太阳能电池的研究

太阳能电池研究进展

文献综述

吴雨航

（乐山师范学院物理与电子工程学院乐山 614000 ）

摘要：能源和污染问题伴随人类的脚步进入21世纪。太阳能作为清洁能源,是解决人类能源困境的最佳选择。在太阳能的各种有效利用方式中,太阳能电池由于其可以直接将光能转换成电能的优点,成为最简洁光电转换方式。本文主要阐述了文章主要从太阳能电池的发展历程，太阳能电池的种类以及太阳能电池的现状

。

关键词：太阳能电池；太阳能电池种类；光伏效应；研究进展

引言：能源和环境是二十一世纪面临的两个重大问题,据专家估算,以现在的能源消耗速度,可开采的石油资源将在几十年后耗尽,煤炭资源也只能供应人类使用约200年。太阳能电池作为可再生无污染能源,能很好地同时解决能源和环境两大难题,具有很广阔的发展前景。照射到地球上的太阳能非常巨大,大约40min照射到地球上的太阳能就足以满足全球人类一年的能量需求。因此,制备低成本高光电转换效率的太阳能电池不仅具有广阔的前景,而且也是时代所需。

1954年美国贝尔实验室制造出第一块实用的硅太阳电池（转换效率只有6％），初期由于价格昂贵只能用于一些特殊的应用，如人造地球卫星上。到了20世纪60年代和70年代初期，太阳电池价格昂贵，每峰瓦的价格以百美元计，只能应用在无电又特别需要电的特殊场合，如航标灯、通讯和照明等。通过半个世纪的努力，大规模生产的晶体硅太阳电池的转换效率已经达到14％~15％，太阳电池的造价和发电成本已分别降至每峰瓦3美元和每度电25美分，世界太阳电池的年产量达到了540MW。即使如此，其主要应用范围仍然是边远无电地区，解决照明、电视、冰箱、录音机用电以及微波中继站、航空航海信号灯、气象监测、光伏水泵等的用电。

由于太阳能发电具有无污染、安全、寿命长、维护简单、资源永不枯竭等特点，随着世界范围内能源的短缺以及人们环保意识的增强，太阳能被认为是21世纪最重要的新能源。自20世纪80年代以来其产业得到了迅速发展，光伏产业成为了全球发展最快的新兴行业之一。而作为整个光伏产业的核心，太阳电池也得到了快速发展。

1.太阳能电池的发展进程

1.1第一代太阳能电池

包括单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。从单晶硅太阳能电池发明开始到现在，尽管硅材料有各种问题，但仍然是目前太阳能电池的主要材料，其比例约占整个太阳电池产量的90％以上。我国北京市太阳能研究所从20世纪90年代起开始进行高效电池研究，采用倒金字塔表面织构化、发射区钝化、背场等技术，使单晶硅太阳能电池的效率达到了19.8％。

1.2第二代太阳能电池

第二代太阳电池是基于薄膜材料的太阳电池。薄膜技术所需的材料较晶体硅太阳电池少得多，且易于实现大规模生产。薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉以及铜铟硒薄膜电池。我国南开大学于20世纪80年代末开始研究铜铟硒薄膜电池，目前在该研究领域处国内领先、国际先进地位。其制备的铜铟硒太阳电池的效率已经超过12％。铜铟硒薄膜太阳电池的试生产线亦已建成。我国在染料敏化纳米薄膜太阳电池的科学研究和产业化研究上都与世界研究水平相接近。在染料敏化剂、纳米薄膜修饰和电池光电效率上都取得与世界相接近的科研水平，在该领域其有一定的影响。

