太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

都玲玲　沙莎

摘 要：本文綜述了不同材料的太陽(yáng)能電池的主要制備工藝和特性，如硅太陽(yáng)能電池、化合物薄膜太陽(yáng)能電池、聚合物太陽(yáng)能電池和納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池等。簡(jiǎn)要介紹了目前太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀及光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池；材料研究；轉(zhuǎn)換效率；發(fā)展趨勢(shì)

太陽(yáng)能可以認(rèn)為是取之不盡、用之不竭的清潔能源。當(dāng)前的太陽(yáng)能工業(yè)主要有兩大支柱產(chǎn)業(yè)：即太陽(yáng)能熱利用產(chǎn)業(yè)和太陽(yáng)能光伏制造產(chǎn)業(yè)。其中光伏制造產(chǎn)業(yè)是世界上增長(zhǎng)最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，而太陽(yáng)能光電利用是近些年來(lái)發(fā)展最快，最具活力的研究領(lǐng)域，也是其中最受矚目的項(xiàng)目之一。

1 硅系太陽(yáng)能電池

1.1 單晶硅太陽(yáng)能電池

硅系列太陽(yáng)能電池中，單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的成熱的加工處理工藝基礎(chǔ)上的?，F(xiàn)在單晶硅太陽(yáng)能電池的制作工藝己近成熟，一般都采用表面織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù)，開(kāi)發(fā)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(zhuǎn)化效率主要是靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。在此方面，德國(guó)夫朗霍費(fèi)費(fèi)萊堡太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所保持著世界領(lǐng)先水平。該研究所采用光刻照相技術(shù)將電池表面織構(gòu)化，制成倒金字塔結(jié)構(gòu)，并在表面把13nm厚的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結(jié)合。并通過(guò)改進(jìn)了的電鍍過(guò)程來(lái)增加?xùn)艠O的寬度和高度的比率。這樣制得的電池轉(zhuǎn)化效率最大值可達(dá)23.3%。Kyocera公司制備的大面積（225cm2）單晶太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率為19.44%，國(guó)內(nèi)北京太陽(yáng)能研究所也積極進(jìn)行高效晶體硅太陽(yáng)能電池的研究和開(kāi)發(fā)，研制的平面高效單晶硅電池（2cm×2cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.79%，刻槽埋柵電極晶體硅電池（5cm×5cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá)8.6%。

1.2 多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池

通常的晶體硅太陽(yáng)能電池是在厚度350-450μm的高質(zhì)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(shí)際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料，人們從70年代中期就開(kāi)始在廉價(jià)襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長(zhǎng)的硅膜晶粒大小，未能制成有價(jià)值的太陽(yáng)能電池。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜，人們一直沒(méi)有停止過(guò)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(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子增強(qiáng)化學(xué)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(lái)制備多晶硅薄膜電池。

化學(xué)氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4，為反應(yīng)氣體，在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)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(fā)現(xiàn)，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(wèn)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(jié)晶技術(shù)無(wú)疑是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，目前采用的技術(shù)主要有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結(jié)晶工藝外，另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽(yáng)能電池的技術(shù)，這樣制得的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率明顯提高。

3 聚合物太陽(yáng)能電池

3.1聚乙烯基咔哇（ PVK）

具有光電活性的聚合物中，發(fā)現(xiàn)最早研究得最為充分的是YVK[12.13]，它的側(cè)基上帶有大的電子共軛體系，可吸收紫外光。激發(fā)出的電子可以通過(guò)相鄰咔唑環(huán)形成的電荷復(fù)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(duì)其進(jìn)行摻雜。

3.2聚乙炔（PA）

PA是迄今為止實(shí)測(cè)電導(dǎo)率最高的電子聚合物。它的聚合方法主要有白川英樹(shù)法[14]，Narrman方法[15]，Durham方法[16]和稀上催化體系[17]。白川英樹(shù)采用高濃度的Ziegler-Natta催化劑，即TiOBu4-ALEt3，由氣相乙炔出發(fā)，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(zhì)上成膜，PA膜也高度取向。Narrman方法的特點(diǎn)是對(duì)聚合催化劑“高溫陳化”，因而聚合物力學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性有明顯改善。Durham用可溶性前體法合成PA，典型的反應(yīng)過(guò)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(duì)苯撐乙烯（PPV）

近年來(lái)在光電領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的、目前制得器件效率最高的是PPV類(lèi)[20，21]材料。由于是共軛結(jié)構(gòu)，分子鏈鋼性很強(qiáng)，往往難熔難溶，不易加工。獲得可溶性PPV的方法是在苯環(huán)上至少引入一個(gè)長(zhǎng)鏈烷烴。烷烴碳個(gè)數(shù)至少大于6。研究還發(fā)現(xiàn)取代基有支鏈時(shí)比相同碳數(shù)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(lái)在光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域較為熱門(mén)的一類(lèi)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?yàn)殡p烷基取代噻吩位阻太大，降低了其有效共軛長(zhǎng)度，提高了離子化電位。

4太陽(yáng)能電池發(fā)展趨勢(shì)

提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽(yáng)能電池制備中的兩個(gè)重要因素，也是今后太陽(yáng)能電池的主要發(fā)展方向。單晶硅、多晶硅太陽(yáng)電池目前研究的主要任務(wù)是在提高效率的同時(shí)如何進(jìn)一步降低成本。多晶硅薄膜電池既有晶硅電池高效、穩(wěn)定、資源豐富、無(wú)毒的優(yōu)勢(shì)，又具有薄膜電池低成本優(yōu)點(diǎn)，成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，成為國(guó)際上研究開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)，國(guó)外發(fā)展比較迅速，在未來(lái)地面應(yīng)用方面將是發(fā)展方向。非晶硅薄膜電池研究工作主要在提高效率和穩(wěn)定性方面。非晶硅薄膜電池質(zhì)量輕、成本低，有極大發(fā)展?jié)摿Γ绻屎头€(wěn)定性方面進(jìn)一步提高，將是太陽(yáng)電池主要發(fā)展產(chǎn)品。目前研究任務(wù)是提高大面積非晶硅電池穩(wěn)定效率，穩(wěn)定效率7-8%，壽命20年，盡快為產(chǎn)業(yè)化服務(wù)。CIS，CIGS，CdTe 電池被認(rèn)為未來(lái)實(shí)現(xiàn)低于1 美元/峰瓦成本目標(biāo)的典型薄膜電池，CIGS 電池在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量時(shí)制造成本比硅電池更低，如生產(chǎn)工藝發(fā)展成熟，產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題得以解決，與硅電池相比有很強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，是一種很有發(fā)展前途薄膜太陽(yáng)電池。目前研究重點(diǎn)是進(jìn)一步提高效率，降低成本，使之大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。全固態(tài)電解質(zhì)納米太陽(yáng)電池效率不理想，仍需進(jìn)一步深入研究。從商業(yè)化角度看，多晶硅薄膜和非晶硅薄膜電池以其高轉(zhuǎn)換效率和低成本的優(yōu)勢(shì)，將成為市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。

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