太阳能电池的研究现状及发展趋势

都玲玲　沙莎

摘 要：本文综述了不同材料的太阳能电池的主要制备工艺和特性，如硅太阳能电池、化合物薄膜太阳能电池、聚合物太阳能电池和纳米晶化学太阳能电池等。简要介绍了目前太阳能电池的研究现状及光伏产业发展趋势。

关键词：太阳能电池；材料研究；转换效率；发展趋势

太阳能可以认为是取之不尽、用之不竭的清洁能源。当前的太阳能工业主要有两大支柱产业：即太阳能热利用产业和太阳能光伏制造产业。其中光伏制造产业是世界上增长最快的高新技术产业之一，而太阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，也是其中最受瞩目的项目之一。

1 硅系太阳能电池

1.1 单晶硅太阳能电池

硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅太阳能电池的制作工艺己近成熟，一般都采用表面织构化、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。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构，并在表面把13nm厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合。并通过改进了的电镀过程来增加栅极的宽度和高度的比率。这样制得的电池转化效率最大值可达23.3%。Kyocera公司制备的大面积（225cm2）单晶太阳能电池转换效率为19.44%，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）转换效率达到19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5cm×5cm）转换效率达8.6%。

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，这种硅片从提拉或烧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大小，未能制成有价值的太阳能电池。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。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。

化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4，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、Si3N4等。但研究发现，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。解决这一问题办法是先用 LPCVD在衬底上沉滞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，另外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换效率明显提高。

3 聚合物太阳能电池

3.1聚乙烯基咔哇（ PVK）

具有光电活性的聚合物中，发现最早研究得最为充分的是YVK[12.13]，它的侧基上带有大的电子共轭体系，可吸收紫外光。激发出的电子可以通过相邻咔唑环形成的电荷复合物自由迁移。通常用I2、SbCl3、三硝基芴酮（TNF）、及硝基二苯乙烯基苯衍生物合四氰醌（TCNQ）等对其进行掺杂。

3.2聚乙炔（PA）

PA是迄今为止实测电导率最高的电子聚合物。它的聚合方法主要有白川英树法[14]，Narrman方法[15]，Durham方法[16]和稀上催化体系[17]。白川英树采用高浓度的Ziegler-Natta催化剂，即TiOBu4-ALEt3，由气相乙炔出发，直接制备出自支撑的具有金属光泽的聚乙炔膜；在取向了的液晶基质上成膜，PA膜也高度取向。Narrman方法的特点是对聚合催化剂“高温陈化”，因而聚合物力学性质和稳定性有明显改善。Durham用可溶性前体法合成PA，典型的反应过程是

聚合物（6）溶解和溶液成膜后拉伸，可获得高取向的PA膜（7）。稀上催化剂采用的方法也获得了高性能的PA膜。

3.3聚对苯撑乙烯（PPV）

近年来在光电领域应用最广泛的、目前制得器件效率最高的是PPV类[20，21]材料。由于是共轭结构，分子链钢性很强，往往难熔难溶，不易加工。获得可溶性PPV的方法是在苯环上至少引入一个长链烷烃。烷烃碳个数至少大于6。研究还发现取代基有支链时比相同碳数的直链烷烃溶解度更好。具有代表性的材料是MEH-PPV[22]（MEH：2-methoxy -5（2-ethylhexyloxy）），它具有较好的溶解性，使用方便；禁带宽度为2.1eV，较为适中。

3.4聚曝盼（PTh）

PTh也是近年来在光电转换领域较为热门的一类材料，其中性能较好的是3烷基（P3AT）[14，16]。一般6碳以上的烷基噻吩可溶解，但10碳以下的烷基取代物有部分为凝胶。与PPV不同，单烷基噻吩比3， 4-双烷基噻吩具有更好的溶解性，主要是因为双烷基取代噻吩位阻太大，降低了其有效共轭长度，提高了离子化电位。

4太阳能电池发展趋势

提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中的两个重要因素，也是今后太阳能电池的主要发展方向。单晶硅、多晶硅太阳电池目前研究的主要任务是在提高效率的同时如何进一步降低成本。多晶硅薄膜电池既有晶硅电池高效、稳定、资源丰富、无毒的优势，又具有薄膜电池低成本优点，成本远低于单晶硅电池，成为国际上研究开发热点，国外发展比较迅速，在未来地面应用方面将是发展方向。非晶硅薄膜电池研究工作主要在提高效率和稳定性方面。非晶硅薄膜电池质量轻、成本低，有极大发展潜力，如果效率和稳定性方面进一步提高，将是太阳电池主要发展产品。目前研究任务是提高大面积非晶硅电池稳定效率，稳定效率7-8%，寿命20年，尽快为产业化服务。CIS，CIGS，CdTe 电池被认为未来实现低于1 美元/峰瓦成本目标的典型薄膜电池，CIGS 电池在实现产量时制造成本比硅电池更低，如生产工艺发展成熟，产业化问题得以解决，与硅电池相比有很强竞争优势，是一种很有发展前途薄膜太阳电池。目前研究重点是进一步提高效率，降低成本，使之大规模产业化。全固态电解质纳米太阳电池效率不理想，仍需进一步深入研究。从商业化角度看，多晶硅薄膜和非晶硅薄膜电池以其高转换效率和低成本的优势，将成为市场的主导产品。

参考文献

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[2] 陈哲艮， 金步平. 一种新型太阳电池的设计[J]. 太阳能学报， 1999， 20（3）： 229-232.

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[4] 孙云，王俊清，杜兆峰等.CIS 和CIGS 薄膜太阳电池的研究[J].太阳能学报，2001，（2）：192-195.