太阳能光伏发电材料技术新进展

黄剑峰

摘要：本文首先介绍了太阳能光伏发电的基本原理，然后简述了用于太阳能光伏发电的各种常用材料的原理和特点以及在实验室中的最高转换效率，并介绍了研究前沿的几种新材料和结构，最后就太阳能光伏发电的前景做了分析总结。

关键词：光伏发电材料转换效率新进展规模化应用

中图分类号：TK514 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）08（b）-0002-01

随着太阳能尤其是太阳能光伏发电（简称“光伏发电”）的应用越来越广泛，更多新材料和新技术不断涌现。本文将着重介绍近期光伏发电材料技术的进展，并简述规模化应用趋势。

1太阳能光伏效应

光伏材料将光能转换为电能，这个过程叫做光伏效应。光伏效应的过程即半导体材料吸收光子能量，使到半导体中的原子发生原子能级跃迁，然后释放电子并形成电压的过程。入射光子的能量e=hν，（h为普朗克常数，ν为入射光子的频率），只有当入射光子的频率达到一定数值，使到入射光子的能量e大于半导体能级跃迁并释放电子所需要的最小能量—— 禁带宽度，才能使原子能级跃迁并产生电子。

2太阳能光伏应用常见材料特性

根据NREL的最新光伏转换效率统计发现[1]，近年来，光伏转换效率在全世界的各个实验室不断被刷新，为光伏发电的发展奠定了坚实的技术基础。

2.1 多重结和单重结III-V族材料

多重结和单重结太阳能电池的转换效率最高，在多重太阳聚焦下，单重结的效率可达20%～30%，而三重结材料的光伏转换效率，可达到40%。2011年在美国Solar-Junction公司的试验数据显示最高的转换效率为43.5%[1]。在2006年，Emcore公司推出了有效面积为108mm2的三重结太阳能电池，其在200余倍聚焦数下能量转换效率达到37%[2]。多重结材料生长制备一般采用金属有机化学气相沉积，这需要精密的材料配比控制和生长速率控制，成本较高，加上重结III-V族材料如Ga、As和Ge在地壳中的含量还不到10%～5%，综合考虑下更适用于高密度辐照下的光电转换。

2.2 单晶硅和多晶硅

在硅系太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术最成熟。UNSW大学在2000年以前就已经实现25%的单晶硅材料的转换效率。多晶硅太阳电池的出现主要是为了降低成本，其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭，制造过程简单、省电、节约硅材料，对材质要求也较低。弗劳恩霍夫研究所的太阳能系统在2005年前发表的最高的多晶硅转换效率为20.4%。在实规模化应用中，多为单晶硅产品，其效率在13%～16%左右。

2.3 薄膜技术

薄膜技术可采用的材料包括无定型硅、多晶硅、微晶硅以及碲化镉（CdTe）和铜铟硒（CIS）等，其电池的转换效率从12%～20%不等。薄膜技术电池可通过薄膜制备方法如射频建设、真空蒸发等将这些材料沉积到玻璃基板甚至柔软的基板上制作。其制备简单，转换效率也不低，据报道，CuInGaSe电池的转换效率已经达到19.2%[3]。由于铜、铟和硒材料资源相对丰富，薄膜技术制备简单，其成本低很多，适合大规模应用。

2.4 有机聚合物、无机聚合物和燃料敏化物太阳能电池

目前，这几种材料仍然在研究、开发和探索之中。目前实验室数据为有机聚合物的效率为10.6%、无机聚合物的效率为10.1%和染料敏化物的效率为11.4%[1]。这些材料制成的太阳能电池成本远远低于半导体材料，而且可以制备柔软底板的大面积电池。因其制作成本也远远低于半导体材料，而且可以制备柔底板的大面积电池，适合用于建筑物上。

2.5 新兴材料

基于薄膜技术的表面等离子材料，一般用玻璃、塑料或者钢材来做衬底，这样可以降低成本。目前的一种方法是通过在薄膜太阳能面板上放置金属纳米粒子，光入射后，金属纳米粒子实现等离子共振然后对光进行散射，这样增加光吸收而无需增加更多的薄膜电池层，从而实现效率的提高，其效率可预计能达到40%～60%。

另外一种新型材料是由碳原子构成的单层片状结构的石墨烯。这是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。这种材料的太阳能电池，目前最新研究得到的效率为8.6%[4]。

2.6 其他

基于纳米科技的量子点、量子阱和超晶格材料也有不少机构在研究。此类型材料的优势一般是可更好地匹配太阳能光谱，但其研究还比较少，目前的效率不高，离稳定性和量产化还有一段距离。研究指出[5]，相对于常规的块状太阳能电池，多量子阱、超晶格以及量子点用于光伏设备可大大提高理论上的最大效率，可实现光伏转换效率达40%甚至更高。

3结语

随着光伏发电材料的不断深入研究和试验，可以预测在未来的5～10年，将会有越来越多新型和改进型材料的出现，逐步解决材料的吸收问题，效率问题，稳定性问题，工艺规模化生产的成本问题。从规模化生产和应用的角度看，硅技术、薄膜技术和聚合物电池仍为主导，量子点和纳米技术将给传统技术带来新的生命。

参考文献

[1] National Renewable Energy Laboratory （NREL）， Best Research-Cell Efficiencies （revision 2012.04.04）， http：//en.wikipedia.org/wiki/File：PVeff（rev120404）.jpg.

[2] EMCORE T1000 Cell-Triple-Junction High-Efficiency Solar Cells for Terrestrial Concentrated Photovoltaic Applications[R].Http：//www.emcore.com/assets/photovoltaics/T1000%20Data%20Sheet%20March%2007.pdf.

[3] 方祖捷，陳高庭，叶青.太阳能发电技术的研究进展[J].中国激光，2009，1，36（1）：5-14.

[4] Xiaochang Miao，Sefaattin Tongay， Maureen K.Petterson et al，Nano Letter， High Efficiency Graphene Solar Cells by Chemical Doping，Nano Lett.，Publication Date （Web）：May 3，2012 （Letter）

[5] Seung Y.Myong*，Recent Progress in Inorganic Solar Cells Using Quantum Structures，Recent Patents on Nanotechnology，2007，1：67-73.