基于無(wú)機(jī)化合物類的薄膜太陽(yáng)能電池材料的研究

劉輝文

摘 要：隨著近些年來(lái)我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)水平的不斷提升，各行各業(yè)對(duì)于各種能源的需求量也在不斷提升。由于火力發(fā)電對(duì)于環(huán)境造成了大量的壓力與影響，尋找新能源并提升新能源的應(yīng)用效率已經(jīng)成為了當(dāng)務(wù)之急，而作為研究較為成熟、應(yīng)用較為廣泛的能源之一，太陽(yáng)能的應(yīng)用也就成為了研究的核心。本文結(jié)合當(dāng)前我國(guó)基于無(wú)機(jī)化合物類型的薄膜太陽(yáng)能電池材料的技術(shù)發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀，就其應(yīng)用技術(shù)與傳統(tǒng)太陽(yáng)能的比對(duì)優(yōu)勢(shì)以及無(wú)機(jī)化合物材料在其中的具體作用進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，以期能夠促進(jìn)行業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展，同時(shí)為我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)提供新的思路與技術(shù)。

關(guān)鍵詞：無(wú)機(jī)化合物 薄膜太陽(yáng)能 電池材料

中圖分類號(hào)：TM914.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）10（a）-0099-02

作為人類發(fā)展過(guò)程中必須要面對(duì)的基本問(wèn)題，能源與環(huán)境這兩種元素也逐漸成為了限制人類發(fā)展的關(guān)鍵因素。在社會(huì)不斷進(jìn)步與發(fā)展過(guò)程中，人類對(duì)于能源的需求量不斷提升，石油價(jià)格的不斷走高以及整體儲(chǔ)量的不斷衰竭也預(yù)示著能源危機(jī)即將到來(lái)，除了選擇可再生能源外人類已經(jīng)別無(wú)選擇。作為生命活動(dòng)的根本能源，太陽(yáng)能的綜合利用也當(dāng)之無(wú)愧成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

人們都知道，太陽(yáng)能電池的基本原理是光伏效應(yīng)，通過(guò)光照照射在半導(dǎo)體或者半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的部分產(chǎn)生相應(yīng)的電位差來(lái)趨勢(shì)電子順向移動(dòng)從而產(chǎn)生了電流，這種效應(yīng)自發(fā)現(xiàn)以來(lái)就被廣泛應(yīng)用于科研領(lǐng)域，但是在實(shí)際使用中由于科技發(fā)展的局限性以及成本和使用壽命等方面的問(wèn)題，太陽(yáng)能技術(shù)一直受到各種制約而無(wú)法獲得有效的普及與發(fā)展。在典型的太陽(yáng)能電池模型中，光子入射到半導(dǎo)體的PN結(jié)處，通過(guò)PN結(jié)的電極變化出現(xiàn)相應(yīng)的輸出功率電壓值，從而導(dǎo)致電子和空穴出現(xiàn)相反方向的分離，隨著這個(gè)過(guò)程的不斷深入與延續(xù)也就出現(xiàn)了電荷的積累，最終出現(xiàn)電勢(shì)差，將這種電勢(shì)差視為電源，街上導(dǎo)線即可直接作為能源為人類使用。

與傳統(tǒng)的硅晶半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池類似，薄膜太陽(yáng)能電池也是通過(guò)光伏效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電荷累積出現(xiàn)點(diǎn)位差的效果實(shí)現(xiàn)電池的實(shí)際作用，但是在應(yīng)用過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，薄膜太陽(yáng)能電池由于具有較強(qiáng)的吸光性，所以在綜合光電轉(zhuǎn)換效率上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的傳統(tǒng)硅晶半導(dǎo)體材料，再加上在硅晶半導(dǎo)體的生產(chǎn)成本較高，材料來(lái)源限制性也較強(qiáng)，所以在推廣與普及方面顯然不存在任何優(yōu)勢(shì)，而無(wú)機(jī)薄膜材料的原料來(lái)源十分廣泛，再加上加工流程十分簡(jiǎn)單，所以具有較強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿?。?dāng)前我國(guó)在太陽(yáng)能薄膜電池領(lǐng)域存在不同的分類，包括無(wú)機(jī)化合物類、材料敏化類以及有機(jī)和硅基等不同的種類，即使是同一種類不同種材料對(duì)于太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)換效率以及使用特點(diǎn)也具有不同的特征，本文也結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)主要幾種無(wú)機(jī)化合物類材料的技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，淺析太陽(yáng)能薄膜電池的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景。