1.3第三代太阳能电池

第三代太阳电池必须具有以下条件：薄膜化，转换效率高，原料丰富且无毒。目前第三代太阳电池还在进行概念和简单的试验研究。已经提出的第三代太阳电池主要有叠层太阳电池、多带隙太阳电池等。虽然太阳能电池材料的研究已到了第三个阶段，但是在工艺技术的成熟程度和制造成本上，都不能和常规的硅太阳能电池相提并论。硅太阳能电池的制造成本经过几十年的努力终于有了大幅度的降低，但是与常规能源相比，仍然比较昂贵，这又限制了它的进一步大规模应用。鉴于此点，开发低成本，高效率的太阳能电池材料仍然有很长的路要走[1]。

2．太阳能电池的种类

2.1 硅太阳能电池

硅太阳能电池中以单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。在大规模应用和工业生产中，单晶硅太阳能电池占据主导地位，但单晶硅材料价格高而且制备工艺相当繁琐。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中典型代表有以高温、快速制备为发展方向的多晶硅薄膜太阳能电池和叠层(多结)非晶硅太阳电池。

2.2多晶硅薄膜太阳能电池

通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350～450μm 的高质量硅片上制成的，这种硅片由提拉或浇铸的硅锭锯割而成，因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，上世纪70年代中期人们就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒太小未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，目前较成功的为化学气相沉积法:包括低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)和快热化学气相沉积(RTCVD)工艺。此外，液相外延法(LPE)[2]和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。德国夫朗霍费太阳能研究所采用RTCVD法在SSP衬底上制备的太阳能电池转换效率可达8%以上，国内的北京太阳能研究所也采用RTCVD对多晶硅薄膜太阳能电池的制备作了尝试。美国Astropower公司采用LPE制备的电池效率达12.12%。中国光电发展技术中心的陈哲艮[3]研究员采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶粒，并设计了一种类似于晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池。多晶硅薄膜电池所使用的硅远较单晶硅少，无效率衰退问题,并且有可能在廉价衬底材料上制备，成本远低于单晶硅电池而效率高于非晶硅薄膜电池,具有良好的发展前景。

2.3非晶硅薄膜太阳能电池

非晶硅薄膜太阳能电池由于其成本低、便于大规模生产而普遍受到人们的重视并得到发展[4]。目前非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，以PECVD 法最为成熟。该法可以在低温下来制备非晶硅薄膜太阳能电池。其中单结非晶硅太阳能电池转换效率已超过12.15 %[5]。日本中央研究院制得的非晶硅电池的转换效率最高为13.12 %[6]。南开大学的耿新华等[7]采用工业用材料，以铝背电极制备出面积为20×20cm2、转换效率为8.128%的a-Si/a-Si叠层太阳能电池。由于非晶硅的光学带隙为1.7eV，使材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应[8]，使得电池性能不稳定。解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池,该方面研究已取得两大进展:第一，三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到13%;第二,三叠层太阳能电池年生产能力达5MW[9]。

2.4 多元化合物薄膜太阳能电池

单晶硅电池的替代品主要包括砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池等。与非晶硅薄膜太阳能电池相比，上述电池具有效率高、成本低、易于大规模生产的特点。但由于镉有剧毒，容易产生环境污染问题。因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代品。砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换

效率也受到人们的普遍重视。Ⅲ-Ⅴ族化合物，如GaAs、GaSb、GaInP等电池材料都得到了开发。1998年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的GaAs太阳能电池转换效率为24.12%，首次制备的GaInP电池转换效率为14.7 %。该研究所还采用堆叠结构制备GaAs/GaSb电池，该电池是将两个独立的电池堆叠在一起，GaAs作为上电池，下电池用的是GaSb。所得到的电池效率可达31.11%.铜铟硒CuInSe2简称CIS，其能隙为1.1eV 适于太阳光的光电转换。另外，CIS薄膜太阳能电池不存在光致衰退问题，可用作高转换效率薄膜太阳能电池材料。主要制备方法有真空蒸镀法和硒化法。其转换效率从上世纪80年代最初的8%已发展到目前的15%左右[10]。日本松下公司开发的掺镓的CIS电池，光电转换效率已达15.13 %(面积1cm2)。CIS作为太阳能电池的半导体材料，具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，但铟和硒都是比较稀有的元素，不易获得。

