新型太陽(yáng)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(lè)山 614000）

1 硅基薄膜太陽(yáng)電池

相對(duì)于單晶硅太陽(yáng)能電池，非晶硅薄膜太陽(yáng)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(guó)的Carlson和Wronski制備出第一個(gè)非晶硅太陽(yáng)能電池，非晶硅太陽(yáng)能電池就成為世界各國(guó)太陽(yáng)電池的研究重點(diǎn)。

目前a-Si單結(jié)太陽(yáng)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(yáng)能電池不能完全利用太陽(yáng)能，只能將有限的太陽(yáng)光譜波段轉(zhuǎn)換成太陽(yáng)能，因此采用分波段利用太陽(yáng)能光譜來(lái)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(shì)。

2 碲化鎘太陽(yáng)電池

碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池是薄膜太陽(yáng)電池中發(fā)展較快的一種光伏器件。美國(guó)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(yáng)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(shí)碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的最高紀(jì)錄。

近年來(lái),太陽(yáng)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(yáng)能電池為代表的薄膜太陽(yáng)電池倍受關(guān)注。西門子開(kāi)發(fā)的面積為3600cm2的碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到11.1%；美國(guó)國(guó)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(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)7.7%；Bp Solar的碲化鎘薄膜太陽(yáng)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(yáng)能電池，面積為3528cm2，轉(zhuǎn)換效率為7.7%。

國(guó)際上許多國(guó)家的CdTe電池已由實(shí)驗(yàn)室研究階段開(kāi)始走向規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。1998年美國(guó)碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)量只有0.2MW，而在2010年，美國(guó)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(yáng)電池

聚合物太陽(yáng)電池具有成本低、重量輕、制作工藝簡(jiǎn)單（可采用簡(jiǎn)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(jì)性強(qiáng)，有希望通過(guò)材料設(shè)計(jì)和器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來(lái)提高太陽(yáng)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(chǎng)新的能源革命，其市場(chǎng)前景將十分巨大。

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

新一代太陽(yáng)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(yáng)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(jí)時(shí)，尺寸限域?qū)⒁饚?kù)侖阻塞效應(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(yáng)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(yáng)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(yáng)電池器件中真正利用多激子效應(yīng)。另外，人們?cè)诮鸺t石型TiO2單晶（110）面上吸附PbSe膠體量子點(diǎn)，通過(guò)對(duì)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(dòng)量子點(diǎn)的太陽(yáng)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(lái)了實(shí)現(xiàn)高效綠色和低成本太陽(yáng)能電池的希望，具有深刻的科學(xué)與社會(huì)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(yáng)能的優(yōu)勢(shì)，然后從硅基薄膜電池、碲化鎘太陽(yáng)電池、銅銦鎵硒太陽(yáng)電池、染料敏化電池、聚合物太陽(yáng)電池、量子點(diǎn)太陽(yáng)電池等新型太陽(yáng)電池入手，分別分析了它們的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀。

陽(yáng)光是一種清潔、取之不盡的能源，在不同的時(shí)期，我們對(duì)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(lái)我們大規(guī)模使用太陽(yáng)電池時(shí)，必將又是一場(chǎng)能源上的革命。

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