基于氧化物基底的新型光伏材料及器件穩(wěn)定性探討

侯雯文 杜 娟 張萬輝

（青海黃河上游水電開發(fā)有限責任公司光伏產(chǎn)業(yè)技術分公司，青海 西寧 810007）

1 現(xiàn)有技術的現(xiàn)狀

隨著科學技術的進步，現(xiàn)階段已經(jīng)相對成熟的幾種太陽能電池材料主要有以下5種，鈣鈦礦、有機材料、染料敏化材料、晶硅以及量子點太陽能電池，經(jīng)過長時間的技術改進，這些電池在制造成本上已有了明顯的降低，并且各種器件的制作難度也明顯下降，在這些材料制作的太陽能電池之中，這些材料與晶硅材料相比都具有明顯的優(yōu)勢[1]，不僅如此，在技術的不斷革新下，這些電池的制備已經(jīng)有了很大的突破，例如現(xiàn)階段制造的量子點敏化電池，其轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達到了13%，遠遠超過了制造之初的轉(zhuǎn)化效率，不僅如此，在轉(zhuǎn)化效率上鈣鈦礦電池更是達到了驚人的22.1%，并且相關技術還有很大的突破前景，成了現(xiàn)階段發(fā)展態(tài)勢最好的太陽能電池。光伏材料產(chǎn)生的主要目的是為了應對能源危機，有相關數(shù)據(jù)表明，太陽每一個小時輻射到地球的太陽能所具有的能量可以滿足全地球一年的能源供給，由此可見太陽能的發(fā)展?jié)摿κ嵌嗝淳薮蟮腫2]。對于太陽能的運用主要發(fā)展歷程如下：太陽能發(fā)電是在1839年被法國科學家貝克雷爾發(fā)現(xiàn)的，起初是在實驗過程中發(fā)現(xiàn)光照能使半導體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差，后來稱這一現(xiàn)象為“光生伏特效應”，簡稱“光伏效應”。

2 新型光伏材料與器件

2.1 有機太陽電池

有機太陽能電池相比于其他的太陽能技術來說，這一項技術發(fā)展是較早的，不僅如此，這項技術相對于其他的技術來說有很多優(yōu)良的特性，并且經(jīng)過長時間的發(fā)展后，這項技術正在逐漸成熟，有可能替代無機太陽能電池。有機太陽電池具有更好的電子特性、成分多功能性，制備成本和安裝成本較低，能夠?qū)崿F(xiàn)更大面積的制備，并且其材料也可以用于柔性基底，從有機太陽電池的發(fā)展來看，實現(xiàn)器件的進步和光吸收材料的改進具有密不可分的關系。

有機太陽能電池的工作原理簡單來說就是光電效應+pn結(jié)[1]。即通過太陽照射在半導體pn結(jié)上，從而形成了新的空穴-電子對，在p-n結(jié)內(nèi)建電場的作用下，光生空穴流向p區(qū)，光生電子流向n區(qū)，接通電路后就產(chǎn)生電流。具體來說，它不具有導電性，是通過在原本不導電的半導體中摻入了不同的雜質(zhì)，將其做成P型（雜質(zhì)為硼等）與N型（雜質(zhì)為磷等）半導體，再利用P型半導體有個空穴（P型半導體少了一個帶負電荷的電子，可視為多了一個正電荷），與N型半導體多了一個自由電子的電位差來產(chǎn)生電，當太陽光照射時，光能將硅原子中的電子激發(fā)出來（光電效應），而產(chǎn)生電子和空穴的對流，這些電子和空穴都會受到內(nèi)建電位的影響，分別聚集在N型及P型半導體兩段，此時，外部如果用電極連接起來，就能形成一個回路，這就是目前主流的太陽能電池原理，如圖1所示。