2 無(wú)機(jī)化合物類材料在薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)中的應(yīng)用分析

當(dāng)前我國(guó)無(wú)機(jī)化合物類材料在薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)應(yīng)用的種類不下上百種，但是理論建設(shè)較為完善同時(shí)已經(jīng)具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值的主要分為以下幾種類型。

2.1 銅銦硒薄膜太陽(yáng)能電池

銅銦硒作為一種三元化合物，其主要是通過(guò)黃銅礦以及閃鋅礦兩種具有同素異形結(jié)構(gòu)的晶體融合而來(lái)，由于這兩種物質(zhì)廣泛存在于我國(guó)的西南部地區(qū)，所以具有較大的發(fā)展?jié)摿σ约拜^低的成本價(jià)格。在該晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，由于存在帶隙半導(dǎo)體，同時(shí)帶隙為1.1eV，所以十分適合太陽(yáng)光的光電轉(zhuǎn)換，另外由于cis薄膜太陽(yáng)能在使用過(guò)程中并不像傳統(tǒng)的硅晶半導(dǎo)體那樣具有明顯的衰減周期，所以可以作為太陽(yáng)能半導(dǎo)體材料使用。另外，價(jià)格低廉、工藝簡(jiǎn)單以及無(wú)光誘導(dǎo)衰變現(xiàn)象等都是銅銦硒薄膜太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)前國(guó)際上對(duì)于銅銦硒薄膜太陽(yáng)能電池所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)與研究較為廣泛，理論基礎(chǔ)也較為完善，其制備的主要措施是真空蒸鍍法以及硒化法，這兩種方法都是通過(guò)在玻璃以及其他廉價(jià)的沉底上實(shí)現(xiàn)依次沉積的方式獲得多層薄膜，由于可以進(jìn)行批量生產(chǎn)，所以其應(yīng)用的效果也較好，一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了銅銦硒薄膜太陽(yáng)能電池的量產(chǎn)，比如說(shuō)德國(guó)人通過(guò)以銅片為基底制備薄膜太陽(yáng)能電池卷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電池的穩(wěn)定化以及大面積生產(chǎn)化。而日本著名的昭和石油公司還開(kāi)發(fā)出了高達(dá)800m2的轉(zhuǎn)化效率不低于15%的銅銦硒薄膜太陽(yáng)能電池，可見(jiàn)該種無(wú)機(jī)材料的應(yīng)用前景十分光明。

2.2 碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池

碲化鎘是Ⅱ—Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料，由于帶隙1.5eV，所以與太陽(yáng)的光譜十分契合，同時(shí)也具有較強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)化效率，被視為一種穩(wěn)定的光伏材料。通過(guò)理論計(jì)算我們得知，碲化鎘具有超過(guò)28%的光電轉(zhuǎn)換理論效率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通硅晶半導(dǎo)體材料太陽(yáng)能電池的15%，同時(shí)還可以通過(guò)大面積薄膜的沉積來(lái)提升生產(chǎn)的效率，是當(dāng)前最接近量產(chǎn)的太陽(yáng)能無(wú)機(jī)化合物材料薄膜技術(shù)之一。在使用過(guò)程中，碲化鎘太陽(yáng)能電池通過(guò)異質(zhì)結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)晶格常數(shù)的變化，這樣一來(lái)就可以表現(xiàn)出平時(shí)所不具備的優(yōu)良電學(xué)性能，為提升太陽(yáng)能電池的填充效果奠定了可靠的基礎(chǔ)。

