基于無機化合物類的薄膜太陽能電池材料的研究

劉輝文

摘 要：隨著近些年來我國現代化建設水平的不斷提升，各行各業對于各種能源的需求量也在不斷提升。由于火力發電對于環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用效率已經成為了當務之急，而作為研究較為成熟、應用較為廣泛的能源之一，太陽能的應用也就成為了研究的核心。本文結合當前我國基于無機化合物類型的薄膜太陽能電池材料的技術發展應用現狀，就其應用技術與傳統太陽能的比對優勢以及無機化合物材料在其中的具體作用進行簡要分析，以期能夠促進行業的進步與發展，同時為我國的現代化建設提供新的思路與技術。

關鍵詞：無機化合物 薄膜太陽能 電池材料

中圖分類號：TM914.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（a）-0099-02

作為人類發展過程中必須要面對的基本問題，能源與環境這兩種元素也逐漸成為了限制人類發展的關鍵因素。在社會不斷進步與發展過程中，人類對于能源的需求量不斷提升，石油價格的不斷走高以及整體儲量的不斷衰竭也預示著能源危機即將到來，除了選擇可再生能源外人類已經別無選擇。作為生命活動的根本能源，太陽能的綜合利用也當之無愧成為了人們關注的焦點。

1 薄膜太陽能電池技術應用現狀

人們都知道，太陽能電池的基本原理是光伏效應，通過光照照射在半導體或者半導體與金屬結合的部分產生相應的電位差來趨勢電子順向移動從而產生了電流，這種效應自發現以來就被廣泛應用于科研領域，但是在實際使用中由于科技發展的局限性以及成本和使用壽命等方面的問題，太陽能技術一直受到各種制約而無法獲得有效的普及與發展。在典型的太陽能電池模型中，光子入射到半導體的PN結處，通過PN結的電極變化出現相應的輸出功率電壓值，從而導致電子和空穴出現相反方向的分離，隨著這個過程的不斷深入與延續也就出現了電荷的積累，最終出現電勢差，將這種電勢差視為電源，街上導線即可直接作為能源為人類使用。

與傳統的硅晶半導體太陽能電池類似，薄膜太陽能電池也是通過光伏效應來實現電荷累積出現點位差的效果實現電池的實際作用，但是在應用過程中我們發現，薄膜太陽能電池由于具有較強的吸光性，所以在綜合光電轉換效率上要遠遠高于常規的傳統硅晶半導體材料，再加上在硅晶半導體的生產成本較高，材料來源限制性也較強，所以在推廣與普及方面顯然不存在任何優勢，而無機薄膜材料的原料來源十分廣泛，再加上加工流程十分簡單，所以具有較強的發展潛力。當前我國在太陽能薄膜電池領域存在不同的分類，包括無機化合物類、材料敏化類以及有機和硅基等不同的種類，即使是同一種類不同種材料對于太陽能的光電轉換效率以及使用特點也具有不同的特征，本文也結合當前國內主要幾種無機化合物類材料的技術應用現狀，淺析太陽能薄膜電池的應用現狀與前景。

2 無機化合物類材料在薄膜太陽能電池技術中的應用分析

當前我國無機化合物類材料在薄膜太陽能電池技術應用的種類不下上百種，但是理論建設較為完善同時已經具有一定經濟價值的主要分為以下幾種類型。

2.1 銅銦硒薄膜太陽能電池

銅銦硒作為一種三元化合物，其主要是通過黃銅礦以及閃鋅礦兩種具有同素異形結構的晶體融合而來，由于這兩種物質廣泛存在于我國的西南部地區，所以具有較大的發展潛力以及較低的成本價格。在該晶體結構內部，由于存在帶隙半導體，同時帶隙為1.1eV，所以十分適合太陽光的光電轉換，另外由于cis薄膜太陽能在使用過程中并不像傳統的硅晶半導體那樣具有明顯的衰減周期，所以可以作為太陽能半導體材料使用。另外，價格低廉、工藝簡單以及無光誘導衰變現象等都是銅銦硒薄膜太陽能電池的優勢。

