太陽(yáng)電池的種類(lèi)及光電轉(zhuǎn)換效率的研究

刁春麗 婁廣輝

1 河南大學(xué)物理與電子學(xué)院（475004） 2 河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

太陽(yáng)電池的種類(lèi)及光電轉(zhuǎn)換效率的研究

刁春麗1婁廣輝2

1 河南大學(xué)物理與電子學(xué)院（475004） 2 河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

隨著光伏技術(shù)的發(fā)展，光電材料成本不斷下降，光電轉(zhuǎn)換效率逐漸提高，太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為一種綠色、可再生的發(fā)電方式越來(lái)越顯現(xiàn)出其優(yōu)越性。這里介紹了太陽(yáng)能電池的種類(lèi)和研究現(xiàn)狀，分析太陽(yáng)能板材料對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率的制約，從結(jié)構(gòu)改進(jìn)和創(chuàng)新、開(kāi)發(fā)新材料等方面探討進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換效率的方法，為今后太陽(yáng)能行業(yè)的研究發(fā)展提供思路。

太陽(yáng)能電池；種類(lèi)；光電轉(zhuǎn)換效率

由于環(huán)境污染和能源緊缺等問(wèn)題日益突顯，尋找安全、清潔、廉價(jià)、可再生新能源已成為當(dāng)前人類(lèi)面臨的任務(wù)。其中太陽(yáng)能以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)而成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。[1]在太陽(yáng)能的有效利用當(dāng)中，太陽(yáng)能光伏發(fā)電是近些年來(lái)發(fā)展最快、最具活力的研究領(lǐng)域。過(guò)去10年光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的年平均增長(zhǎng)率在40%以上,2013年增速放緩,但世界光伏產(chǎn)量已突達(dá)40 GW。在中國(guó)，由于政府的大力支持，太陽(yáng)能光伏技術(shù)項(xiàng)目享受較多優(yōu)惠政策，調(diào)動(dòng)了企業(yè)的積極性，光伏產(chǎn)業(yè)得以迅速發(fā)展。目前，我國(guó)已經(jīng)成為太陽(yáng)能電池生產(chǎn)第一大國(guó)，太陽(yáng)能電池市場(chǎng)占有率已超過(guò)全球總產(chǎn)量的50%。

1 太陽(yáng)能電池的種類(lèi)

制作太陽(yáng)能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，其工作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電轉(zhuǎn)換反應(yīng)，根據(jù)所用材料的不同，太陽(yáng)能電池可分為：①硅太陽(yáng)能電池；②以無(wú)機(jī)鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物薄膜為材料的電池;③功能高分子材料制備的有機(jī)太陽(yáng)能電池;④納米晶太陽(yáng)能電池等。

1.1 硅太陽(yáng)能電池

當(dāng)前,太陽(yáng)能光伏電池材料主要是硅材料，包括單晶硅、多晶硅和非晶硅。單晶硅是目前普遍使用的光伏發(fā)電材料，它被用做人造衛(wèi)星、太陽(yáng)能汽車(chē)的電源以及城市路燈或街頭時(shí)鐘的電源。目前，單晶硅電池工藝已近成熟，提高其光電轉(zhuǎn)換效率主要靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。在光照充足的最佳角度，單晶硅電池的光電總轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到20%～24%，有可能提高到25%。[2]盡管單晶硅電池具有電池轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，但由于單晶硅生產(chǎn)工藝復(fù)雜，加工工藝繁瑣，致使單晶硅電池成本居高不下，因此依靠單晶硅大規(guī)模推廣太陽(yáng)能電池是很難的。

多晶硅原料是半導(dǎo)體工業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)共同的上游原材料，太陽(yáng)能電池生產(chǎn)的原料是半導(dǎo)體工業(yè)的邊角廢料。多晶硅光電池的轉(zhuǎn)換效率不如單晶硅。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，多晶硅的需求量會(huì)越來(lái)越大。多晶硅太陽(yáng)能電池制備的技術(shù)關(guān)鍵是結(jié)晶工藝，現(xiàn)在幾乎所有制備單晶硅高效電池的技術(shù)都適用于制備多晶硅薄膜電池工藝，多晶硅電池將有可能最終取代單晶硅電池成為光伏市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。[3]

非晶硅光電池一般是采用高頻輝光放電技術(shù)使硅烷氣體分解沉積而制成，可在玻璃、不銹鋼板、陶瓷板、柔性塑料上沉積約1 μm厚的薄膜。該電池易于大面積化，成本低，其商品化產(chǎn)量連續(xù)增長(zhǎng)，居薄膜電池前幾位。非晶硅光電池小面積的轉(zhuǎn)換效率已提高到14.6%,大面積生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為8%～10%[4]。非晶硅電池將發(fā)展為太陽(yáng)能電池的主要產(chǎn)品之一，有很好的市場(chǎng)前景。但目前存在硅材料緊缺和成本價(jià)格高的問(wèn)題。

