太阳能电池研究综述

太阳能电池研究进展综述[摘要 ]: 综述了当前太阳能电池发展中的新技术和新方向。为使太阳能电池能够更加充分地吸收太阳光，表现出更高的能量转换效率，同时具备更加低廉的成本及更为广泛的应用领域，薄膜电池、柔性电池以及叠层电池已经成为太阳能电池领域的重要发展方向。[关键词 ]：太阳能电池；单晶硅；染料敏化太阳能电池[Abstract] ： Summarizes the new technology and new directions in the development of the current solar cell. In order to make the solar battery can be more fully absorb sunlight, exhibit higher energy conversion efficiency, with lower cost and more widely used in the field, thin-film batteries, battery and a flexible laminated battery has become an important development direction in the field of solar battery. [Keywords] ： Solar cells; Silicon; Dye sensitized solar cell 1.引言人类生存离不开能源，特别是人类现代文明更离不开能源。常规的化石能源对环境的严重污染所导致的生态破坏、地球温室效应等正日趋严重的威胁着人类生存，而且化石能源迟早会枯竭耗尽。因此以太阳能为代表的可再生能源，实现能源工业的可再生发展具有重要意义。太阳能电池的种类很多，按照所用材料的不同可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池等。经过半个多世纪的发展，太阳能电池经历了第一代晶硅太阳能电池，第二代薄膜太阳电池，第三代高效太阳电池的研究。目前，市场上大量产的是单晶硅和多晶硅太阳电池。随着产业化生产技术日益成熟，实验室的高效电池也逐步运用于产业化生产。由于太阳能发电具有无污染、安全、寿命长、维护简单、资源永不枯竭等特点，随着世界范围内能源的短缺以及人们环保意识的增强，太阳能被认为是 21 世纪最重要的新能源。自 20世纪 80 年代以来其产业得到了迅速发展， 光伏产业成为了全球发展最快的新兴行业之一。 而作为整个光伏产业的核心，太阳电池也得到了快速发展。2.太阳能电池的种类2.1 硅基太阳能电池2.1.1 单晶硅太阳能电池在硅基太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转化效率最高，技术也最为成熟 [1-2] 。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和成熟的加工处理工艺基础上 [3]。在电池制作中，一般都采用表面结构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺 [4]。国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池(2cm× 2cm)转化效率达到 19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池 (5cm× 5cm）转化率达到 8.6%。单晶硅太阳能电池转化效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中占据主导地位 [5]。但由于受单晶硅材料价格及繁琐的电池制造工艺的影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，需要寻找单晶硅电池的替代产品 ,其中多品硅薄膜大阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表 [6-8] 。2.1.2 多晶硅薄膜太阳能电池通常的晶体硅太阳能电池是在厚度 350～ 450μm 的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，人们从 20 世纪 70 年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒太小，未能制成有价值的太阳能电池 [9-12]。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，人们一直没有停止过研究，并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积 (LPCVD) 和等离子增强化学气相沉积 (PECVD) 工艺 [13-14] 。 此外， 液相外延法 (LPE) 和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池 [15]。化学气相沉积主要是以 SiH2Cl2、 SiCl4 等为反应气体，在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用 Si、 SiO2 等 [16-17]。但是研究发现 [18-22] ，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题的办法是先用 LPCVD在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，还采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池转化效率明显提高。2.1.3 非晶硅薄膜太阳能电池多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少， 又无效率衰退问题， 并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，因此，多晶硅薄膜电池具有巨大的实际应用潜力 [23]。