薄膜太陽能電池的研究探討

王睿(吉林大學 材料科學與工程學院 吉林 長春 130025)

地球資源匱乏，科學家們將眼光放在了太陽能電池的研究上。現在普遍運用的是晶體硅太陽能電池，但是晶體硅由于制作復雜，很難大規模應用在市場上。薄膜太陽能電池成為科學家們新的研究重點。薄膜太陽能實現光電轉換只需要幾微米的厚度，能夠大量降低生產成本，提高光子循環的效率。

一、硅薄膜太陽能電池

提高轉化效率和降低生產成本是太陽能電池開發的關鍵問題。單晶硅太陽能電池制作過程繁瑣，成本非常高，應用得到了很大的限制。因此，科學家們研究非晶硅薄膜太陽能以及多晶硅太陽能電池。

1.非晶硅材料薄膜太陽能電池

非晶硅材料薄膜太陽能電池使用非晶硅半導體，加入不銹鋼、陶瓷、特種塑料、玻璃等材料。可以通過等離子提高化學氣相沉積法、低壓化學氣相沉積法、反應濺射法的方法制作非晶硅材料薄膜太陽能電池。通過對非晶硅材料進行研究發現，等離子化學氣相沉積法應用最為廣泛。

非晶硅薄膜制作成本低，因此是合適的太陽能電池材料。它的光學帶隙和太能光不匹配，因此降低了非晶硅薄膜太陽能的轉化率，還出現了光照時間越長轉化率越低的現象。

2.多晶硅太陽能電池

多晶硅材料太陽能電池主要通過將多晶硅薄膜放在低成本的襯底材料的方法，用晶體硅層作為激活層。這種方法最大的好處就是減少了材料的使用量，降低了生產成本。通常我們采取制作的方法有等離子噴涂法、激光晶化法、固相晶化法、金屬誘導晶體法、液相外延法、化學氣相沉積法等。通過實際的研究應用發現，多晶硅電池的轉化效率已經接近了單晶硅的轉化率。日本三菱公司研發的多晶硅薄膜太陽能轉化率達到了16.5%，德國研制的多晶硅的轉化率已經達到了19%。

二、多元化合物薄膜電池

由于硅薄膜太陽能轉化效率有限，因此近年來大量開發了新型無機、多元化合物為主的材料的太陽能電池。

1.CdTe薄膜太陽能電池

這種電池是多晶薄膜電池的一種，結構簡單，成本低廉，可研究性大。CdTe有自補償效應，實用電池多是異質結構，CdS晶格常數差別小，與 CdTe結構相同，經常用作 CdTe電池的窗口材料。CdTe電池主要有以下的制備技術電化學沉積法、濺射法、真空蒸鍍法。 這種電池的轉化率已經達16.5%，電池廣泛應用在大面積組件產品。科學家已經探討了大面積生產 CdTe電池的技術，并且提出室溫下刻蝕 CdTe，制作出背電極低的摻銅濃度是關鍵。

2.CIS薄膜太陽能電池

CIS是三元化合物，0.5微米的CIS即可吸收將近百分之九十的太陽能光子，在實際中，需要薄薄的一層即可滿足需要，有效的降低了成本。CIS配合上其他元素可以有效的接近太陽光的最好禁帶寬度，是非常實用有前景的太陽能電池材料。調整 In/Ga的比值可以有效的轉換材料的禁帶寬度，提高轉化率。現在實驗室已經研究出了19%轉化率的CIS太陽能電池。CIS電池最常見的制作方法是電化學沉積法、濺射法、真空蒸鍍法，電沉積法是最常見的方法，適合工業水平生產。在進行電沉積法操作的時候，首先使用電沉積方法制備出CIS前驅體，第二步在將電沉積方法進行熱處理。

CIS太陽能電池是被看好的具有發展前景的太陽能電池，提高轉化率、降低成本等問題克服以后，能夠對太陽能電池做出巨大貢獻。

三、納米晶薄膜太陽能電池

1.T iO2太陽能電池

T iO2沒有毒性，價格便宜，穩定抗腐蝕，是一種良好的半導體材料。一般的 T iO2吸收太陽光能力很低，進行敏化以后的T iO2能夠提高對太陽光的轉化率。摻雜質敏化可以用濺射方法摻入N進行 T iO2的敏化，能夠拓寬 T iO2的吸收光譜。染料敏化也是常見的方法，利用 T iO2納米晶薄膜的特性，吸收有機或者無機的材料提高太陽光的轉換率。染料敏化成本低廉，制作簡單，低能耗，這些優點都符合社會發展的需要。

2.ZnO納米晶薄膜電池

ZnO同樣是寬禁的半導體材料，制備過程更加簡單，能夠有效降低成本，減少電子的傳送時間。在實際中 ZnO的轉化率很低，主要是因為 ZnO薄膜比表面積小，能夠吸附的染料少。為了提高 ZnO的轉化率，進行新的研究，努力提高 ZnO的吸附能力，主要是低溫水熱法、電沉積自組裝法、機械擠壓法、手術刀印刷法等。

3.有機薄膜太陽能電池

這種電池通過三個程序進行制作：（1）激發光產生激子；（2）激子在受體界面分裂；（3）空穴和電子漂移，在各自的電極進行收集。目前有機薄膜太陽能電池有三種，單質結構制作簡單，價格便宜，但是對于電極依賴太強；雙層 p-n異質結構運載的電子數量有限，嚴重限制了光電轉化率；p型-n型是將兩種半導體材料混合而制造的材料。有機薄膜電池在開發上仍需要克服很多難關，提高太陽能的轉化率。

總結

薄膜太陽能電池能夠很好的緩解地球資源危機，幫助人類利用太陽能進行日常生活，為社會的發展提供了前進的動力，給人類帶來巨大的效益。薄膜太陽能電池在研究和生產的過程中還有很多難題，需要廣大的科研工作者繼續努力，降低太陽能電池的成本，使太陽能電池能夠普遍使用，拓寬禁帶寬帶，提高太陽能轉化率，積極研究新材料，創造更多的太陽能電池。

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