圖1 PN結(jié)的原理示意圖

2.2 染料敏化電池

染料敏化電池是對有機太陽電池的一種衍生，并且是量子點敏化電池的一種早期形式，染料敏化太陽電池主要是通過模仿光合作用原理，研制出來的一種新型太陽能電池，染料敏化太陽能電池以低成本的納米二氧化鈦和光敏染料為主要原料，模擬自然界中植物利用太陽能進行光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。納米多孔半導體薄膜通常為金屬氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明導電膜的玻璃板上作為DSC的陰極。將電極作為還原催化劑，通常在帶有透明導電膜的玻璃上鍍上鉑。敏化染料吸附在納米多孔二氧化鈦膜面上。正負極間填充的是含有氧化還原電對的電解質(zhì)，最常用的是KCl（氯化鉀）。

主要原理如下：染料分子受太陽光照射后由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)（D*），然后將處于激發(fā)態(tài)的染料分子將電子注入半導體的導帶中，電子擴散至導電基底，后流入外電路中處于氧化態(tài)的染料被還原態(tài)的電解質(zhì)還原再生，最后氧化態(tài)的電解質(zhì)在對電極接受電子后被還原，從而完成一個循環(huán)[3]，如圖2所示。

圖2 染料敏化太陽能電池 - 結(jié)構(gòu)組成

2.3 量子點敏化電池

量子點敏化電池是通過對料敏化太陽能電池的改進而逐漸發(fā)展出來的，在對料敏化太陽能電池進行不斷的技術研究時，各種問題接踵而至，并且其轉(zhuǎn)化效率始終無法得到有效的提升，隨著各種材料價格的上升，對于料敏化太陽能電池的研究進度也逐漸放緩，為了能夠更好地取代有機染料，從而研究出了量子點，利用量子點不僅能夠有效地節(jié)約成本，并且還具有有機染料無法替代的優(yōu)良特性[4]。其主要的工作原理如下。首先量子點受到光激發(fā)由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，同時產(chǎn)生電子-空對穴，激發(fā)的量子點將電子注入半導體的導帶中，然后半導體導帶中的電子在納米晶格中傳輸?shù)胶蠼佑|面，從而流入外電路中，氧化態(tài)的電解質(zhì)擴散到對電極上得到電子而再生，最后還原態(tài)的電解質(zhì)將氧化態(tài)的量子點還原，實現(xiàn)量子點的再生。

3 氧化物基底制備

無論是量子點敏化電池還是鈣鈦礦電池，氧化物基底都是作為電池中的ETL對電子的手機傳輸和支架起到了重要作用，是這2種電池中的重要組成部分，要想實現(xiàn)氧化物基底的制備，就必須要對其結(jié)構(gòu)進行了解，該文介紹的是零維的納米顆粒和一維的納米棒材料，在進行氧化鋅的制備時，主要使用的方法是水熱法，將水作為溶劑在密閉的容器中施加一定的溫度與壓強來促進化學反應的發(fā)生[5-6]。這一方法是現(xiàn)階段制備氧化鋅納米棒最有效的方法，主要是由于其具有很好的可控性，并且成本低效率高。要想形成致密的氧化物基底材料，可以通過多種方法來實現(xiàn)，常用的有溶膠-凝膠法和磁控濺射法2種，前者是通過將前驅(qū)體在溶劑中分散，并經(jīng)過水解反應最終形成活性單體，這些活性單體在聚合之后就會形成溶膠，然后進一步反應形成了具有一定的空間結(jié)構(gòu)的凝膠，最后對形成的凝膠進行進一步的處理就得到了想要的納米粒子與所需要的材料。而后者則是通過物理氣相沉積法來實現(xiàn)的，需要利用粒子轟擊與濺射，最后形成氧化物基底。

4 結(jié)語

通過對現(xiàn)階段發(fā)展迅速的幾種以氧化物為基底材料新型太陽能電池的探索，并且對這幾種技術的深入研究，在成本、制作方法和優(yōu)缺點進行了相關的論述，要想實現(xiàn)電池的全面推廣與應用，就需要對電池的器件效率和穩(wěn)定性進行全方位的衡量，只有不斷地提高效率和穩(wěn)定性才能更好地實現(xiàn)太陽能電池的全面推廣，充分發(fā)揮新型太陽能電池的成本與效率優(yōu)勢，提高其穩(wěn)定性，讓這些新型太陽能電池早日取代傳統(tǒng)的硅晶電池，降低成本。