探析太陽(yáng)能電池材料發(fā)展現(xiàn)狀

易欣欣

（長(zhǎng)沙市南雅中學(xué)，湖南長(zhǎng)沙，410000）

0 前言

當(dāng)代社會(huì)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)資源的依賴(lài)性不斷提升，石油、天然氣、煤炭等傳統(tǒng)能源物質(zhì)的逐漸消耗，而這些能源都屬于不可再生資源，而且已經(jīng)不能滿(mǎn)足社會(huì)的實(shí)際需求，能源問(wèn)題的嚴(yán)重性愈發(fā)顯露。目前，太陽(yáng)能、地?zé)崮堋⒊毕?、風(fēng)能等新型能源的開(kāi)發(fā)為解決能源問(wèn)題提供了有效的策略，其中，太陽(yáng)能在使用過(guò)程中不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，而且以其取之無(wú)盡、用之不竭的顯著特點(diǎn)備受人們關(guān)注。太陽(yáng)能又稱(chēng)“光電池”，能通過(guò)光-電或光-熱-電的途徑將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成電能。但是，目前大多數(shù)太陽(yáng)能電池存在制造成本昂貴、廢棄污染問(wèn)題、能量轉(zhuǎn)換效率低和使用穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，導(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)用受到極大的限制。因此，開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好型材料用以制備高效且穩(wěn)定的太陽(yáng)能電池成為了人們研究的重點(diǎn)[1]。按照材料的不同，太陽(yáng)能電池可分為硅基太陽(yáng)能電池、有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池、無(wú)機(jī)化合物太陽(yáng)能電池、有機(jī)無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池、染料敏化太陽(yáng)能電池等類(lèi)別，本文選取其中具有代表性的四種太陽(yáng)能電池材料，進(jìn)行闡述其發(fā)展現(xiàn)狀。

1 硅基太陽(yáng)能電池

硅基太陽(yáng)能電池的本質(zhì)是半導(dǎo)體材料，按其構(gòu)成可以分成三類(lèi)，分別是，單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池以及非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。硅基太陽(yáng)能電池吸收太陽(yáng)光，通過(guò)在材料中的光電轉(zhuǎn)換進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生電流蓄積能量，完成電池的工作。在眾多太陽(yáng)能電池中，硅基太陽(yáng)能電池的技術(shù)無(wú)疑是最為成熟的，其具有光電轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)、使用方便、原料豐富等優(yōu)點(diǎn)，因此，硅太陽(yáng)能電池在今后的太陽(yáng)能電池發(fā)展中具有極大潛力。例如，松下公司制備的單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了26%，與晶體硅的理論效率29%已經(jīng)非常接近了[2]。相對(duì)單晶硅電池而言，多晶硅的成本較低，但轉(zhuǎn)換效率往往不及單晶硅。非晶硅薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率低于晶體硅太陽(yáng)能電池，而且存在光衰退的現(xiàn)象，其穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換率有待進(jìn)一步提高。

硅基太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)幾十年的研究和發(fā)展，其目標(biāo)致力于不斷降低光伏發(fā)電成本，目前已經(jīng)取得了一些成就，如單位電池中控制使用的硅基原料量，不斷提高光電轉(zhuǎn)換的效率，使用新工藝制作越來(lái)越薄的商用化電池。然而，硅基太陽(yáng)能電池的成本依然成為限制其在電池行業(yè)乃至能源產(chǎn)業(yè)中的最大因素，無(wú)論是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)還是國(guó)外市場(chǎng)都面臨巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

2 有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池

有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池，是一類(lèi)以有機(jī)材料為基礎(chǔ)的光電轉(zhuǎn)換材料。它的主要原理是利用有機(jī)化合物材料以光伏效應(yīng)而產(chǎn)生電壓，形成電流實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光向電能的轉(zhuǎn)換。有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的突出優(yōu)勢(shì)在于使用的原料為聚合物分子，其成本低廉，工藝簡(jiǎn)單，可塑性強(qiáng)，便于實(shí)現(xiàn)柔性可折疊的透明電極等。尤其在近幾十年的發(fā)展過(guò)程中，有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池材料在器件制備以及材料合成等方面得到了充分的應(yīng)用。最近的研究表明，在實(shí)驗(yàn)室條件下研究者通過(guò)不斷優(yōu)化制備條件，將有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率提升到10%以上[3]。盡管與之前提到的傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池相比還有一定的差距，如容量不夠大、規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)化效率低等，但是有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池使用的原料安全，而且原料種類(lèi)繁多可提供更大的選擇空間，這使這類(lèi)電池有著很大的應(yīng)用潛力。同時(shí)，廣大科研工作者也在積極研究，致力于開(kāi)發(fā)具有效率更高，容量更大的有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池材料。

