新型太陽能電池關鍵材料研究及其進展

王曼星

（成都理工大學工程技術學院,四川 樂山 614000）

1 硅基薄膜太陽電池

相對于單晶硅太陽能電池，非晶硅薄膜太陽能電池具有諸多優點使之成為一種優良的光電薄膜光伏器件。自1976年美國的Carlson和Wronski制備出第一個非晶硅太陽能電池，非晶硅太陽能電池就成為世界各國太陽電池的研究重點。

目前a-Si單結太陽能電池的最高轉換效率為13.2%，但單結非晶硅薄膜太陽能電池不能完全利用太陽能，只能將有限的太陽光譜波段轉換成太陽能，因此采用分波段利用太陽能光譜來提高光電轉換效率的疊層電池結構成為發展趨勢。

2 碲化鎘太陽電池

碲化鎘薄膜太陽能電池是薄膜太陽電池中發展較快的一種光伏器件。美國南佛羅里達大學于1993年用升華法在1cm2面積上做出轉換效率為15.8%的太陽電池；隨后，日本Matsushita Battery研究的CdTe小面積電池在實驗室里的最高轉換效率為16%，成為當時碲化鎘薄膜太陽能電池的最高紀錄。

近年來,太陽電池的研究方向是高轉換效率、低成本和高穩定性。因此,以碲化鎘薄膜太陽能電池為代表的薄膜太陽電池倍受關注。西門子開發的面積為3600cm2的碲化鎘薄膜太陽能電池轉換效率達到11.1%；美國國家可再生能源實驗室公布了Solar Cells公司的面積為6879cm2的碲化鎘薄膜太陽能電池的轉換效率達7.7%；Bp Solar的碲化鎘薄膜太陽能電池面積為4540cm2，轉換效率為8.4%，面積為706cm2，轉換效率達到10.1%；Goldan Photon的碲化鎘薄膜太陽能電池，面積為3528cm2，轉換效率為7.7%。

國際上許多國家的CdTe電池已由實驗室研究階段開始走向規模工業化生產。1998年美國碲化鎘薄膜太陽能電池產量只有0.2MW，而在2010年，美國第一光伏的年CdTe生產量達到了2.2GW，商業模塊平均效率為11.7%。

3 聚合物太陽電池

聚合物太陽電池具有成本低、重量輕、制作工藝簡單（可采用簡單溶液旋涂、噴墨打印等方法加工）、可制備大面積柔性器件等突出優點而備受關注。另外有機材料種類繁多、可設計性強，有希望通過材料設計和器件結構的優化來提高太陽電池的性能。一旦在電池光電轉化效率和穩定性方面取得進一步突破，將極大地改進目前的能源結構，引發一場新的能源革命，其市場前景將十分巨大。

在過去的20多年里，聚合物太陽電池從電池給受體材料的設計合成到器件結構及界面的優化都取得了長足的發展，聚合物太陽電池的光電轉化效率在實驗室已經超過10%。根據模擬預測，當器件的能級結構、材料的帶隙及遷移率都處于同時優化的器件中，本體異質結聚合物/富勒烯太陽電池的效率可達12%，疊層器件的效率可達20%。

4 量子點太陽電池

新一代太陽電池的實現需要引入各種新概念以及新結構。量子點是實現新一代太陽電池的重要結構之一，是指半徑小于或接近激子波爾半徑的零維半導體納米晶，通常由Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族元素組成。量子點獨特的性質源于材料的量子效應，即當顆粒尺寸進入納米量級時，尺寸限域將引起庫侖阻塞效應、尺寸效應、量子限域效應、宏觀量子隧道效應和表面效應等。量子點材料體系具有與宏觀體系不同的低維物性，展現出許多不同于宏觀體材料的物理化學性質。在發光顯示、激光照明、生物標記、催化、醫藥和太陽電池等方面具有廣闊的應用前景。

Nozik研究組在光電轉換效率約為4.5%的PdSe膠體量子點太陽電池中證實了130%的內量子效率，從而首次證明能夠在太陽電池器件中真正利用多激子效應。另外，人們在金紅石型TiO2單晶（110）面上吸附PbSe膠體量子點，通過對PbSe膠體量子點進行合適的表面配體處理，證明了熱載流子注入現象的存在。上述重要研究成果充分證明了量子點應用于新型電池的優越性，吸引了眾多研究者的廣泛興趣，必將大力推動量子點的太陽電池的迅速發展。作為一種帶有鮮明21世紀特征的納米技術，量子點材料給我們帶來了實現高效綠色和低成本太陽能電池的希望，具有深刻的科學與社會意義。

5 結論

本文首先介紹了目前我們面臨的能源環境狀況及利用太陽能的優勢，然后從硅基薄膜電池、碲化鎘太陽電池、銅銦鎵硒太陽電池、染料敏化電池、聚合物太陽電池、量子點太陽電池等新型太陽電池入手，分別分析了它們的發展歷程和研究現狀。

陽光是一種清潔、取之不盡的能源，在不同的時期，我們對它利用的方式各不相同，從最初的使用光合作用到化石燃料的使用，一直到未來我們大規模使用太陽電池時，必將又是一場能源上的革命。

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