1.2 無(wú)機(jī)化合物太陽(yáng)能電池

無(wú)機(jī)多元化合物太陽(yáng)能電池主要是以無(wú)機(jī)多元化合物如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等為材料的太陽(yáng)能電池,其中研究最多的是CuInSe2(CIS)和Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜太陽(yáng)電池。[5]目前，美國(guó)再生能源試驗(yàn)室（NREL）保持CIGS薄膜太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的世界最高記錄[6]，轉(zhuǎn)換效率為19.5%。研究表明，CIGS薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)是將吸收層厚度降至1 μm或更薄，以減少稀有金屬I(mǎi)n、Ga的用量，降低成本，提高生產(chǎn)力。緩沖層CdS的制備是批量生產(chǎn)的瓶頸,目前使用的CdS薄膜中含高污染金屬——鎘,對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的不利影響，所以CdS的應(yīng)用將越來(lái)越制約CIGS的批量生產(chǎn)。為了解決以上問(wèn)題，研究人員一直在研究新的有利于批產(chǎn)的緩沖層制備方法，同時(shí)還在積極研制不含鎘的綠色材料替代CdS。

1.3 有機(jī)太陽(yáng)能電池

一些π-共軛聚合物，如聚乙炔（PA）、聚噻吩（m）、青(cyanine)染料等在經(jīng)過(guò)摻雜等工藝處理后表現(xiàn)出半導(dǎo)體的性質(zhì)。從此，有機(jī)太陽(yáng)能電池引起了人們的廣泛關(guān)注。相對(duì)于傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池，有機(jī)太陽(yáng)能電池以其材料來(lái)源廣泛、成本低、耗能少、輕薄、易于大規(guī)模生產(chǎn)等突出優(yōu)勢(shì)顯示了很大的開(kāi)發(fā)潛力，成為近十幾年國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。美國(guó)Polyera公司制備的聚合物/富勒烯有機(jī)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)9.1%。但與無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池相比，有機(jī)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率低，使用壽命短，限制了其市場(chǎng)化進(jìn)程。

1.4 納米晶太陽(yáng)能電池

納米晶太陽(yáng)電池采用的是無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合體系，有效地把納米技術(shù)與太陽(yáng)能電池結(jié)合。首先采用無(wú)機(jī)納米粒子制備多孔的薄膜，然后在薄膜的微孔中修飾有機(jī)染料分子或無(wú)機(jī)半導(dǎo)體粒子作為光敏劑，光敏劑吸收入射光后產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，通過(guò)半導(dǎo)體顆粒使電荷轉(zhuǎn)換效率提高。納米晶太陽(yáng)能電池制備工藝簡(jiǎn)單，其制作成本僅為單晶硅電池的1/ 5，具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。因其相對(duì)低廉的價(jià)格、簡(jiǎn)單的制作工藝和潛在的高光電轉(zhuǎn)換效率，有可能取代傳統(tǒng)硅系太陽(yáng)能電池，成為太陽(yáng)能電池發(fā)展的新方向。

2 光電材料對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率的制約

2.1 材料的光譜特性造成的限制

由于材料各自禁帶寬度的限制,入射到硅、鍺光電池材料表面的太陽(yáng)光只有一部分能被吸收，進(jìn)而發(fā)生光電轉(zhuǎn)換，并且只有對(duì)一種材料對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)光子表現(xiàn)出較高的轉(zhuǎn)換效率，這樣就制約了太陽(yáng)能的充分利用和向電能的高效轉(zhuǎn)換。硅光電池對(duì)波長(zhǎng)在0.4～1.15 μm區(qū)域中的光子能有效吸收，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,并且只在峰值0.8 μm左右光電轉(zhuǎn)換率最大;鍺光電池則只能對(duì)波長(zhǎng)在0.5 μm左右很窄范圍內(nèi)的入射光子高效吸收利用。

