0910020113太阳能电池研究新进展

太阳能电池研究新进展0910020113 杨再辉 物理一班摘 要 ：能源是目前世界上人们最为关注的问题之一。 地球上已探明的化学燃料能源，如石油、天然气、煤等 , 日趋枯竭。同时化学燃料能源的使用 , 有毒气体和温室气体的大量排放对生态环境产生了严重的破坏。 针对于此 , 众多国家纷纷提出了各自的绿色再生能源计划。 具有清洁可再生、 优势的太阳能电池已经越来越受到人们的关注。 本文综述了太阳能电池的种类， 并就其研究现状、 存在的问题、解决的途径以及发展趋势等做了一些分析。关键词： 太阳能电池 研究现状 最新进展1、引言太阳能是目前世界上可以开发的最大能源 , 而且洁净无污 , 日益成为绿色能源的首选。 太阳能电池是一种可以直接将太阳能转化成电能的光学器件 , 它具有清洁性、 永久性和灵活性三大优点， 是太阳能利用的重要手段之一。 自从第一块硅单晶 PN结 SC 于 1954 年在贝尔实验室问世 , 半个多世纪以来 , 人们对 SC 的研究经久不衰 . 迄今为止 , 已使用多种材料的单晶、 多晶、 无定形和薄膜形式制造出各种器件结构的太阳能电池。2、太阳能电池的分类根据太阳能电池的材料以及原理主要分为如下几类：1. 硅太阳 能电池：单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池；2. 化合物半导体薄膜电池： CdTeCdTeCdTe、 CIGSCIGSCIGS、 GaAsGaAsGaAs 等；3. 有机太阳 能电池：聚合物 、有机半导体。4. 新型太阳 能电池：染料敏化太阳能电池等半导体系太阳能电池的主要原理为 PN 结的 光伏特效应。 在半导体结的 光伏特效应。在半导体 PN 结中， N 型导体 中的自由电子相 P 型半导体中扩散，同时空穴做反方向运动 , 通常结得载流子的和复合是平衡的 , 不会产生电流。 若受到光辐射作用 N型半导体受激产生自由电子并向 型半导体受激产生自由电子并向 P 型半 导体运动，同时 P 型半导体受激产生的空穴向 型半导体受激产生的空穴向 N 型半导体运动，因此在 PN结内部形成内电场。 若加上外电路就会有负载电压。染料敏化太阳能电池（ DSC ）的原理为光化学反应。以液态 DSC 为例，其基本结构主要由透明导电玻璃基板、 TiOTiO 2 纳米晶多孔薄膜、染料电解质溶液和透明对极（一般涂有 Pt ）组成。当能量低于半导体纳米组成。当能量低于半导体纳米 TiOTiO 2 禁带宽度，但等于染料分子特征吸收波长的入射光照在电极上时，吸附在电极表面的染料分子中受激跃迁至发态，再注入到 TiOTiO 2 导带，而 染料分子自身成为氧化态。注入到染料分子自身成为氧化态。注入到TiOTiO 2 中的电子通过扩散富集到导中的电子通过扩散富集到导 电玻璃基板，然后进入外电路。 处于氧化态的染料分子从解质溶液中获得而被还原成基， 电解质中被氧化的电子扩散至对极，就完成一个光电路化学反应循环 [1] 。3、晶硅电池的现状及最新进展1 PERL（钝化发射极背部局域扩散） PESC、 PERC、 PERL 电池是新南威尔士大学研究了近 20 年的先进电池系列，前两个子母 PE（ Passivated Emitter ）代表前表面的钝化 （选择性扩散） ， 后两个子母代表后表面的扩 散和接触情况。 其中PERL衍生了南京中电的 SE电池与尚德的 PLUTO电池。 PESC（钝化发射极背接触）电池 1985年问世 , 可以做到大于 83％的填充因子和 20.8 ％ （ AM1.5） 的效率。 PERC（钝化发射极背场点接触） 电池， 用背面点接触来代替 PESC电池的整个背面铝合金接触，这种电池达到了大约 700mV 的开路电压和 22． 