太陽能電池材料發(fā)展和前景

孫乃忠 秦虎 劉樹軍

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對能源的需求越來越大，傳統(tǒng)的化石能源也日漸枯竭，各國紛紛重視對新型能源的研究，在使用過程中不會對環(huán)境造成污染的太陽能就是其中一種。近年來，隨著使用傳統(tǒng)能源帶來的問題逐漸凸顯，大陽能光電領(lǐng)域越來越受到重視。各國政府不斷加大投入，以期在太陽能電池領(lǐng)域爭得領(lǐng)先地位。

一、太陽能電池的種類

伴隨著經(jīng)濟(jì)、社會、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對能源的需求越來越大，資源面臨著日益枯竭的狀況，需要開發(fā)新的清潔能源。太陽能作為一種可再生的能源，有著清潔、高效的特點(diǎn)，很多國家對此特別重視，紛紛組織本國的學(xué)者積極地研究太陽能利用材料，尤其是注重對太陽能電池的研究。就目前來看，半導(dǎo)體材料是生產(chǎn)太陽能電池最為重要的一種原材料[1]，主要依據(jù)是半導(dǎo)體在吸收光能后發(fā)生光電轉(zhuǎn)換反應(yīng)而制成。目前，可以根據(jù)材料的不同進(jìn)行分類，具體的類別為：①硅系太陽能電池，主要是指以單晶硅、多晶硅薄膜為主要材料制成的太陽能電池；②采用聚合物修飾的太陽能電池，主要利用電極的轉(zhuǎn)移原理制成；③納米晶化學(xué)太陽能電池，這是未來的主要發(fā)展趨勢[2]。

1.硅系太陽能電池

（1）單晶硅太陽能電池

在太陽能電池中，硅系太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率最高，這其中又以單晶硅太陽能電池的研究技術(shù)時間最久，也是比較成熟和效果顯著的一種技術(shù)。高質(zhì)量單晶硅材料的生產(chǎn)工藝以及材料的成熱加工處理工藝是高性能單晶硅電池生產(chǎn)的基礎(chǔ)和前提[3]。目前，單晶硅的電池生產(chǎn)工藝已經(jīng)比較成熟，主要采用表面織構(gòu)化和在某些局部進(jìn)行合理的摻雜等技術(shù)制作太陽能電池，用這種技術(shù)制成的電池種類有限，具體表現(xiàn)為二維單晶硅太陽能電池和電極單晶硅電池。在提高太陽能的轉(zhuǎn)化效率時采用的工藝為微結(jié)構(gòu)處理。在這個領(lǐng)域，德國的研究走在了世界的前列[4]，他們主要采用光刻照相的技術(shù)，對電池表面進(jìn)行相關(guān)的處理，最后將其制作成倒金字塔的結(jié)構(gòu)。另外，通過相關(guān)的技術(shù)，將其表面的涂層進(jìn)行處理，增加表層的厚度，在經(jīng)過一系列技術(shù)手段改進(jìn)后，太陽能電池不僅寬度提高，而且其高度也大大增加，通過這些新興技術(shù)改造后，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率可以提高到27%。美國的幾家公司所研制出的大面積太陽能電池轉(zhuǎn)化效率稍顯遜色，只有20%左右。長期以來，中國科學(xué)院也積極對其進(jìn)行研究，研制成功的單電晶太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為19.24%，成果比較顯著[5]。

在目前所研制的太陽能電池中，以電池的轉(zhuǎn)換率為標(biāo)準(zhǔn)來看，單晶硅的太陽能電池?zé)o疑居于首位，這是無可爭議的事實(shí)。另外，單晶硅太陽能電池已經(jīng)大規(guī)模推廣應(yīng)用，應(yīng)用范圍也較為最廣泛。但單晶硅的價(jià)格較高，這是因?yàn)閱尉Ч璨牧系母叱杀竞蛷?fù)雜的生產(chǎn)工藝所致。

（2）多晶硅薄膜太陽能電池

一般的晶體硅太陽能電池是用高質(zhì)量的硅片通過一定工藝研制的而成，這種硅片的厚度在365～465μm范圍內(nèi)，以硅錠為材料經(jīng)過一系列環(huán)節(jié)制成。這樣一來，就不可避免地消耗了大量的材料，造成了許多浪費(fèi)。為解決此問題，從20世紀(jì)80年代開始，研究者利用廉價(jià)襯底通過沉積制成多晶硅薄膜，但是存在很多問題，主要是硅膜晶粒較小，難以制成合格的太陽能電池。以后，人們的研究方向是從多個角度進(jìn)行研究，采取不同的方法制得較大尺寸晶粒的薄膜。現(xiàn)階段，大多都用化學(xué)氣相沉積法來研制多晶硅薄膜電池。