當前國際上對于銅銦硒薄膜太陽能電池所進行的實驗與研究較為廣泛，理論基礎也較為完善，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在玻璃以及其他廉價的沉底上實現依次沉積的方式獲得多層薄膜，由于可以進行批量生產，所以其應用的效果也較好，一些發達國家已經實現了銅銦硒薄膜太陽能電池的量產，比如說德國人通過以銅片為基底制備薄膜太陽能電池卷的方式來實現電池的穩定化以及大面積生產化。而日本著名的昭和石油公司還開發出了高達800m2的轉化效率不低于15%的銅銦硒薄膜太陽能電池，可見該種無機材料的應用前景十分光明。

2.2 碲化鎘薄膜太陽能電池

碲化鎘是Ⅱ—Ⅵ族化合物半導體材料，由于帶隙1.5eV，所以與太陽的光譜十分契合，同時也具有較強的光電轉化效率，被視為一種穩定的光伏材料。通過理論計算我們得知，碲化鎘具有超過28%的光電轉換理論效率，遠遠高于普通硅晶半導體材料太陽能電池的15%，同時還可以通過大面積薄膜的沉積來提升生產的效率，是當前最接近量產的太陽能無機化合物材料薄膜技術之一。在使用過程中，碲化鎘太陽能電池通過異質結來實現晶格常數的變化，這樣一來就可以表現出平時所不具備的優良電學性能，為提升太陽能電池的填充效果奠定了可靠的基礎。

當前碲化鎘薄膜電池的生產工藝主要有絲網印花燒結以及真空蒸發等方法，個別情況下還會使用近空間升華以及濺射等方法。

值得注意的是，碲化鎘薄膜電池發展過程中受到有毒元素以及礦藏量等方面的影響，其發展受到了較大局限，直接影響了研究價值以及相應的應用范圍。

2.3 砷化鎵薄膜太陽能電池

砷化鎵屬于Ⅲ-Ⅴ化合物，在應用于光伏產業時具有十分明顯的電光學性能優勢，其能隙恰好為1.4eV，這與太陽光的吸收值完全相同，從而有效提升了對太陽光譜的匹配度，在使用過程中科學家們還發現，由于砷化鎵的晶格結構較為緊密，所以具有優良的耐高溫性能，這是其他無機材料在應用于薄膜太陽能電池過程中所不具備的。要知道，長期暴露于太陽下如果不具備優良的熱穩定性就會出現逐步分解，造成整體化學性質不穩定最終導致喪失光電轉化能力。所以砷化鎵是一種較為理想的無機化合物類光伏材料。在實驗室中，美國科學家也已經通過實驗數據證明了這一點，目前全球砷化鎵薄膜太陽能電池最高的光電轉換效率高達33%，遠遠高于其他種類的太陽能光伏材料。

不得不承認，由于砷化鎵屬于劇毒，再加上在實際生活中這些材料都屬于稀缺材料，所以在發展過程中具有一定的局限性。另外，該種無機材料屬于聚光性材料，只有在透鏡焦點附近才能夠實現良好的光電轉化，一旦出現偏移就會大大降低光電效率，影響電池性能。而過分依賴聚焦又會縮減電池的整體光照面積，顯然這個問題如果不解決，該種電池依然沒有用武之地。

3 結語

綜上所述，太陽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展速度與規模，同時也會影響到各行各業的發展穩定性與發展前景。就當前我國太陽能電池的發展現狀而言，絕大多數電池依然是使用硅晶太陽能電池，但是由于這種太陽能電池需要較高的工藝處理才可以實現一定的吸收比率，同時還具有造價成本高以及材料來源局限等問題，所以影響到了太陽能行業的普及與發展。為了解決這個問題，選擇大量存在于地表表面的無機材料制作薄膜太陽能電池不但可以解決成本問題同時還可以提升光電轉換效率，從而為人們的生產生活提供源源不斷的能源的同時更是可以促進我國現代化建設與發展。

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