當(dāng)前碲化鎘薄膜電池的生產(chǎn)工藝主要有絲網(wǎng)印花燒結(jié)以及真空蒸發(fā)等方法，個(gè)別情況下還會(huì)使用近空間升華以及濺射等方法。

值得注意的是，碲化鎘薄膜電池發(fā)展過(guò)程中受到有毒元素以及礦藏量等方面的影響，其發(fā)展受到了較大局限，直接影響了研究?jī)r(jià)值以及相應(yīng)的應(yīng)用范圍。

2.3 砷化鎵薄膜太陽(yáng)能電池

砷化鎵屬于Ⅲ-Ⅴ化合物，在應(yīng)用于光伏產(chǎn)業(yè)時(shí)具有十分明顯的電光學(xué)性能優(yōu)勢(shì)，其能隙恰好為1.4eV，這與太陽(yáng)光的吸收值完全相同，從而有效提升了對(duì)太陽(yáng)光譜的匹配度，在使用過(guò)程中科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，由于砷化鎵的晶格結(jié)構(gòu)較為緊密，所以具有優(yōu)良的耐高溫性能，這是其他無(wú)機(jī)材料在應(yīng)用于薄膜太陽(yáng)能電池過(guò)程中所不具備的。要知道，長(zhǎng)期暴露于太陽(yáng)下如果不具備優(yōu)良的熱穩(wěn)定性就會(huì)出現(xiàn)逐步分解，造成整體化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定最終導(dǎo)致喪失光電轉(zhuǎn)化能力。所以砷化鎵是一種較為理想的無(wú)機(jī)化合物類光伏材料。在實(shí)驗(yàn)室中，美國(guó)科學(xué)家也已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了這一點(diǎn)，目前全球砷化鎵薄膜太陽(yáng)能電池最高的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)33%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他種類的太陽(yáng)能光伏材料。

不得不承認(rèn)，由于砷化鎵屬于劇毒，再加上在實(shí)際生活中這些材料都屬于稀缺材料，所以在發(fā)展過(guò)程中具有一定的局限性。另外，該種無(wú)機(jī)材料屬于聚光性材料，只有在透鏡焦點(diǎn)附近才能夠?qū)崿F(xiàn)良好的光電轉(zhuǎn)化，一旦出現(xiàn)偏移就會(huì)大大降低光電效率，影響電池性能。而過(guò)分依賴聚焦又會(huì)縮減電池的整體光照面積，顯然這個(gè)問(wèn)題如果不解決，該種電池依然沒(méi)有用武之地。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，太陽(yáng)能作為一種取之不盡的可再生資源，其綜合利用水平直接影響到人類的發(fā)展速度與規(guī)模，同時(shí)也會(huì)影響到各行各業(yè)的發(fā)展穩(wěn)定性與發(fā)展前景。就當(dāng)前我國(guó)太陽(yáng)能電池的發(fā)展現(xiàn)狀而言，絕大多數(shù)電池依然是使用硅晶太陽(yáng)能電池，但是由于這種太陽(yáng)能電池需要較高的工藝處理才可以實(shí)現(xiàn)一定的吸收比率，同時(shí)還具有造價(jià)成本高以及材料來(lái)源局限等問(wèn)題，所以影響到了太陽(yáng)能行業(yè)的普及與發(fā)展。為了解決這個(gè)問(wèn)題，選擇大量存在于地表表面的無(wú)機(jī)材料制作薄膜太陽(yáng)能電池不但可以解決成本問(wèn)題同時(shí)還可以提升光電轉(zhuǎn)換效率，從而為人們的生產(chǎn)生活提供源源不斷的能源的同時(shí)更是可以促進(jìn)我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)與發(fā)展。

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