由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低， 便于大规模生产， 普遍受到人们的重视并得到迅速发展，其实早在 20 世纪 70 年代初， Carlson 等就已经开始了对非晶硅电池的研制工作，近几年它的研制工作得到了迅速发展，目前已有许多家公司在生产该种电池 [24-25]。非晶硅是一种很好的电池材料，但由于其光学带隙为 1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转化效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退效应，使得电池性能不稳定。解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池。叠层太阳能电池是在制备的 P— i— N 层单结太阳能电池上再沉积一个或多个 P— i— N 子电池制得的。叠层太阳能电池能提高转化效率、解决单结电池不稳定性的原因在于：①它把不同禁带宽度的材料组合在一起，提高了光谱的响应范围；②顶电池的 i 层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保证 i 层中的光生载流子抽出；③底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小；④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，其中包括反应溅射法、 PECVD 法、 LPCVD 法等，反应原料气体为以 H2 稀释的SiH 4。 ， 衬底主要为玻璃及不锈钢片， 制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。目前非晶硅太阳能电池的研究取得了两大进展：第一、三叠层结构非晶硅太阳能电池转化效率达到 13%；第二、三叠层太阳能电池年生产能力达 5MW 。美国联合太阳能公司 (VSSC)制得的单结太阳能电池最高转化效率为 9.3%， 三带隙三叠层电池最高转化效率达到 13%。 上述最高转化效率一般是在小面积 (0.25cm 2)电池上取得的。曾有文献报道 [26-30]，单结非晶硅太阳能电池转化效率超过 12.5%。日本中央研究院采用一系列新措施，制得的非晶硅电池的转化效率为13.2%。 非晶硅太阳能电池由于具有较高的转化效率、 较低的成本及重量轻等特点， 有着很大的发展潜力。但同时由于它的稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题， 那么， 非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一 [31-32]。2.2 多元化合物薄膜太阳能电池为了寻找单晶硅电池的替代品，人们除开发了多晶硅、非晶硅薄膜太阳能电池外，还不断研制着其他材料的太阳能电池，其中主要包括 GaAs 等 III — V 族化合物、 CdS 和 CdTe 等 II—VI 族化合物以及 CuIn(Ga)Se 薄膜电池等。 上述电池中， 尽管 CdS 和 CdTe 多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。 III — V 化合物及 CuIn(Ga)Se 薄膜电池由于具有较高的转化效率， 同时对环境无害， 受到人们的普遍重视 [33]。2.3 染料敏化纳米晶太阳能电池太阳能电池中，硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的。但是由于其成本居高不下，远不能满足大规模推广应用的要求。为此，人们不断地在工艺、新材料、电池薄膜化等方面进行探索。其中新近发展的染料敏化 TiO 2 纳米晶太阳能电池受到国内外科学家的普遍重视 [34-36] 。染料敏化 TiO 2 纳米晶太阳能电池是瑞士科学家 Gratzel 教授等于 20 世纪 90 年代发展起来的一种新型高效太阳能电池 [37]。经过二十多年的发展染料敏化太阳能电池的实验室能量转换效率由最初的 7.1%提高到 11%以上。 大面积的 DSSC 组件可以提供相对较高的工作电压和工作电流， 为用电装置制结提供驱动电力。目前 DSSC 的结构以三明治式的结构最为普遍， 如图所示。图 染料敏化纳米晶太阳能电池结构图染料通常是由 Ru 和 Os 等过渡金属与多联吡啶形成的配合物， 纳米晶薄膜一般由 TiO 2、 ZnO和 SnO2 等宽禁带半导体材料制备。染料敏化 TiO 2 纳米晶太阳能电池模拟自然界中植物利用太阳光进行光合作用，将太阳能转化为电能，其工作原理是：染料分子吸收太阳光能，电子从基态跃迁到激发态，激发态上面的电子快速注入紧邻的 TiO 2 导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入 TiO 2导带的电子最终进入导电膜，然后通过外电路到对电极产生光电流[38-39] 。目前， DSSC 电池光电效率稳定在 10%以上。它的最大优点在于其简单的制作工艺，不需昂贵设备与高洁净度的厂房设施；其次，所使用的二氧化钛和电解质等材料亦非常便宜。另外，如同其他薄膜太阳能电池，因为可以使用柔性基材，因此应用范围可大幅扩张。对未来太阳能电池领域关注应该集中在三个方面： ①光电池本身的长期使用性。 ②对大面积的制备技术，有待努力发展。③对整体电池模块细部的基础研究仍有许多工作需要做。3.结语新概念的涌现代表了太阳能电池发展的新动向。在未来的一段时期内，薄膜电池、柔性电池以及叠层电池将成为太阳能电池研究领域的主流。染料敏化太阳能电池作为第三代低成本陶瓷基太阳能电池，已经受到国际科学家和产业界的青睐和瞩目，在经历了稳定性考验之后，近期内将在电池市场发挥重要作用。4.参考文献[1] 李丽 ,张贵友 ,陈人杰 ,陈实 ,吴锋 . 染料敏化太阳能电池及 TiO_2 薄膜材料研究进展 [J]. 功能材料 ,2008,11:1765-1769. 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