2.5 有机物太阳能电池

有机物太阳能电池制备工艺简单(真空蒸镀或涂敷)，具有制造面积大、廉价、简易、柔性等优点，可以制备在可卷曲折叠的衬底上形成柔性的太阳能电池。目前，有机太阳能电池在特定条件下光电转换率已达9.15%[11]。1974年,K.Ghosh等制造出Al/MgPc/Ag肖脱基势垒(Schottky-barrier)光电池，对短路电流、有机染料光吸收常数、有机膜层厚度、载流子扩散长度等的关系进行了研究.A.R. Inigo 等在Polyaniline (Pani) Schottky - barrier 电池中加入CuPc 粉末,增加并拓宽了有机膜层的光吸收幅度;在CuPc单晶中掺杂I2 时，CuPc层的电导率增大3个数量级.G.D.Sharma等对金属/染料或敏化染料SnO2的Schottky- barrier电池研究发现通过对染料的敏化和提高电极的功函，势垒高度和激活能都得到了降低。染料敏化后金属/半导体界面的耗尽层宽度减小，导致近界面的电场增强，强电场迅速将激子分裂成自由电子和空穴，因而提高了电导率和整体效率;另一方面由于空间电荷密度提高而导致的耗尽层宽度收缩也可能限制有机光电池的性能。另外，入射Schottky-barrier电池光电导层的光强有很大部分被电极反射掉，降低了光电池转换效率.S.Hayashi等从共振观点出发，用SPP(surface plasmon polaritons) 激发技术改善了CuPc Schottky- barrier电池,在入射角45°的白光照射下，光电转换效率提高到原来的2.13倍。

2.6纳米晶化学太阳能电池

湿化学太阳能电池是一种通过光电极将太阳能转换为电能或电能和化学能的电器件。目前最成功的是Gratzel 等[12]人提出的染料敏化纳米二氧化钛薄膜为光阳极的太

阳能光电池(简称为Gratzel 电池) ,其光电转换效率在模拟日光照射下(AM1.5) 已达10 %.Muakoshi 等[13]以纳米二氧化钛颗粒表面合成导电聚合物聚吡咯作为正负极间电荷输运的传导介质,建立了一种固态光电池。Gratzel 等[14]用一种有机空穴导电材料代替液态电解质,结合吸附染料的纳米二氧化钛薄膜制成固态光电池,其单色光电转换效率达到33 % ,使染料敏化纳米薄膜太阳能光电池的研究向实际应用迈出了一大步。Schon 等[15]报道了通过在有机光电二极管中进行有机材料的分子掺杂可以提高光电转换效率。这种由掺杂的并五苯构成的薄膜器件的出现对高效太阳能电池的生产是一个巨大的推动。染料敏化湿化学太阳能电池由镀有透明导电膜的导电基片、多孔纳米晶TiO2 薄膜、染料光敏化剂、电解质溶液及透明对电极等几部分构成。染料敏化太阳能电池的关键问题在于纳米TiO2 薄膜的微观结构、敏化染料的选择和载流子传输材料的选择。电极材料TiO2 具备价格便宜、制备简单、无毒、稳定、应用范围广,且抗腐蚀性能好。但其禁带宽度为312eV[16]吸收范围都在紫外区,因此需要染料敏化。为了吸附更多的染料分子,必须制备多孔、大比表面积的纳米TiO2 薄膜电极.目前多孔纳米TiO2 薄膜的制备方法主要有两种:溶胶- 凝胶法和由二氧化钛超细粉制得. 纳米TiO2的粒径、气孔率对太阳能电池的光电转换效率具有非常大的影响[17]。粒径太大,染料的吸附率低,不利于光电转换;粒径大,界面太多,晶界势垒阻碍载流子的输运,载流子迁移率低也不利于光电转换. Gratzel电池中多孔纳米TiO2薄膜电极的粒径多数在100 nm 以下。另一方面,对制备的不同膜厚的TiO2 薄膜电极的光电性质测试表明,厚度为500 nm左右的薄膜电极的光电性质最好。作为敏化的染料必须具备: (1)TiO2 纳米结构半导体电极表面有良好的吸附性,即能够快速达到吸附平衡,而且不易脱落;(2)在可见光区有较强的、尽量宽的吸收带;(3)染料的氧化态和激发态要有较高的稳定性;(4)激发态寿命足够长,且具有很高的电荷传输效率;(5)具有足够负的激发态氧化还原电势以保证染料激发态电子注入TiO2 导带. 大量实验证明,吸附多层染料效果并不理想是因为只有非常靠近TiO2 表面的敏化剂分子才能把激发态的电子顺利地注入到TiO2 导带中,多层敏化剂反而阻碍了电子的输运,导致转换效率下降。为了提高染料的单层吸附效率,常采取以下方法:(1)使用高比表面积的多孔膜代替平整膜;(2)增强有机光敏染料与半导体电极表面的相互作用。因为染料的激发态寿命很短(通常为10 - 8～10 - 9 s) ,只有与电极紧密结合的染料才有可能将能量及时传递给电极,所以染料最好能化学吸附在电极上;(3)利用有机分子设计合成灵活性高、更多、更有效的多吡啶钌化合物或其他替代物.染料敏化纳米薄膜太阳能电池多采用液态电解质作为电荷传