3％的效率。 PERL（钝化发射极背部局域扩散） 电池， 在背面接触点下增加一个浓硼扩散层， 以减小金属接触电阻。在 1.02 μ m 波长的单色光下， PERL电池的转换效率达到 45.1 ％。这种电池在 AM0下效率也达到了 20.8 ％。 尚德的 Pluto 技术就是以 PERL技术为基础 ,不仅降低了电池单元表面的光反射 , 而且在阳光不直接照射的时段亦能集光。此外，通过使电池单元表面的布 线图案微细化，从而扩大了受光面积。2.1 中电的 SE电池中电光伏研发成功并主推的电池技术为 SE（ Selective Emitter选择性发射极电池， 赵建华博士在新南威尔士 （ UNSW） 研发中心担当主任期间就从事了十几年的此类型电池研究。 SE电池可以算是尚德 PLUTO 电池的一个简化版，它们都是从 PE 系列电池演变而来，因为无论是 PESC、 PERC，还是 PERL 电池均含有 SE电池最典型的选择性发射极技术， SE技术只选 取 PE系列收益最明显、 同时产业化相对容易的前表面结构部分。 相对于尚德 PLUTO 是对 PERL 技术的“高仿”电池，中电 SE电池可视为“低仿” 。 中电 SE电池的工艺特点为：①利用丝网印刷腐蚀剂来代替传统光刻技术在二氧化硅层上蚀刻电极图形， 一般为10％～ 25％的氟化氢铵浆料。② 经过 3 次热处理达到先重扩散 后轻扩散的目的，仅在重扩散区域印刷电极，即“选择性”发射极。2.2 尚德的 PLUTO 电池尚德 PLUTO 电池技术极为保密，根据我们掌握的资料，对 PLUTO 电池的评估如下： ① 与南京中电 SE电池类似，前身为新南威尔士（ UNSW）大学的 PER（钝化发射极背部局 域扩散）电池，这种电池的实验室最高记录是由赵建华博士于 1999 年实现的，其包含并不限于典型的选择性发射极（ SE技术。② 激光制绒，以达到均匀性最好的表面倒金字塔形貌。 ③ 真空蒸镀栅线后再加以电镀， 提升均匀性及高宽比。 ④ 扩散炉和刻蚀机采用从 48 所订制的半导体级产品，扩散后有特殊处理。 其中②③项是在中电 SE技术上进一步深化的技术，为尚德首席技术官 Stuart Wenham 协助尚德开发，其还担任新南威尔士大学的 ARC 卓越光伏研究中心的执行官。 可以看出 PLUTO 电池的本质即是将实验室 PERL 电池进行量产化，在不可避免的采用半 导体先进制程技术外， 尽量控制设备投资额度， 掌握技术领先与商业可行的平衡是其重点。 近日有消息说，有整套的选择性发射极电池的技术和设备可以出售，近日有消息说，Schmid 有整套的选择性发射极电池的技术和设备可以出售，本消息可靠性有待验证。2.3Sanyo 的 HIT电池 Sanyo （三洋电机） 于九十年代年提出 HIT( 异质结本征层多结太阳电池 Heterojunction Intrinsic Tandem Solar cell) 型大面积高效太阳电池电池。 这种电池具有结特性优秀、 温度系数低、 生产成本低和转换效率高等优点，所以在光伏市场上受到青睐。 2003 年三洋公 司又把 100 cm HIT 电池片的效率提高为 21.3 ％， 继续保持当年大面积电池的世界最高记录。 HIT电池融合了晶体硅和薄膜沉积技术，但是由于不是纯粹的薄膜电池，中间用了 200μ m 数量级的 N 型晶体硅，硅料成本方面并没有明显下降。2.4 Kyocera 的多晶硅高效电池多晶硅高效电池商业化效率较高的是日本kyocera （京瓷）公司。由于结构的各项同性而使多晶硅采用碱腐蚀织构化效果不好， 该公司太阳能电池表面织构化采用反应性等离子刻蚀技术 (RIE) 。 而扩散则采用双面扩散的方法，背面重扩散达到吸杂的效果，以提高电荷的 收集率。