太陽電池的種類及光電轉換效率的研究

刁春麗 婁廣輝

1 河南大學物理與電子學院（475004） 2 河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

太陽電池的種類及光電轉換效率的研究

刁春麗1婁廣輝2

1 河南大學物理與電子學院（475004） 2 河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

隨著光伏技術的發展，光電材料成本不斷下降，光電轉換效率逐漸提高，太陽能光伏發電作為一種綠色、可再生的發電方式越來越顯現出其優越性。這里介紹了太陽能電池的種類和研究現狀，分析太陽能板材料對光電轉換效率的制約，從結構改進和創新、開發新材料等方面探討進一步提高光電轉換效率的方法，為今后太陽能行業的研究發展提供思路。

太陽能電池；種類；光電轉換效率

由于環境污染和能源緊缺等問題日益突顯，尋找安全、清潔、廉價、可再生新能源已成為當前人類面臨的任務。其中太陽能以其獨有的優勢而成為人們關注的焦點。[1]在太陽能的有效利用當中，太陽能光伏發電是近些年來發展最快、最具活力的研究領域。過去10年光伏發電產業的年平均增長率在40%以上,2013年增速放緩,但世界光伏產量已突達40 GW。在中國，由于政府的大力支持，太陽能光伏技術項目享受較多優惠政策，調動了企業的積極性，光伏產業得以迅速發展。目前，我國已經成為太陽能電池生產第一大國，太陽能電池市場占有率已超過全球總產量的50%。

1 太陽能電池的種類

制作太陽能電池主要是以半導體材料為基礎，其工作原理是利用光電材料吸收光能后發生光電轉換反應，根據所用材料的不同，太陽能電池可分為：①硅太陽能電池；②以無機鹽如砷化鎵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太陽能電池;④納米晶太陽能電池等。

1.1 硅太陽能電池

當前,太陽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電材料，它被用做人造衛星、太陽能汽車的電源以及城市路燈或街頭時鐘的電源。目前，單晶硅電池工藝已近成熟，提高其光電轉換效率主要靠單晶硅表面微結構處理和分區摻雜工藝。在光照充足的最佳角度，單晶硅電池的光電總轉換效率可以達到20%～24%，有可能提高到25%。[2]盡管單晶硅電池具有電池轉換效率高、穩定性好的特點，但由于單晶硅生產工藝復雜，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模推廣太陽能電池是很難的。

多晶硅原料是半導體工業和光伏產業共同的上游原材料，太陽能電池生產的原料是半導體工業的邊角廢料。多晶硅光電池的轉換效率不如單晶硅。隨著光伏產業的進一步發展，多晶硅的需求量會越來越大。多晶硅太陽能電池制備的技術關鍵是結晶工藝，現在幾乎所有制備單晶硅高效電池的技術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的主導產品。[3]

非晶硅光電池一般是采用高頻輝光放電技術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，其商品化產量連續增長，居薄膜電池前幾位。非晶硅光電池小面積的轉換效率已提高到14.6%,大面積生產的轉換效率為8%～10%[4]。非晶硅電池將發展為太陽能電池的主要產品之一，有很好的市場前景。但目前存在硅材料緊缺和成本價格高的問題。

1.2 無機化合物太陽能電池

無機多元化合物太陽能電池主要是以無機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能電池,其中研究最多的是CuInSe2(CIS)和Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜太陽電池。[5]目前，美國再生能源試驗室（NREL）保持CIGS薄膜太陽能電池光電轉換效率的世界最高記錄[6]，轉換效率為19.5%。研究表明，CIGS薄膜太陽能電池發展的關鍵技術是將吸收層厚度降至1 μm或更薄，以減少稀有金屬In、Ga的用量，降低成本，提高生產力。緩沖層CdS的制備是批量生產的瓶頸,目前使用的CdS薄膜中含高污染金屬——鎘,對環境產生一定的不利影響，所以CdS的應用將越來越制約CIGS的批量生產。為了解決以上問題，研究人員一直在研究新的有利于批產的緩沖層制備方法，同時還在積極研制不含鎘的綠色材料替代CdS。

1.3 有機太陽能電池

一些π-共軛聚合物，如聚乙炔（PA）、聚噻吩（m）、青(cyanine)染料等在經過摻雜等工藝處理后表現出半導體的性質。從此，有機太陽能電池引起了人們的廣泛關注。相對于傳統的太陽能電池，有機太陽能電池以其材料來源廣泛、成本低、耗能少、輕薄、易于大規模生產等突出優勢顯示了很大的開發潛力，成為近十幾年國內外研究的熱點。美國Polyera公司制備的聚合物/富勒烯有機太陽能電池轉換效率達9.1%。但與無機太陽能電池相比，有機太陽能電池的轉換效率低，使用壽命短，限制了其市場化進程。

1.4 納米晶太陽能電池

納米晶太陽電池采用的是無機-有機復合體系，有效地把納米技術與太陽能電池結合。首先采用無機納米粒子制備多孔的薄膜，然后在薄膜的微孔中修飾有機染料分子或無機半導體粒子作為光敏劑，光敏劑吸收入射光后產生電子-空穴對，通過半導體顆粒使電荷轉換效率提高。納米晶太陽能電池制備工藝簡單，其制作成本僅為單晶硅電池的1/ 5，具有明顯的價格優勢。因其相對低廉的價格、簡單的制作工藝和潛在的高光電轉換效率，有可能取代傳統硅系太陽能電池，成為太陽能電池發展的新方向。

