太阳电池的种类及光电转换效率的研究

刁春丽 娄广辉

1 河南大学物理与电子学院（475004） 2 河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

太阳电池的种类及光电转换效率的研究

刁春丽1娄广辉2

1 河南大学物理与电子学院（475004） 2 河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

随着光伏技术的发展，光电材料成本不断下降，光电转换效率逐渐提高，太阳能光伏发电作为一种绿色、可再生的发电方式越来越显现出其优越性。这里介绍了太阳能电池的种类和研究现状，分析太阳能板材料对光电转换效率的制约，从结构改进和创新、开发新材料等方面探讨进一步提高光电转换效率的方法，为今后太阳能行业的研究发展提供思路。

太阳能电池；种类；光电转换效率

由于环境污染和能源紧缺等问题日益突显，寻找安全、清洁、廉价、可再生新能源已成为当前人类面临的任务。其中太阳能以其独有的优势而成为人们关注的焦点。[1]在太阳能的有效利用当中，太阳能光伏发电是近些年来发展最快、最具活力的研究领域。过去10年光伏发电产业的年平均增长率在40%以上,2013年增速放缓,但世界光伏产量已突达40 GW。在中国，由于政府的大力支持，太阳能光伏技术项目享受较多优惠政策，调动了企业的积极性，光伏产业得以迅速发展。目前，我国已经成为太阳能电池生产第一大国，太阳能电池市场占有率已超过全球总产量的50%。

1 太阳能电池的种类

制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：①硅太阳能电池；②以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物薄膜为材料的电池;③功能高分子材料制备的有机太阳能电池;④纳米晶太阳能电池等。

1.1 硅太阳能电池

当前,太阳能光伏电池材料主要是硅材料，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅。单晶硅是目前普遍使用的光伏发电材料，它被用做人造卫星、太阳能汽车的电源以及城市路灯或街头时钟的电源。目前，单晶硅电池工艺已近成熟，提高其光电转换效率主要靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在光照充足的最佳角度，单晶硅电池的光电总转换效率可以达到20%～24%，有可能提高到25%。[2]尽管单晶硅电池具有电池转换效率高、稳定性好的特点，但由于单晶硅生产工艺复杂，加工工艺繁琐，致使单晶硅电池成本居高不下，因此依靠单晶硅大规模推广太阳能电池是很难的。

多晶硅原料是半导体工业和光伏产业共同的上游原材料，太阳能电池生产的原料是半导体工业的边角废料。多晶硅光电池的转换效率不如单晶硅。随着光伏产业的进一步发展，多晶硅的需求量会越来越大。多晶硅太阳能电池制备的技术关键是结晶工艺，现在几乎所有制备单晶硅高效电池的技术都适用于制备多晶硅薄膜电池工艺，多晶硅电池将有可能最终取代单晶硅电池成为光伏市场的主导产品。[3]

非晶硅光电池一般是采用高频辉光放电技术使硅烷气体分解沉积而制成，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料上沉积约1 μm厚的薄膜。该电池易于大面积化，成本低，其商品化产量连续增长，居薄膜电池前几位。非晶硅光电池小面积的转换效率已提高到14.6%,大面积生产的转换效率为8%～10%[4]。非晶硅电池将发展为太阳能电池的主要产品之一，有很好的市场前景。但目前存在硅材料紧缺和成本价格高的问题。

1.2 无机化合物太阳能电池

无机多元化合物太阳能电池主要是以无机多元化合物如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等为材料的太阳能电池,其中研究最多的是CuInSe2(CIS)和Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜太阳电池。[5]目前，美国再生能源试验室（NREL）保持CIGS薄膜太阳能电池光电转换效率的世界最高记录[6]，转换效率为19.5%。研究表明，CIGS薄膜太阳能电池发展的关键技术是将吸收层厚度降至1 μm或更薄，以减少稀有金属In、Ga的用量，降低成本，提高生产力。缓冲层CdS的制备是批量生产的瓶颈,目前使用的CdS薄膜中含高污染金属——镉,对环境产生一定的不利影响，所以CdS的应用将越来越制约CIGS的批量生产。为了解决以上问题，研究人员一直在研究新的有利于批产的缓冲层制备方法，同时还在积极研制不含镉的绿色材料替代CdS。

1.3 有机太阳能电池

一些π-共轭聚合物，如聚乙炔（PA）、聚噻吩（m）、青(cyanine)染料等在经过掺杂等工艺处理后表现出半导体的性质。从此，有机太阳能电池引起了人们的广泛关注。相对于传统的太阳能电池，有机太阳能电池以其材料来源广泛、成本低、耗能少、轻薄、易于大规模生产等突出优势显示了很大的开发潜力，成为近十几年国内外研究的热点。美国Polyera公司制备的聚合物/富勒烯有机太阳能电池转换效率达9.1%。但与无机太阳能电池相比，有机太阳能电池的转换效率低，使用寿命短，限制了其市场化进程。

1.4 纳米晶太阳能电池

纳米晶太阳电池采用的是无机-有机复合体系，有效地把纳米技术与太阳能电池结合。首先采用无机纳米粒子制备多孔的薄膜，然后在薄膜的微孔中修饰有机染料分子或无机半导体粒子作为光敏剂，光敏剂吸收入射光后产生电子-空穴对，通过半导体颗粒使电荷转换效率提高。纳米晶太阳能电池制备工艺简单，其制作成本仅为单晶硅电池的1/ 5，具有明显的价格优势。因其相对低廉的价格、简单的制作工艺和潜在的高光电转换效率，有可能取代传统硅系太阳能电池，成为太阳能电池发展的新方向。