1996 年效率达到 17.1%，到了 2004年， 233cm大面积多晶硅电池效率达 17.7 ％。去年利用背接触型结构达到 18.5 ％的效率 ( 面积为 150mm* 155mm，采用黑色背板， 减小布线 的宽度， 使模块整体呈黑色 ) 。 目前日本正计划实现这种电池的产业化。2.5 Sunpower 的背接触电池美国 SunPower 公司利用点接触 (Point-contact cell ， PCC)及丝网印刷技术，研制出背 面点接触太阳电池。效率为 20%，并通过进一步改进， 使效率达到 21.5%。 图 3. 背接触电池结构该电池采用 n型的 PV-FZ硅材料作为衬底， 要求的载流子寿命要在 1ms以上 （一般 P型硅片 的少子寿命在 10μ s 数量级） 。电池正表面呈黑色没有任何电极遮挡，并通过光刻制成的随机金字塔 ( 绒面 ) 结构及减反射膜的设计来提高电池的陷光效应，可以高达 93%，即降到 7%的反射率（ AM=1.5） 。 较为出色的陷光、钝化效果，以及采用了可批量生产的丝印技术代替了昂贵的光刻， 使 SunPower 的背接触电池成为新一代高效背接触硅太阳电池的典型代表。 SunPower 于 2004 年在 菲律宾的马尼拉建立了 25MW的点接触电池线，平均效率达到 19.9%［ 2］ 。4. 聚合物太阳能电池最新研究进展相对于无机太阳能电池，聚合物太阳能电池具有成本低、制作工艺简单、重量轻、 可制备成柔性器件等突出优点， 另外共轭聚合物材料种类繁多、 可设计性强， 通过材料的改性可以有效地提高太阳能电池的性能。 因此， 这类太阳能电池具有重要发展和应用前景，成为重要的研究方向。中国科学院化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室的科研人员与有机固体科研人员合作，最近在共轭聚合物光伏材料上取得系列进展。在宽带隙聚合物太阳能电池给体材料中， 一直以来以 MEH-PPV, P3HT等宽带隙材料作为单层或者叠层光伏器件的主要材料。 最近， 他们设计合成了一种基于并噻唑的宽带隙 D-A 共聚物，其能量转换效率达到 5.2%，为带宽在 2.0 eV 以上聚合物光电转化效率目前的文献报道最高值，研究结果发表在 Macromolecules上 (Macromolecules, 2011, 44, 4035 – 4037)，并成为发表当月该期刊下载量前十。 他们还首次将吸电子基团砜基引入到 PBDTTT共聚物中合成了聚合 PBDTTT-S，该聚合物具有宽的吸收和较低的 HOMO能级，以该聚合物为给体、 PC70BM为受体的聚合物太阳能电池开路电压达到 0.76 V, 能量转换效率达到了 6.22%（ Chem. Commun., 2011, 47, 8904-8906 ） ；同时，使用 BDT单元的同分异构体 BDP单元构建了新的聚合物光伏材料， 开路电压高达 0.8V、 效率达到 5.2%（ Chem. Commun., 2011, 47, 8850-8852 ） 。最近，他们将 PBDTTT类聚合物 BDT单元上的烷氧基换成噻吩共轭支链、合成了两维共轭的新型聚合物 PBDTTT-C-T(见图 1) ，与带烷氧基取代基的 PBDTTT-C相比， PBDTTT-C-T的空穴迁移率显著提高，吸收光谱有所红移并且 HOMO能级有所下移，这些都有利于光伏性能的提高。以 PBDTTT-C-T为给体、 PC70BM为受体的聚合物太阳能能量转换效率达到了 7.6%，为目前聚合物给体光伏材料的最高效率之一，引起国内外学术界甚至工业界的关注［ 3］ 。5、有机太阳能电池5.1 单质结结构有机太阳能电池单质结有机太阳能电池是研究最早的有机太阳能电池。 