回收利用，这是因为人们考虑到有毒元素镉对环境的影响。铜铟镓硒组件的回收利用技术应该与碲化镉组件的技术类似。然而，对于占据了90%市场的晶体硅组件而言，目前却仍然没有建立相关的回收利用技术。我们可以将报废的晶体硅太阳电池当成带有杂质的冶金级硅料来处理，并采用如图4.1或图4.6所示的工艺流程来回收利用它们，但是低成本和低能耗的新方法更为理想。需要注意的一点是，晶体硅太阳电池中有银熔入硅，它需要在回收过程中被分离。(www.daowen.com)

低成本的电池技术需要低成本的原材料和制备工艺。如果我们不得不在地壳深处挖掘原材料或者原材料在矿料中的浓度很低，那么原材料的生产成本将变得很高。镓（Ga）元素就是一个很好的例子。它在地壳表层的含量只比铜（Cu）和镍（Ni）略少，却比钴（Co）和锡（Sn）多^[3]。然而镓在矿料中的含量却非常低。例如它在铝土矿（bauxite）中的浓度仅为50ppm左右^[4]。假设能从矿料中提炼100%的镓，那么生产100吨镓需要处理2000000吨铝土矿。如果能从矿石中提炼50%的镓，那么生产100吨镓则需要处理4000000吨铝土矿。由此可见，如果没有其他铝的需求，镓的生产将受到限制，或者镓的消费者不得不为所有的铝土矿及其处理买单。

基于溶液的工艺成本在原理上低于基于真空的工艺。虽然有一些基于溶液的工艺已经在太阳电池产业中得到了应用，但是总的来说，完全采用溶液法来制造整个太阳电池并不可行。特别是硅太阳电池，不论是晶体硅还是薄膜硅，均是如此。从材料学的角度看，造成晶体硅太阳电池高成本和高能耗的根本原因在于硅材料的化学键具有方向性和高强度，这也是硅材料难以被切割且需要高温制备的根本原因。由于硅中化学键的键角高度固定，任何原子错位均会导致应变化学键或悬挂键，两者都会在硅晶体中引入电学缺陷。对于从溶液中合成的低成本硅材料，电学缺陷的密度将会高到材料性能恶化以至于无法用于太阳电池。不同的是，氧化物/硫化物离子晶体中的离子键没有方向性，即成键的本质是库仑力，因而使得键角没有固定角度。碲化镉、铜铟镓硒、铜锌锡硫硒、金属氧化物、金属硫化物等均属于此类离子晶体。离子键的灵活性使得即使晶体内部有少量原子错位也不至于产生电学缺陷，这说明离子晶体具有一定的缺陷容忍度。由于这一原因，可以通过多种溶液方法来合成具有良好的电学性能的氧化物或硫化物多晶薄膜；因此，采用溶液法合成此类材料的太阳电池是有可能的。