化學(xué)氣相沉積法是應(yīng)用比較廣泛的一種方法，主要的原理是應(yīng)用二氯二氫硅、三氯氫硅和四氯硅烷等在一定條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，通過化學(xué)反應(yīng)制成硅原子，再經(jīng)過一系列環(huán)節(jié)將制成的硅原子置于襯底上。必須要指出的是，選擇哪一種襯底材料也有要求，主要的襯底材料有硅、二氧化硅等。但是經(jīng)過研究后發(fā)現(xiàn)，在非硅質(zhì)材料的襯底上想要制成大的晶粒難度很大，同時還會帶來一系列問題，如晶體間的空隙增大等。科學(xué)家們想出了很多解決辦法，最為成功的辦法是先在襯底上沉積一層薄薄的非晶硅層，之后通過相關(guān)工藝將其退火。經(jīng)過這些環(huán)節(jié)后，就能夠制造出顆粒較大的硅晶粒，最后的環(huán)節(jié)是在襯底上慢慢的進(jìn)行沉積，析出合適的硅晶粒。其中，核心的工藝是比較復(fù)雜的再結(jié)晶工藝[6]。其實(shí)對多晶硅薄膜太陽能電池進(jìn)行研究的過程是一個繁瑣而復(fù)雜的過程，在這個過程中利用了一系列新技術(shù)，不僅有上文提到的再結(jié)晶工藝，還采用了制作單晶硅太陽能電池用到的先進(jìn)技術(shù)，將熟練技術(shù)作為后盾，再糅合進(jìn)新型技術(shù)，太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和使用效率都得到了明顯提高。德國的一家研究所用這種方法研制的多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率為21%，日本三菱公司用這種方法研制的多晶硅電池效率為18.63%。

2.聚合物多層修飾電極型太陽能電池

近些年，在太陽能電池領(lǐng)域出現(xiàn)了一個新的研究方向即利用聚合物來研制太陽能電池。通過新型的技術(shù)手段，將聚合物的表面物質(zhì)多層復(fù)合，這樣可以制成比較先進(jìn)的單向?qū)щ娧b置。由聚合物修飾這個單向?qū)щ娧b置的某一個電極，所以其有著比較低的還原電位，相比而言，最外層的還原電位要遠(yuǎn)遠(yuǎn)地高于內(nèi)層的還原電位，電子的轉(zhuǎn)移方向是從低到高，也就是從內(nèi)層向外層轉(zhuǎn)移；另一個電極的修飾是與前者完全相反的，并且不管是內(nèi)層還是外層的還原電位都比前一個電極的電位低。將這2個電極在特有的環(huán)境中進(jìn)行研究時，很容易發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象，即電極在吸收光線后就會產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，電子轉(zhuǎn)移是從高電位的電極轉(zhuǎn)移到低電位的電極上，經(jīng)過轉(zhuǎn)移后，較低電位的電極上往往會集中了大量的電子，這些電子只能通過外電路轉(zhuǎn)移，經(jīng)過還原電位較高的電極轉(zhuǎn)移到電解液中，這樣一來光電流就會產(chǎn)生在外電路中[7]。

由于有機(jī)材料有著柔性好、制作工藝簡單、成本低等優(yōu)勢。但在目前，有機(jī)材料在利用方面存在許多不足，研究成果不成熟，從各方面都不能與技術(shù)成熟的硅電池相比。在未來，對于有機(jī)材料還需要進(jìn)一步研究探索。

3.納米晶化學(xué)太陽能電池

在太陽能電池中，研究和使用技術(shù)最成熟的當(dāng)屬硅系太陽能電池，但是生產(chǎn)成本過高，限制了將其大規(guī)模推廣應(yīng)用。自20世紀(jì)研究成功以來，人們一直不斷對其工藝、技術(shù)和新材料等方面進(jìn)行積極地探索，其中，最有研究價(jià)值的是納米二氧化鈦（TiO2）晶體。納米TiO2晶體具有優(yōu)良的特性，對太陽能電池的是發(fā)展有著積極的作用，因此備受各國科學(xué)家的青睞。