其电池结构为 : 玻璃/ 金属电极 / 染料 / 金属电极 , 即为 2 种功函不同的电极之间为一单一的有机半导体层。一般常用各种有机光伏材料均可被制成此类有机太阳能电池 , 如酞青类化合 ( phthalocyanine) 卜啉 ( porphyrin) 、青 ( cyanine) 染料、叶绿素、导电聚合物等有机材料。各类有机材料各有其优缺点 : 酞青类化合物具有良好的热稳定性及化学稳定性 , 而卜啉具有良好的光稳定性 , 同时也是良好的光敏化剂 , 但具有较大的电阻 ; 青易于合成、 价格便宜 , 是良好的光导体并具有良好的溶解性 , 但稳定性较差。单质结有机太阳能电池工作原理是由于 2 电极功函不同 , 电子从低功函的金属电极穿过有机层到达高功函电极 , 而产生光电压形成光电流 , 其光伏特性取决于载流子的浓度。 但由于电子与空穴在同一材料中传输因而复合几率较大 , 所以单质结结构有机太阳能电池的光电转换效率较低。 黄颂羽 [7] 等人探究了此类电池中激子和载流子的输运机理 , 认为强的取向内电场、超薄膜化和分子排列取向化是提高单质结结构有机太阳能电池转换效率的重要途径。 近年来 , 人们利用共轭聚合物等导电聚合物作为有机层取得了较大进展。 目前 , 实验室中以聚合物和有机分子材料制造的有机光付电池效率可达 5%, 接近于目前非晶硅的转化效率( 5%～ 10%)[8] 。5.2 p- n 异质结结构有机太阳能电池p- n 异质结结构有机太阳能电池电池结构为 : 玻璃 /ITO/n- 染料 /p- 染料 /金属电极。由于其具有给体 - 受体异质结结构的存在 , 所以 p- n 异质结结构有机太阳能电池较单质结结构有机太阳能电池的光电转换效率要高 , 因此成为后来研究的重点。制作此类 p- n 结电池可选用的有机材料较多。以前所用最多的是以酞青类化合物为 p 型半导体 , 以北四甲醛亚胺化合物为 n 型半导体 [9] 。近几年来用聚合物做传输电子有机层的研究较多。 C60 及 C60 衍生物作为受体材料以及利用碳纳米管和无机化合物半导体纳米颗粒作为受体材料 , 还有共轭聚化合物等得到广泛应用。 Z.R. Hong 等人 [8] 分别制作并研究了以 C60 和 CuPc、 BCP 为异质结的有机太阳能电池 , 试图将 CuPc、 BCP 作为“缓冲器 “, 改善单层有机太阳能结构 , 降低电子的复合 , 提高其转化效率。 同时他们还探讨了有机层厚度对电池性能的影响。 近几年来研究人员充分利用有机材料与无机材料各自的优点即利用有机材料具有大的吸收系数和无机材料具有高的电子迁移率来创造新的有机 - 无机成分组成的复合体系材料。 Elias Stathatos 等人 [10] 结合无机有机各自优点制得的太阳能电池光电转化效率为 5%~6%。p- n 异质结结构有机太阳能电池因存在 D/A 界面使激子的分离效率提高 , 同时电子和空穴分别在不同的材料中传输 , 使得复合几率降低 , 因而具有较高的光电转换效率。但由于有效的电荷分离只能发生在 D/A 界面处 , 即在接近于激子扩散途径或空间电荷区域附近 , 而在远离 D/A 界面处产生的激子就会先扩散到异质结界面处而复合掉。 同时电荷分离被限制在电池较小的区域 , 从使吸收光子的数量受到限制 , 所以此类有机太阳能电池的光电转化效率仍然较低。因而增加 D/A 界面、改进电池结构、开发新材料在提高有机太阳能电池光电转换效率上显得尤为重要。5.3 p - n 本体异质结结构有机太阳能电池P - n 本体异质结结构有机太阳能电池是近年来研究的热点 , 具有巨大的开发潜力。其电池结构为玻璃 /ITO/A+D 混合材料 / 金属电极。