2 光電材料對光電轉換效率的制約

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光只有一部分能被吸收，進而發生光電轉換，并且只有對一種材料對應的峰值波長光子表現出較高的轉換效率，這樣就制約了太陽能的充分利用和向電能的高效轉換。硅光電池對波長在0.4～1.15 μm區域中的光子能有效吸收，進行光電轉換,并且只在峰值0.8 μm左右光電轉換率最大;鍺光電池則只能對波長在0.5 μm左右很窄范圍內的入射光子高效吸收利用。

2.2 材料內部載流子的復合造成的限制

受光照的P-N結，所激發出的電子-空穴對有存在結區的，也有在P區、N區的。在結區的電子-空穴對很容易被內建電場分離，從而在勢壘兩側形成電荷積累；但是產生于P區或者是N區的電子-空穴對就要通過濃度梯度導致的擴散到達結界面處，之后內建電場才能把它們分開。這就導致產生于P區或者是N區的電子-空穴對只有滿足離P-N結的距離小于它的擴散長度，才有一定的概率能夠擴散到結界面處，對電荷積累有貢獻。實際上，對于光電池中普遍使用的硅、鍺，由于材料P-N結結構以及載流子壽命的原因，導致在材料吸收的有限光子中只有部分能對最終光生電流的產生做出貢獻，進一步地阻礙了光電轉換效率的提高。

3 提高太陽能電池轉換效率的方法

太陽能電池的轉換效率是首要的關鍵指標，決定著電池的成本、質量、材料消耗、輔助設施等許多因素。為了提高轉換效率，目前人們主要從以下兩個方面進行研究。

3.1 通過結構改進和創新來提高轉換效率

對現有的太陽能電池材料進行結構改進和創新來調整禁帶寬度，提高載流子壽命，從而提高光電轉換效率。例如:1）疊層結構。把不同禁帶寬度的材料組合在一起，擴大了光譜的響應范圍，提高轉換效率。2）自動追光系統。太陽能電池板的發電量與太陽光入射角有關，當太陽光線與太陽電池板平面垂直時轉換率最高。采用自動追光系統，光線方向一旦發生細微改變，太陽電池板時刻隨著太陽光照方向的改變調整到與光線垂直，比常規太陽能設備發電量提高40%。[7]3）量子點超晶格結構。針對一般材料光譜特性導致的只對入射光中的部分高效率吸收利用，可以采用新發展的量子點超晶格結構來有效解決，在傳導帯上形成微能帶，使利用各種波長的光成為可能。

3.2 開發新材料提高太陽能電池轉換效率

太陽能材料研究對太陽能光伏發電技術發展起著決定性的作用。每一種新材料的出現，都給太陽能電池及太陽能光電利用帶來一次變革。新材料的開發雖然困難很多，但卻是生產低成本、高效率太陽能的重要研究課題。一旦材料上獲得突破，將極大推進太陽能電池產業化步伐。光合作用把陽光轉化為化學能的效率，幾乎達到百分之百。這種神奇、高效的光能轉化效率，促使科學家開始深入發掘光合作用的復雜機理以期有助于改進太陽能發電技術。科研人員利用納米材料在試驗室中成功研制出一種與葉綠體結構相似的新型電池——染料敏化太陽能電池,以極其低廉的成本實現光能發電。

目前這種仿生太陽能電池的光電轉化效率的世界最高水平已超過11%。[8]

4 結論

隨著新材料、新工藝的不斷出現，太陽能電池的效率及穩定性等將會得到進一步提高。太陽能光伏發電量在21世紀的能源比例將逐漸加大。雖然當前光伏業產能過剩對行業的發展造成了較大的沖擊與影響，但從長遠來看，有利于光伏企業降低建設成本，加快產業結構優化調整，促進產業持續健康發展。如果光伏發電成本可降到1元/Kw·h以內，那么，憑著其無可比擬的清潔、安全、環保的獨特優勢,光伏發電將在經濟性上同樣具備商用價值，在生產和生活中將有越來越多的太陽能光伏產品被應用。

[1]太陽能光伏產業發展專題研究[J].電子工業專用設備, 2008,4(159):19～27.

[2]馬文會,戴永年,楊斌,等.加快太陽能級硅制備新技術研發促進硅資源可持續發展[J].中國工程科學,2005(S):91～94.

[3]Robert W.Birkmire,Erten Eser,POLYCRYSTALLINE THIN FILM SOLAR CELLS:Present Status and Future Potential[J].Annu.Rev.Mater.Sci.,1997,27:625～653.

[4]張銳.薄膜太陽能電池的研究現狀與應用介紹[J].廣州建筑,2007(2):8～10.

[5]王希文,方小紅.銅銦鎵硒薄膜太陽電池及其發展[J].可再生能源,2008,26(3):13～16.

[6]CONTRERAS M A,R AMANATHAN K,ABUSHAMAJ, et al.Diode characteristics in state-of-the-art ZnO/CdS/ Cuin1-xGaxSe2solar cells[J].Prog.in photo-voltaics:Res. Appl,2005,13:209.

[7]陸項羽,吳振磊.世博城市未來館太陽能光伏面板安裝完成[J].華東電力,2009,12:2073.

[8]Yasuo C,Ashrafui I,Yuki W,et al.Dye-sensitized solar cells with conversion efficiency of 11.1%.Jpn.J.Appl. Phys.,2006,45(60):638～640.