新型太阳能电池关键材料研究及其进展

摘 要：在太阳能的有效利用中，光伏发电是近些年来发展最快、最具活力的研究领域。新型太阳能电池在成本方面比晶体硅太阳能电池具有很大的成本优势，因此新型太阳能电池成为新的主要研发方向。本文主要介绍硅基薄膜电池、碲化镉太阳电池、聚合物太阳电池、量子点太阳电池等新型太阳电池的特点及其关键材料研究进展。

关键词：太阳能电池；薄膜；转换效率

1 硅基薄膜太阳电池

相对于单晶硅太阳能电池，非晶硅薄膜太阳能电池具有诸多优点使之成为一种优良的光电薄膜光伏器件。自1976年美国的Carlson和Wronski制备出第一个非晶硅太阳能电池，非晶硅太阳能电池就成为世界各国太阳电池的研究重点。

目前a-Si单结太阳能电池的最高转换效率为13.2%，但单结非晶硅薄膜太阳能电池不能完全利用太阳能，只能将有限的太阳光谱波段转换成太阳能，因此采用分波段利用太阳能光谱来提高光电转换效率的叠层电池结构成为发展趋势。

2 碲化镉太阳电池

碲化镉薄膜太阳能电池是薄膜太阳电池中发展较快的一种光伏器件。美国南佛罗里达大学于1993年用升华法在1cm²面积上做出转换效率为15.8%的太阳电池；随后，日本Matsushita Battery研究的CdTe小面积电池在实验室里的最高转换效率为16%，成为当时碲化镉薄膜太阳能电池的最高纪录。

近年来，太阳电池的研究方向是高转换效率、低成本和高稳定性。因此，以碲化镉薄膜太阳能电池为代表的薄膜太阳电池倍受关注。西门子开发的面积为3600cm²的碲化镉薄膜太阳能电池转换效率达到11.1%；美国国家可再生能源实验室公布了Solar Cells公司的面积为6879cm²的碲化镉薄膜太阳能电池的转换效率达7.7%；Bp Solar的碲化镉薄膜太阳能电池面积为4540cm²，转换效率为8.4%，面积为706cm²，转换效率达到10.1%；Goldan Photon的碲化镉薄膜太阳能电池，面积为3528cm²，转换效率为7.7%。

国际上许多国家的CdTe电池已由实验室研究阶段开始走向规模工业化生产。1998年美国碲化镉薄膜太阳能电池产量只有0.2MW，而在2010年，美国第一光伏的年CdTe生产量达到了2.2GW，商业模块平均效率为11.7%。

3 聚合物太阳电池

聚合物太阳电池具有成本低、重量轻、制作工艺简单（可采用简单溶液旋涂、喷墨打印等方法加工）、可制备大面积柔性器件等突出优点而备受关注。另外有机材料种类繁多、可设计性强，有希望通过材料设计和器件结构的优化来提高太阳电池的性能。一旦在电池光电转化效率和稳定性方面取得进一步突破，将极大地改进目前的能源结构，引发一场新的能源革命，其市场前景将十分巨大。

在过去的20多年里，聚合物太阳电池从电池给受体材料的设计合成到器件结构及界面的优化都取得了长足的发展，聚合物太阳电池的光电转化效率在实验室已经超过10%。根据模拟预测，当器件的能级结构、材料的带隙及迁移率都处于同时优化的器件中，本体异质结聚合物/富勒烯太阳电池的效率可达12%，叠层器件的效率可达20%。

4 量子点太阳电池

新一代太阳电池的实现需要引入各种新概念以及新结构。量子点是实现新一代太阳电池的重要结构之一，是指半径小于或接近激子波尔半径的零维半导体纳米晶，通常由Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族元素组成。量子点独特的性质源于材料的量子效应，即当颗粒尺寸进入纳米量级时，尺寸限域将引起库仑阻塞效应、尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应等。量子点材料体系具有与宏观体系不同的低维物性，展现出许多不同于宏观体材料的物理化学性质。在发光显示、激光照明、生物标记、催化、医药和太阳电池等方面具有广阔的应用前景。

Nozik研究组在光电转换效率约为4.5%的PdSe胶体量子点太阳电池中证实了130%的内量子效率，从而首次证明能够在太阳电池器件中真正利用多激子效应。另外，人们在金红石型TiO2单晶（110）面上吸附PbSe胶体量子点，通过对PbSe胶体量子点进行合适的表面配体处理，证明了热载流子注入现象的存在。上述重要研究成果充分证明了量子点应用于新型电池的优越性，吸引了众多研究者的广泛兴趣，必将大力推动量子点的太阳电池的迅速发展。作为一种带有鲜明21世纪特征的纳米技术，量子点材料给我们带来了实现高效绿色和低成本太阳能电池的希望，具有深刻的科学与社会意义。

5 结论

本文首先介绍了目前我们面临的能源环境状况及利用太阳能的优势，然后从硅基薄膜电池、碲化镉太阳电池、铜铟镓硒太阳电池、染料敏化电池、聚合物太阳电池、量子点太阳电池等新型太阳电池入手，分别分析了它们的发展历程和研究现状。

阳光是一种清洁、取之不尽的能源，在不同的时期，我们对它利用的方式各不相同，从最初的使用光合作用到化石燃料的使用，一直到未来我们大规模使用太阳电池时，必将又是一场能源上的革命。

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