自 1997 年 Cao 等报道了由给体 (MEN- PPV) 和受体 (C60) 混合成膜而制成的器件具有较高的转化效率 , 人们开始了对此类有机太阳能电池的研究。 在此结构中给体和受体分子紧密接触而形成 D - A 连接网络 , 增加了 D/A 接触 , 从而提高了光电转化效率。 在理想情况下 , 电荷分离与收集具有同等效率 , 但实际上复合体微观结构是无序的 , 两种组分可能是以孤岛形式存在 , 网络之间存在大量缺陷 , 从而阻碍了电荷的分离和传输。如果能有效减少这些孤岛尺寸 , 就会增加有效的 D/A 界面面积 , 从而提高电池的光电转化效率。 Sun[12] 利用非共轭柔性链作为 D/A 的桥梁合成了有序的本体异质结太阳能电池 , 试图从减少激子损失、载流子损失、和吸收光子的损失 3 个方面来提高电池的转化效率。同时 , 制备电池所选择的工艺流程及环境气氛、混合时所用给体和受体的比例也是影响有机太阳能电池光电转化效率的因素。 G.Dennler 等人 [13] 将 MDMO- PPV 与 PCBM按不同比例相混合作为有机层制作的有机太阳能电池 , 发现增加PCBM的比有助于提高太阳能电池的性能。近年来又出现了多层异质结结构有机太阳能电池。 Mcfarland 等人通过对多层结构有机太阳能电池的研究 , 提出多层结构有机太阳能电池能把光吸过程和电荷载流子的传输过程有效分开。此电池效率较低 , 内量子效率只有 10%,总能量转化效率远低于 1%。但从太阳能电池的工作机理来看 , Mcfarland 对多层结构的研究发现了有机太阳能电池效率低的重要原因 : 染料吸收的光子中实际只有 10%产生光量子 , 其它大部分则由于辐射和非辐射传能猝灭 ; 同时发现了系统本身就可以使染料再生 , 不用再使用其它空穴传输材料。 而且其极低的生产成本和强的实用性 , 仍然使其具有巨大吸引 Kohshin Takahashi 等人 [9] 制作的 3 层有机太阳能电池 (Al/PV/HD/MC) 光电转化效率达到 3.51%[4] 。6、太阳能电池的发展趋势综观世界光伏发电技术几十年来的发展历程，呈现出如下发展趋势 : 晶体硅光伏电池光电转换效率和生产技术水平持续提高 ; 随着晶体硅光伏电池的硅片厚度不断降低，硅材料消耗不断减小，光伏电池生产成本大幅降低 ; CdTe、非晶硅、 CIS 等薄膜光电池已逐步进入市场， 随着薄膜光伏电池技术不断进步， 薄膜光伏电池的市场份额将快速增长 ; 多晶硅薄膜光伏电池的光电转换效率不断接近晶体硅光伏电池， 成本远低于晶体硅光伏电池， 发展前景广阔 ; 叠层、 量子点、多能带、 热光伏、 多载流子光伏电池等方兴未艾的新一代光伏电池将克服第一代硅光伏电池成本高、 第二代非晶硅等薄膜光伏电池光电转换效率低的局限， 且有原材料丰富、 无毒等优点 ; 光伏发电产业专用设备和仪器制造技术不断进步， 光伏电池生产规模及生产能力快速增长， 光伏模块价格大幅降低 ; 并网型光伏发电的应用比例不断增加， 逐步成为光伏发电的主流， 光伏系统与建筑相结合的太阳能建筑逐步进入商品化生产时期。 尽管与传统发电方式相比， 目前光伏发电的成本仍偏高， 尚不具备大规模商业开发的条件， 但以太阳能为主体的新能源将成为21 世纪世界能源供应的主体，可以预测随着光伏产业的快速发展，光伏发电的成本将不断下降并逐步逼近传统发电成本的水平， 从而成为具备竞争能力的可再生能源。［参考文献］[1] 赵杰 曹一平 《新型高效太阳能电池研究进展》[2] 赵汝强 梁宗存 《晶体硅太阳能电池工艺技术新进展》 ［ J］中国能源报[3] 刘勇 《中科院在聚合物太阳能电池研究方面取得新进展》 ［ J］中国储能网[4] 文子桃 《 有机太阳能电池研究现状与进展 》