2.2 材料內(nèi)部載流子的復(fù)合造成的限制

受光照的P-N結(jié)，所激發(fā)出的電子-空穴對(duì)有存在結(jié)區(qū)的，也有在P區(qū)、N區(qū)的。在結(jié)區(qū)的電子-空穴對(duì)很容易被內(nèi)建電場(chǎng)分離，從而在勢(shì)壘兩側(cè)形成電荷積累；但是產(chǎn)生于P區(qū)或者是N區(qū)的電子-空穴對(duì)就要通過(guò)濃度梯度導(dǎo)致的擴(kuò)散到達(dá)結(jié)界面處，之后內(nèi)建電場(chǎng)才能把它們分開(kāi)。這就導(dǎo)致產(chǎn)生于P區(qū)或者是N區(qū)的電子-空穴對(duì)只有滿(mǎn)足離P-N結(jié)的距離小于它的擴(kuò)散長(zhǎng)度，才有一定的概率能夠擴(kuò)散到結(jié)界面處，對(duì)電荷積累有貢獻(xiàn)。實(shí)際上，對(duì)于光電池中普遍使用的硅、鍺，由于材料P-N結(jié)結(jié)構(gòu)以及載流子壽命的原因，導(dǎo)致在材料吸收的有限光子中只有部分能對(duì)最終光生電流的產(chǎn)生做出貢獻(xiàn)，進(jìn)一步地阻礙了光電轉(zhuǎn)換效率的提高。

3 提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的方法

太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率是首要的關(guān)鍵指標(biāo)，決定著電池的成本、質(zhì)量、材料消耗、輔助設(shè)施等許多因素。為了提高轉(zhuǎn)換效率，目前人們主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行研究。

3.1 通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和創(chuàng)新來(lái)提高轉(zhuǎn)換效率

對(duì)現(xiàn)有的太陽(yáng)能電池材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和創(chuàng)新來(lái)調(diào)整禁帶寬度，提高載流子壽命，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。例如:1）疊層結(jié)構(gòu)。把不同禁帶寬度的材料組合在一起，擴(kuò)大了光譜的響應(yīng)范圍，提高轉(zhuǎn)換效率。2）自動(dòng)追光系統(tǒng)。太陽(yáng)能電池板的發(fā)電量與太陽(yáng)光入射角有關(guān)，當(dāng)太陽(yáng)光線與太陽(yáng)電池板平面垂直時(shí)轉(zhuǎn)換率最高。采用自動(dòng)追光系統(tǒng)，光線方向一旦發(fā)生細(xì)微改變，太陽(yáng)電池板時(shí)刻隨著太陽(yáng)光照方向的改變調(diào)整到與光線垂直，比常規(guī)太陽(yáng)能設(shè)備發(fā)電量提高40%。[7]3）量子點(diǎn)超晶格結(jié)構(gòu)。針對(duì)一般材料光譜特性導(dǎo)致的只對(duì)入射光中的部分高效率吸收利用，可以采用新發(fā)展的量子點(diǎn)超晶格結(jié)構(gòu)來(lái)有效解決，在傳導(dǎo)帯上形成微能帶，使利用各種波長(zhǎng)的光成為可能。

3.2 開(kāi)發(fā)新材料提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率

太陽(yáng)能材料研究對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展起著決定性的作用。每一種新材料的出現(xiàn)，都給太陽(yáng)能電池及太陽(yáng)能光電利用帶來(lái)一次變革。新材料的開(kāi)發(fā)雖然困難很多，但卻是生產(chǎn)低成本、高效率太陽(yáng)能的重要研究課題。一旦材料上獲得突破，將極大推進(jìn)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化步伐。光合作用把陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的效率，幾乎達(dá)到百分之百。這種神奇、高效的光能轉(zhuǎn)化效率，促使科學(xué)家開(kāi)始深入發(fā)掘光合作用的復(fù)雜機(jī)理以期有助于改進(jìn)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)?？蒲腥藛T利用納米材料在試驗(yàn)室中成功研制出一種與葉綠體結(jié)構(gòu)相似的新型電池——染料敏化太陽(yáng)能電池,以極其低廉的成本實(shí)現(xiàn)光能發(fā)電。

目前這種仿生太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率的世界最高水平已超過(guò)11%。[8]

4 結(jié)論

隨著新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)，太陽(yáng)能電池的效率及穩(wěn)定性等將會(huì)得到進(jìn)一步提高。太陽(yáng)能光伏發(fā)電量在21世紀(jì)的能源比例將逐漸加大。雖然當(dāng)前光伏業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩對(duì)行業(yè)的發(fā)展造成了較大的沖擊與影響，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，有利于光伏企業(yè)降低建設(shè)成本，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。如果光伏發(fā)電成本可降到1元/Kw·h以?xún)?nèi)，那么，憑著其無(wú)可比擬的清潔、安全、環(huán)保的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),光伏發(fā)電將在經(jīng)濟(jì)性上同樣具備商用價(jià)值，在生產(chǎn)和生活中將有越來(lái)越多的太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品被應(yīng)用。

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