2 光电材料对光电转换效率的制约

2.1 材料的光谱特性造成的限制

由于材料各自禁带宽度的限制,入射到硅、锗光电池材料表面的太阳光只有一部分能被吸收，进而发生光电转换，并且只有对一种材料对应的峰值波长光子表现出较高的转换效率，这样就制约了太阳能的充分利用和向电能的高效转换。硅光电池对波长在0.4～1.15 μm区域中的光子能有效吸收，进行光电转换,并且只在峰值0.8 μm左右光电转换率最大;锗光电池则只能对波长在0.5 μm左右很窄范围内的入射光子高效吸收利用。

2.2 材料内部载流子的复合造成的限制

受光照的P-N结，所激发出的电子-空穴对有存在结区的，也有在P区、N区的。在结区的电子-空穴对很容易被内建电场分离，从而在势垒两侧形成电荷积累；但是产生于P区或者是N区的电子-空穴对就要通过浓度梯度导致的扩散到达结界面处，之后内建电场才能把它们分开。这就导致产生于P区或者是N区的电子-空穴对只有满足离P-N结的距离小于它的扩散长度，才有一定的概率能够扩散到结界面处，对电荷积累有贡献。实际上，对于光电池中普遍使用的硅、锗，由于材料P-N结结构以及载流子寿命的原因，导致在材料吸收的有限光子中只有部分能对最终光生电流的产生做出贡献，进一步地阻碍了光电转换效率的提高。

3 提高太阳能电池转换效率的方法

太阳能电池的转换效率是首要的关键指标，决定着电池的成本、质量、材料消耗、辅助设施等许多因素。为了提高转换效率，目前人们主要从以下两个方面进行研究。

3.1 通过结构改进和创新来提高转换效率

对现有的太阳能电池材料进行结构改进和创新来调整禁带宽度，提高载流子寿命，从而提高光电转换效率。例如:1）叠层结构。把不同禁带宽度的材料组合在一起，扩大了光谱的响应范围，提高转换效率。2）自动追光系统。太阳能电池板的发电量与太阳光入射角有关，当太阳光线与太阳电池板平面垂直时转换率最高。采用自动追光系统，光线方向一旦发生细微改变，太阳电池板时刻随着太阳光照方向的改变调整到与光线垂直，比常规太阳能设备发电量提高40%。[7]3）量子点超晶格结构。针对一般材料光谱特性导致的只对入射光中的部分高效率吸收利用，可以采用新发展的量子点超晶格结构来有效解决，在传导帯上形成微能带，使利用各种波长的光成为可能。

3.2 开发新材料提高太阳能电池转换效率

太阳能材料研究对太阳能光伏发电技术发展起着决定性的作用。每一种新材料的出现，都给太阳能电池及太阳能光电利用带来一次变革。新材料的开发虽然困难很多，但却是生产低成本、高效率太阳能的重要研究课题。一旦材料上获得突破，将极大推进太阳能电池产业化步伐。光合作用把阳光转化为化学能的效率，几乎达到百分之百。这种神奇、高效的光能转化效率，促使科学家开始深入发掘光合作用的复杂机理以期有助于改进太阳能发电技术。科研人员利用纳米材料在试验室中成功研制出一种与叶绿体结构相似的新型电池——染料敏化太阳能电池,以极其低廉的成本实现光能发电。

目前这种仿生太阳能电池的光电转化效率的世界最高水平已超过11%。[8]

4 结论

随着新材料、新工艺的不断出现，太阳能电池的效率及稳定性等将会得到进一步提高。太阳能光伏发电量在21世纪的能源比例将逐渐加大。虽然当前光伏业产能过剩对行业的发展造成了较大的冲击与影响，但从长远来看，有利于光伏企业降低建设成本，加快产业结构优化调整，促进产业持续健康发展。如果光伏发电成本可降到1元/Kw·h以内，那么，凭着其无可比拟的清洁、安全、环保的独特优势,光伏发电将在经济性上同样具备商用价值，在生产和生活中将有越来越多的太阳能光伏产品被应用。

[1]太阳能光伏产业发展专题研究[J].电子工业专用设备, 2008,4(159):19～27.

[2]马文会,戴永年,杨斌,等.加快太阳能级硅制备新技术研发促进硅资源可持续发展[J].中国工程科学,2005(S):91～94.

[3]Robert W.Birkmire,Erten Eser,POLYCRYSTALLINE THIN FILM SOLAR CELLS:Present Status and Future Potential[J].Annu.Rev.Mater.Sci.,1997,27:625～653.

[4]张锐.薄膜太阳能电池的研究现状与应用介绍[J].广州建筑,2007(2):8～10.

[5]王希文,方小红.铜铟镓硒薄膜太阳电池及其发展[J].可再生能源,2008,26(3):13～16.

[6]CONTRERAS M A,R AMANATHAN K,ABUSHAMAJ, et al.Diode characteristics in state-of-the-art ZnO/CdS/ Cuin1-xGaxSe2solar cells[J].Prog.in photo-voltaics:Res. Appl,2005,13:209.

[7]陆项羽,吴振磊.世博城市未来馆太阳能光伏面板安装完成[J].华东电力,2009,12:2073.

[8]Yasuo C,Ashrafui I,Yuki W,et al.Dye-sensitized solar cells with conversion efficiency of 11.1%.Jpn.J.Appl. Phys.,2006,45(60):638～640.