太陽能光伏發電材料技術新進展

黃劍峰

摘要：本文首先介紹了太陽能光伏發電的基本原理，然后簡述了用于太陽能光伏發電的各種常用材料的原理和特點以及在實驗室中的最高轉換效率，并介紹了研究前沿的幾種新材料和結構，最后就太陽能光伏發電的前景做了分析總結。

關鍵詞：光伏發電材料轉換效率新進展規模化應用

中圖分類號：TK514 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）08（b）-0002-01

隨著太陽能尤其是太陽能光伏發電（簡稱“光伏發電”）的應用越來越廣泛，更多新材料和新技術不斷涌現。本文將著重介紹近期光伏發電材料技術的進展，并簡述規模化應用趨勢。

1太陽能光伏效應

光伏材料將光能轉換為電能，這個過程叫做光伏效應。光伏效應的過程即半導體材料吸收光子能量，使到半導體中的原子發生原子能級躍遷，然后釋放電子并形成電壓的過程。入射光子的能量e=hν，（h為普朗克常數，ν為入射光子的頻率），只有當入射光子的頻率達到一定數值，使到入射光子的能量e大于半導體能級躍遷并釋放電子所需要的最小能量—— 禁帶寬度，才能使原子能級躍遷并產生電子。

2太陽能光伏應用常見材料特性

根據NREL的最新光伏轉換效率統計發現[1]，近年來，光伏轉換效率在全世界的各個實驗室不斷被刷新，為光伏發電的發展奠定了堅實的技術基礎。

2.1 多重結和單重結III-V族材料

多重結和單重結太陽能電池的轉換效率最高，在多重太陽聚焦下，單重結的效率可達20%～30%，而三重結材料的光伏轉換效率，可達到40%。2011年在美國Solar-Junction公司的試驗數據顯示最高的轉換效率為43.5%[1]。在2006年，Emcore公司推出了有效面積為108mm2的三重結太陽能電池，其在200余倍聚焦數下能量轉換效率達到37%[2]。多重結材料生長制備一般采用金屬有機化學氣相沉積，這需要精密的材料配比控制和生長速率控制，成本較高，加上重結III-V族材料如Ga、As和Ge在地殼中的含量還不到10%～5%，綜合考慮下更適用于高密度輻照下的光電轉換。

2.2 單晶硅和多晶硅

在硅系太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉換效率最高，技術最成熟。UNSW大學在2000年以前就已經實現25%的單晶硅材料的轉換效率。多晶硅太陽電池的出現主要是為了降低成本，其優點是能直接制備出適于規模化生產的大尺寸方型硅錠，制造過程簡單、省電、節約硅材料，對材質要求也較低。弗勞恩霍夫研究所的太陽能系統在2005年前發表的最高的多晶硅轉換效率為20.4%。在實規模化應用中，多為單晶硅產品，其效率在13%～16%左右。

2.3 薄膜技術

薄膜技術可采用的材料包括無定型硅、多晶硅、微晶硅以及碲化鎘（CdTe）和銅銦硒（CIS）等，其電池的轉換效率從12%～20%不等。薄膜技術電池可通過薄膜制備方法如射頻建設、真空蒸發等將這些材料沉積到玻璃基板甚至柔軟的基板上制作。其制備簡單，轉換效率也不低，據報道，CuInGaSe電池的轉換效率已經達到19.2%[3]。由于銅、銦和硒材料資源相對豐富，薄膜技術制備簡單，其成本低很多，適合大規模應用。

2.4 有機聚合物、無機聚合物和燃料敏化物太陽能電池

目前，這幾種材料仍然在研究、開發和探索之中。目前實驗室數據為有機聚合物的效率為10.6%、無機聚合物的效率為10.1%和染料敏化物的效率為11.4%[1]。這些材料制成的太陽能電池成本遠遠低于半導體材料，而且可以制備柔軟底板的大面積電池。因其制作成本也遠遠低于半導體材料，而且可以制備柔底板的大面積電池，適合用于建筑物上。

2.5 新興材料

基于薄膜技術的表面等離子材料，一般用玻璃、塑料或者鋼材來做襯底，這樣可以降低成本。目前的一種方法是通過在薄膜太陽能面板上放置金屬納米粒子，光入射后，金屬納米粒子實現等離子共振然后對光進行散射，這樣增加光吸收而無需增加更多的薄膜電池層，從而實現效率的提高，其效率可預計能達到40%～60%。

另外一種新型材料是由碳原子構成的單層片狀結構的石墨烯。這是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。這種材料的太陽能電池，目前最新研究得到的效率為8.6%[4]。

2.6 其他

基于納米科技的量子點、量子阱和超晶格材料也有不少機構在研究。此類型材料的優勢一般是可更好地匹配太陽能光譜，但其研究還比較少，目前的效率不高，離穩定性和量產化還有一段距離。研究指出[5]，相對于常規的塊狀太陽能電池，多量子阱、超晶格以及量子點用于光伏設備可大大提高理論上的最大效率，可實現光伏轉換效率達40%甚至更高。

3結語

隨著光伏發電材料的不斷深入研究和試驗，可以預測在未來的5～10年，將會有越來越多新型和改進型材料的出現，逐步解決材料的吸收問題，效率問題，穩定性問題，工藝規模化生產的成本問題。從規模化生產和應用的角度看，硅技術、薄膜技術和聚合物電池仍為主導，量子點和納米技術將給傳統技術帶來新的生命。

參考文獻

[1] National Renewable Energy Laboratory （NREL）， Best Research-Cell Efficiencies （revision 2012.04.04）， http：//en.wikipedia.org/wiki/File：PVeff（rev120404）.jpg.

[2] EMCORE T1000 Cell-Triple-Junction High-Efficiency Solar Cells for Terrestrial Concentrated Photovoltaic Applications[R].Http：//www.emcore.com/assets/photovoltaics/T1000%20Data%20Sheet%20March%2007.pdf.

[3] 方祖捷，陳高庭，葉青.太陽能發電技術的研究進展[J].中國激光，2009，1，36（1）：5-14.

[4] Xiaochang Miao，Sefaattin Tongay， Maureen K.Petterson et al，Nano Letter， High Efficiency Graphene Solar Cells by Chemical Doping，Nano Lett.，Publication Date （Web）：May 3，2012 （Letter）

[5] Seung Y.Myong*，Recent Progress in Inorganic Solar Cells Using Quantum Structures，Recent Patents on Nanotechnology，2007，1：67-73.