新型太陽能電池關(guān)鍵材料研究及其進(jìn)展

王曼星

（成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,四川 樂山 614000）

1 硅基薄膜太陽電池

相對于單晶硅太陽能電池，非晶硅薄膜太陽能電池具有諸多優(yōu)點(diǎn)使之成為一種優(yōu)良的光電薄膜光伏器件。自1976年美國的Carlson和Wronski制備出第一個非晶硅太陽能電池，非晶硅太陽能電池就成為世界各國太陽電池的研究重點(diǎn)。

目前a-Si單結(jié)太陽能電池的最高轉(zhuǎn)換效率為13.2%，但單結(jié)非晶硅薄膜太陽能電池不能完全利用太陽能，只能將有限的太陽光譜波段轉(zhuǎn)換成太陽能，因此采用分波段利用太陽能光譜來提高光電轉(zhuǎn)換效率的疊層電池結(jié)構(gòu)成為發(fā)展趨勢。

2 碲化鎘太陽電池

碲化鎘薄膜太陽能電池是薄膜太陽電池中發(fā)展較快的一種光伏器件。美國南佛羅里達(dá)大學(xué)于1993年用升華法在1cm2面積上做出轉(zhuǎn)換效率為15.8%的太陽電池；隨后，日本Matsushita Battery研究的CdTe小面積電池在實(shí)驗(yàn)室里的最高轉(zhuǎn)換效率為16%，成為當(dāng)時碲化鎘薄膜太陽能電池的最高紀(jì)錄。

近年來,太陽電池的研究方向是高轉(zhuǎn)換效率、低成本和高穩(wěn)定性。因此,以碲化鎘薄膜太陽能電池為代表的薄膜太陽電池倍受關(guān)注。西門子開發(fā)的面積為3600cm2的碲化鎘薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到11.1%；美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室公布了Solar Cells公司的面積為6879cm2的碲化鎘薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)7.7%；Bp Solar的碲化鎘薄膜太陽能電池面積為4540cm2，轉(zhuǎn)換效率為8.4%，面積為706cm2，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10.1%；Goldan Photon的碲化鎘薄膜太陽能電池，面積為3528cm2，轉(zhuǎn)換效率為7.7%。

國際上許多國家的CdTe電池已由實(shí)驗(yàn)室研究階段開始走向規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。1998年美國碲化鎘薄膜太陽能電池產(chǎn)量只有0.2MW，而在2010年，美國第一光伏的年CdTe生產(chǎn)量達(dá)到了2.2GW，商業(yè)模塊平均效率為11.7%。

3 聚合物太陽電池

聚合物太陽電池具有成本低、重量輕、制作工藝簡單（可采用簡單溶液旋涂、噴墨打印等方法加工）、可制備大面積柔性器件等突出優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。另外有機(jī)材料種類繁多、可設(shè)計性強(qiáng)，有希望通過材料設(shè)計和器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來提高太陽電池的性能。一旦在電池光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性方面取得進(jìn)一步突破，將極大地改進(jìn)目前的能源結(jié)構(gòu)，引發(fā)一場新的能源革命，其市場前景將十分巨大。

在過去的20多年里，聚合物太陽電池從電池給受體材料的設(shè)計合成到器件結(jié)構(gòu)及界面的優(yōu)化都取得了長足的發(fā)展，聚合物太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)超過10%。根據(jù)模擬預(yù)測，當(dāng)器件的能級結(jié)構(gòu)、材料的帶隙及遷移率都處于同時優(yōu)化的器件中，本體異質(zhì)結(jié)聚合物/富勒烯太陽電池的效率可達(dá)12%，疊層器件的效率可達(dá)20%。

4 量子點(diǎn)太陽電池

新一代太陽電池的實(shí)現(xiàn)需要引入各種新概念以及新結(jié)構(gòu)。量子點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)新一代太陽電池的重要結(jié)構(gòu)之一，是指半徑小于或接近激子波爾半徑的零維半導(dǎo)體納米晶，通常由Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族元素組成。量子點(diǎn)獨(dú)特的性質(zhì)源于材料的量子效應(yīng)，即當(dāng)顆粒尺寸進(jìn)入納米量級時，尺寸限域?qū)⒁饚靵鲎枞?yīng)、尺寸效應(yīng)、量子限域效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和表面效應(yīng)等。量子點(diǎn)材料體系具有與宏觀體系不同的低維物性，展現(xiàn)出許多不同于宏觀體材料的物理化學(xué)性質(zhì)。在發(fā)光顯示、激光照明、生物標(biāo)記、催化、醫(yī)藥和太陽電池等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

Nozik研究組在光電轉(zhuǎn)換效率約為4.5%的PdSe膠體量子點(diǎn)太陽電池中證實(shí)了130%的內(nèi)量子效率，從而首次證明能夠在太陽電池器件中真正利用多激子效應(yīng)。另外，人們在金紅石型TiO2單晶（110）面上吸附PbSe膠體量子點(diǎn)，通過對PbSe膠體量子點(diǎn)進(jìn)行合適的表面配體處理，證明了熱載流子注入現(xiàn)象的存在。上述重要研究成果充分證明了量子點(diǎn)應(yīng)用于新型電池的優(yōu)越性，吸引了眾多研究者的廣泛興趣，必將大力推動量子點(diǎn)的太陽電池的迅速發(fā)展。作為一種帶有鮮明21世紀(jì)特征的納米技術(shù)，量子點(diǎn)材料給我們帶來了實(shí)現(xiàn)高效綠色和低成本太陽能電池的希望，具有深刻的科學(xué)與社會意義。

5 結(jié)論

本文首先介紹了目前我們面臨的能源環(huán)境狀況及利用太陽能的優(yōu)勢，然后從硅基薄膜電池、碲化鎘太陽電池、銅銦鎵硒太陽電池、染料敏化電池、聚合物太陽電池、量子點(diǎn)太陽電池等新型太陽電池入手，分別分析了它們的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀。

陽光是一種清潔、取之不盡的能源，在不同的時期，我們對它利用的方式各不相同，從最初的使用光合作用到化石燃料的使用，一直到未來我們大規(guī)模使用太陽電池時，必將又是一場能源上的革命。

[1]徐慢,夏冬林,楊晟,趙修建.薄膜太陽能電池[J].材料導(dǎo)報，2006（09）.

[2]邢進(jìn)，姚敘紅，朱林泉，馮再新，薛忠晉.《染料敏化太陽能電池的研究進(jìn)展》[J].中北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008（05）.

[3]陳衛(wèi).Conversion Materials for Solar Cells [D]. 廣東：東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，2010.

[4]Kallmann H,Pope M. Photovoltaic effect in organic crystals. J. Chem. Phys.,1959（30）：585-586.