太陽能電池的研究現狀及發展趨勢

都玲玲　沙莎

摘 要：本文綜述了不同材料的太陽能電池的主要制備工藝和特性，如硅太陽能電池、化合物薄膜太陽能電池、聚合物太陽能電池和納米晶化學太陽能電池等。簡要介紹了目前太陽能電池的研究現狀及光伏產業發展趨勢。

關鍵詞：太陽能電池；材料研究；轉換效率；發展趨勢

太陽能可以認為是取之不盡、用之不竭的清潔能源。當前的太陽能工業主要有兩大支柱產業：即太陽能熱利用產業和太陽能光伏制造產業。其中光伏制造產業是世界上增長最快的高新技術產業之一，而太陽能光電利用是近些年來發展最快，最具活力的研究領域，也是其中最受矚目的項目之一。

1 硅系太陽能電池

1.1 單晶硅太陽能電池

硅系列太陽能電池中，單晶硅太陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質量單晶硅材料和相關的成熱的加工處理工藝基礎上的。現在單晶硅太陽能電池的制作工藝己近成熟，一般都采用表面織構化、發射區鈍化、分區摻雜等技術，開發的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。提高轉化效率主要是靠單晶硅表面微結構處理和分區摻雜工藝。在此方面，德國夫朗霍費費萊堡太陽能系統研究所保持著世界領先水平。該研究所采用光刻照相技術將電池表面織構化，制成倒金字塔結構，并在表面把13nm厚的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結合。并通過改進了的電鍍過程來增加柵極的寬度和高度的比率。這樣制得的電池轉化效率最大值可達23.3%。Kyocera公司制備的大面積（225cm2）單晶太陽能電池轉換效率為19.44%，國內北京太陽能研究所也積極進行高效晶體硅太陽能電池的研究和開發，研制的平面高效單晶硅電池（2cm×2cm）轉換效率達到19.79%，刻槽埋柵電極晶體硅電池（5cm×5cm）轉換效率達8.6%。

1.2 多晶硅薄膜太陽能電池

通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350-450μm的高質量硅片上制成的，這種硅片從提拉或燒鑄的硅錠上鋸割而成。因此實際消耗的硅材料更多。為了節省材料，人們從70年代中期就開始在廉價襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長的硅膜晶粒大小，未能制成有價值的太陽能電池。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜，人們一直沒有停止過研究，并提出了很多方法。目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學氣相沉積法，包括低壓化學氣相沉積（LPCVD）和等離子增強化學氣相沉積（PECVD）工藝。此外，液相外延法（LPPE）和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。

化學氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4，為反應氣體，在一定的保護氣氛下反應生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發現，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒，并且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用 LPCVD在襯底上沉滯一層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜，因此再結晶技術無疑是很重要的一個環節，目前采用的技術主要有固相結晶法和中區熔再結晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結晶工藝外，另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽能電池的技術，這樣制得的太陽能電池轉換效率明顯提高。

3 聚合物太陽能電池

3.1聚乙烯基咔哇（ PVK）

具有光電活性的聚合物中，發現最早研究得最為充分的是YVK[12.13]，它的側基上帶有大的電子共軛體系，可吸收紫外光。激發出的電子可以通過相鄰咔唑環形成的電荷復合物自由遷移。通常用I2、SbCl3、三硝基芴酮（TNF）、及硝基二苯乙烯基苯衍生物合四氰醌（TCNQ）等對其進行摻雜。

3.2聚乙炔（PA）

PA是迄今為止實測電導率最高的電子聚合物。它的聚合方法主要有白川英樹法[14]，Narrman方法[15]，Durham方法[16]和稀上催化體系[17]。白川英樹采用高濃度的Ziegler-Natta催化劑，即TiOBu4-ALEt3，由氣相乙炔出發，直接制備出自支撐的具有金屬光澤的聚乙炔膜；在取向了的液晶基質上成膜，PA膜也高度取向。Narrman方法的特點是對聚合催化劑“高溫陳化”，因而聚合物力學性質和穩定性有明顯改善。Durham用可溶性前體法合成PA，典型的反應過程是

聚合物（6）溶解和溶液成膜后拉伸，可獲得高取向的PA膜（7）。稀上催化劑采用的方法也獲得了高性能的PA膜。

3.3聚對苯撐乙烯（PPV）

近年來在光電領域應用最廣泛的、目前制得器件效率最高的是PPV類[20，21]材料。由于是共軛結構，分子鏈鋼性很強，往往難熔難溶，不易加工。獲得可溶性PPV的方法是在苯環上至少引入一個長鏈烷烴。烷烴碳個數至少大于6。研究還發現取代基有支鏈時比相同碳數的直鏈烷烴溶解度更好。具有代表性的材料是MEH-PPV[22]（MEH：2-methoxy -5（2-ethylhexyloxy）），它具有較好的溶解性，使用方便；禁帶寬度為2.1eV，較為適中。

3.4聚曝盼（PTh）

PTh也是近年來在光電轉換領域較為熱門的一類材料，其中性能較好的是3烷基（P3AT）[14，16]。一般6碳以上的烷基噻吩可溶解，但10碳以下的烷基取代物有部分為凝膠。與PPV不同，單烷基噻吩比3， 4-雙烷基噻吩具有更好的溶解性，主要是因為雙烷基取代噻吩位阻太大，降低了其有效共軛長度，提高了離子化電位。

4太陽能電池發展趨勢

提高轉換效率和降低成本是太陽能電池制備中的兩個重要因素，也是今后太陽能電池的主要發展方向。單晶硅、多晶硅太陽電池目前研究的主要任務是在提高效率的同時如何進一步降低成本。多晶硅薄膜電池既有晶硅電池高效、穩定、資源豐富、無毒的優勢，又具有薄膜電池低成本優點，成本遠低于單晶硅電池，成為國際上研究開發熱點，國外發展比較迅速，在未來地面應用方面將是發展方向。非晶硅薄膜電池研究工作主要在提高效率和穩定性方面。非晶硅薄膜電池質量輕、成本低，有極大發展潛力，如果效率和穩定性方面進一步提高，將是太陽電池主要發展產品。目前研究任務是提高大面積非晶硅電池穩定效率，穩定效率7-8%，壽命20年，盡快為產業化服務。CIS，CIGS，CdTe 電池被認為未來實現低于1 美元/峰瓦成本目標的典型薄膜電池，CIGS 電池在實現產量時制造成本比硅電池更低，如生產工藝發展成熟，產業化問題得以解決，與硅電池相比有很強競爭優勢，是一種很有發展前途薄膜太陽電池。目前研究重點是進一步提高效率，降低成本，使之大規模產業化。全固態電解質納米太陽電池效率不理想，仍需進一步深入研究。從商業化角度看，多晶硅薄膜和非晶硅薄膜電池以其高轉換效率和低成本的優勢，將成為市場的主導產品。

參考文獻

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