3 染料敏化太陽(yáng)能電池

染料敏化太陽(yáng)能電池利用光敏材料如納米二氧化鈦和光敏染料，模擬自然界植物中的葉綠素進(jìn)行光合作用，將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成人們需要的電能。與其他傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池相比，染料敏化太陽(yáng)能電池的具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如制備設(shè)備易操作、制作工藝更加簡(jiǎn)單、生產(chǎn)過(guò)程中廠(chǎng)房設(shè)施中不需高潔凈度等，因此這種太陽(yáng)能電池的制作成本十分低廉，制作一塊染料敏化太陽(yáng)能電池僅為傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池的十分之一到五分之一。該電池使用的材料不僅是價(jià)格便宜，而且環(huán)保無(wú)污染，常用的材料如納米二氧化鈦、電解質(zhì)、染料等，在目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)都十分容易獲得。同時(shí)，染料敏化太陽(yáng)能電池具有普適的工作條件，對(duì)光線(xiàn)的要求較低，即使在陰天光線(xiàn)不足的情況下也能工作。因此，染料敏化太陽(yáng)能電池是一類(lèi)十分具有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的材料，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

但是，染料敏化太陽(yáng)能電池仍存一些問(wèn)題。目前，其作為電池材料的轉(zhuǎn)化效率不高，最高只有11%[4]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的其他類(lèi)電池材料。因此，要實(shí)現(xiàn)這一低成本的新型材料投入生產(chǎn)并真正使用，還需進(jìn)一步提高染料敏化太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率。另外，該類(lèi)電池使用的穩(wěn)定性低，長(zhǎng)期使用會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)換率降低乃至失效的情況出現(xiàn)，這也成為了一大限制其發(fā)展的原因?？傊雽⑦@種性?xún)r(jià)比高的太陽(yáng)能電池真正應(yīng)用在我們的日常生活中，還需要廣大科研工作者的不懈努力。

4 有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池

有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池主要以鈣鈦礦材料為代表，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料是由俄國(guó)礦物學(xué)家佩羅夫斯基發(fā)現(xiàn)的，它的晶型是一種ABX3結(jié)構(gòu)，其中X一般多為鹵素原子或氧原子，是最近十年剛剛發(fā)現(xiàn)并興起的一類(lèi)新材料。2009年世界上首次報(bào)道的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換率僅有3.8%，之后這一類(lèi)電池得到科學(xué)界廣泛的關(guān)注，2013年Science雜志將其列為十大科技突破之一，而且目前其轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)可以達(dá)到20%以上[5]。

有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦電池發(fā)展經(jīng)歷了兩個(gè)階段，分別是液態(tài)電解質(zhì)鈣鈦礦電池和全固態(tài)鈣鈦礦電池。第一種有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料在使用過(guò)程中其液態(tài)電解質(zhì)易揮發(fā)穩(wěn)定性差，因此科學(xué)家漸漸開(kāi)始將注意力轉(zhuǎn)向研究固態(tài)太陽(yáng)能電池。全固態(tài)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)很多，相對(duì)液態(tài)電解質(zhì)鈣鈦礦電池，其光電轉(zhuǎn)換效率更高，具有更大的開(kāi)路電壓。而且，彌補(bǔ)了液態(tài)電解質(zhì)存在的問(wèn)題，如易揮發(fā)、易泄漏、難封裝?？蒲泄ぷ髡哐芯渴光}鈦礦太陽(yáng)能電池從液體到固體，大大提高了其應(yīng)用性，使鈣鈦礦太陽(yáng)能電池被認(rèn)為是最有可能商用的新型太陽(yáng)能電池。

雖然目前鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率高，發(fā)展前景被人看好，但鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的使用還有一個(gè)問(wèn)題需要解決-面積過(guò)小，一般情況下其電池的面積不超過(guò)0.1cm2。因此，實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵在于制造出大面積且高效的轉(zhuǎn)換材料。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜述所述，本文針對(duì)四類(lèi)太陽(yáng)能電池的發(fā)展現(xiàn)況進(jìn)行了研究：傳統(tǒng)硅太陽(yáng)能電池工藝成熟，盡管目前得到廣泛使用，但造價(jià)昂貴；有機(jī)太陽(yáng)能電池制作過(guò)程簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)、生產(chǎn)成本低，而壽命和穩(wěn)定還需要提高；染料敏化電池制作工藝簡(jiǎn)單、原料便宜且可塑性強(qiáng)，但是轉(zhuǎn)化效率低、穩(wěn)定性差；而以鈣鈦礦為代表的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池的崛起為研究高效的太陽(yáng)能電池提供了全新思路。太陽(yáng)能電池作為一種新興材料，在解決人類(lèi)能源危機(jī)上十分具有發(fā)展前景。因此，本文主要是對(duì)各種材料的太陽(yáng)能電池進(jìn)行了現(xiàn)狀分析，希望能夠?yàn)榻窈筇?yáng)能電池材料發(fā)展提供一定的指導(dǎo)意義。