探析太陽能電池材料發展現狀

易欣欣

（長沙市南雅中學，湖南長沙，410000）

0 前言

當代社會，隨著社會經濟的快速發展，人們對資源的依賴性不斷提升，石油、天然氣、煤炭等傳統能源物質的逐漸消耗，而這些能源都屬于不可再生資源，而且已經不能滿足社會的實際需求，能源問題的嚴重性愈發顯露。目前，太陽能、地熱能、潮汐能、風能等新型能源的開發為解決能源問題提供了有效的策略，其中，太陽能在使用過程中不會對環境產生污染，而且以其取之無盡、用之不竭的顯著特點備受人們關注。太陽能又稱“光電池”，能通過光-電或光-熱-電的途徑將太陽光轉化成電能。但是，目前大多數太陽能電池存在制造成本昂貴、廢棄污染問題、能量轉換效率低和使用穩定性差等缺點，導致其在實際應用受到極大的限制。因此，開發經濟、環境友好型材料用以制備高效且穩定的太陽能電池成為了人們研究的重點[1]。按照材料的不同，太陽能電池可分為硅基太陽能電池、有機聚合物太陽能電池、無機化合物太陽能電池、有機無機雜化太陽能電池、染料敏化太陽能電池等類別，本文選取其中具有代表性的四種太陽能電池材料，進行闡述其發展現狀。

1 硅基太陽能電池

硅基太陽能電池的本質是半導體材料，按其構成可以分成三類，分別是，單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池以及非晶硅薄膜太陽能電池。硅基太陽能電池吸收太陽光，通過在材料中的光電轉換進行反應，產生電流蓄積能量，完成電池的工作。在眾多太陽能電池中，硅基太陽能電池的技術無疑是最為成熟的，其具有光電轉換效率高、壽命長、使用方便、原料豐富等優點，因此，硅太陽能電池在今后的太陽能電池發展中具有極大潛力。例如，松下公司制備的單晶硅太陽能電池的光電轉換效率達到了26%，與晶體硅的理論效率29%已經非常接近了[2]。相對單晶硅電池而言，多晶硅的成本較低，但轉換效率往往不及單晶硅。非晶硅薄膜電池的轉換效率低于晶體硅太陽能電池，而且存在光衰退的現象，其穩定性和轉換率有待進一步提高。

硅基太陽能電池經過幾十年的研究和發展，其目標致力于不斷降低光伏發電成本，目前已經取得了一些成就，如單位電池中控制使用的硅基原料量，不斷提高光電轉換的效率，使用新工藝制作越來越薄的商用化電池。然而，硅基太陽能電池的成本依然成為限制其在電池行業乃至能源產業中的最大因素，無論是國內市場還是國外市場都面臨巨大的挑戰和機遇。

2 有機聚合物太陽能電池

有機聚合物太陽能電池，是一類以有機材料為基礎的光電轉換材料。它的主要原理是利用有機化合物材料以光伏效應而產生電壓，形成電流實現太陽光向電能的轉換。有機聚合物太陽能電池的突出優勢在于使用的原料為聚合物分子，其成本低廉，工藝簡單，可塑性強，便于實現柔性可折疊的透明電極等。尤其在近幾十年的發展過程中，有機聚合物太陽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用。最近的研究表明，在實驗室條件下研究者通過不斷優化制備條件，將有機聚合物太陽能電池的轉換效率提升到10%以上[3]。盡管與之前提到的傳統硅基太陽能電池相比還有一定的差距，如容量不夠大、規模生產轉化效率低等，但是有機聚合物太陽能電池使用的原料安全，而且原料種類繁多可提供更大的選擇空間，這使這類電池有著很大的應用潛力。同時，廣大科研工作者也在積極研究，致力于開發具有效率更高，容量更大的有機聚合物太陽能電池材料。

3 染料敏化太陽能電池

染料敏化太陽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行光合作用，將太陽光轉換成人們需要的電能。與其他傳統太陽能電池相比，染料敏化太陽能電池的具有其獨特的優點，如制備設備易操作、制作工藝更加簡單、生產過程中廠房設施中不需高潔凈度等，因此這種太陽能電池的制作成本十分低廉，制作一塊染料敏化太陽能電池僅為傳統太陽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格便宜，而且環保無污染，常用的材料如納米二氧化鈦、電解質、染料等，在目前國內外市場都十分容易獲得。同時，染料敏化太陽能電池具有普適的工作條件，對光線的要求較低，即使在陰天光線不足的情況下也能工作。因此，染料敏化太陽能電池是一類十分具有實現產業化進行實際生產應用的材料，具有極大的發展潛力。

但是，染料敏化太陽能電池仍存一些問題。目前，其作為電池材料的轉化效率不高，最高只有11%[4]，遠遠低于傳統的其他類電池材料。因此，要實現這一低成本的新型材料投入生產并真正使用，還需進一步提高染料敏化太陽能電池的轉化效率。另外，該類電池使用的穩定性低，長期使用會出現轉換率降低乃至失效的情況出現，這也成為了一大限制其發展的原因?？傊?，要想將這種性價比高的太陽能電池真正應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-無機雜化太陽能電池

有機-無機雜化太陽能電池主要以鈣鈦礦材料為代表，具有十分廣闊的應用前景。鈣鈦礦結構材料是由俄國礦物學家佩羅夫斯基發現的，它的晶型是一種ABX3結構，其中X一般多為鹵素原子或氧原子，是最近十年剛剛發現并興起的一類新材料。2009年世界上首次報道的鈣鈦礦太陽能電池的轉換率僅有3.8%，之后這一類電池得到科學界廣泛的關注，2013年Science雜志將其列為十大科技突破之一，而且目前其轉換效率已經可以達到20%以上[5]。

有機-無機雜化鈣鈦礦電池發展經歷了兩個階段，分別是液態電解質鈣鈦礦電池和全固態鈣鈦礦電池。第一種有機-無機雜化鈣鈦礦材料在使用過程中其液態電解質易揮發穩定性差，因此科學家漸漸開始將注意力轉向研究固態太陽能電池。全固態鈣鈦礦太陽能電池的優點很多，相對液態電解質鈣鈦礦電池，其光電轉換效率更高，具有更大的開路電壓。而且，彌補了液態電解質存在的問題，如易揮發、易泄漏、難封裝?？蒲泄ぷ髡哐芯渴光}鈦礦太陽能電池從液體到固體，大大提高了其應用性，使鈣鈦礦太陽能電池被認為是最有可能商用的新型太陽能電池。

雖然目前鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化效率高，發展前景被人看好，但鈣鈦礦太陽能電池的使用還有一個問題需要解決-面積過小，一般情況下其電池的面積不超過0.1cm2。因此，實現鈣鈦礦太陽能電池的關鍵在于制造出大面積且高效的轉換材料。

5 結束語

綜述所述，本文針對四類太陽能電池的發展現況進行了研究：傳統硅太陽能電池工藝成熟，盡管目前得到廣泛使用，但造價昂貴；有機太陽能電池制作過程簡單易實現、生產成本低，而壽命和穩定還需要提高；染料敏化電池制作工藝簡單、原料便宜且可塑性強，但是轉化效率低、穩定性差；而以鈣鈦礦為代表的有機-無機雜化太陽能電池的崛起為研究高效的太陽能電池提供了全新思路。太陽能電池作為一種新興材料，在解決人類能源危機上十分具有發展前景。因此，本文主要是對各種材料的太陽能電池進行了現狀分析，希望能夠為今后太陽能電池材料發展提供一定的指導意義。