输材料。液态电解质的选材范围广,电极电势易于调节,因此取得了一定成果. 但液态电解质有以下缺点:(1)液态电解质的存在易导致敏化染料的脱附;(2)溶剂挥发,可与敏化染料作用导致染料降解;(3)密封工艺复杂,密封剂也可能与电解质反应.对于全固态太阳能电池,目前最常用的是空穴传输材料一般为p型。p型半导体材料应满足:(1)在可见光区(染料的吸收范围) 内必须是透明的;(2)沉积p 型半导体材料的方法不能使吸附在TiO2 纳米晶体上的染料溶解或降解;(3)染料的激发态能级在TiO2 导带之上,而基态能级在p 型半导体价带之下。

3.研究进展

目前以商品化的晶体硅的光电转化效率最高,技术成熟，但受材料纯度和制备工艺限制,成本高,很难再提高转化效率或降低成本，其大规模普及及应用受到一定程度的限制，并不是理想的发展对象，但就目前而言，晶体硅太阳能电池仍占行业的主导地位，占市场份额的90%。

而薄膜太阳能电池只需几μm的厚度就能实现光电转换,是降低成本和提高光子循环的理想材料。薄膜太阳能电池与晶体硅太阳电池相比具有以下优点：(1)材料消耗少：薄膜太阳能电池只需使用极薄光电转换材料；(2)制造能耗低：薄膜太阳能电池使用化学气相沉积、物理化学气相沉积等多种技术，与晶体硅太阳能电池高耗能的晶体拉制、切割工艺相比较，制造能耗大大降低；(3)质量轻：薄膜太阳能电池结构质量轻、转换效率高、可根据用途使用软性基材制造，易折叠携带、应用空间弹性大。当前，薄膜太阳能电池的开发与应用已逐步走向商业化、产业化。本文综述了薄膜太阳能电池的研究现状,对薄膜太阳能电池的发展趋势进行了展望，薄膜太阳能电池开发太阳能电池的两个关键问题就是提高效率和降低成本。

4.结束语

本文简单的介绍了太阳能电池的发展历程，太阳能电池的种类以及太阳能电池的现状。虽然到目前为止太阳能电池的产业化技术正处于开发阶段，但太阳能大规模的利用开发，通过国内外光伏界的努力，一定会成为新能源的主流。

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