基于无机化合物类的薄膜太阳能电池材料的研究

刘辉文

摘 要：随着近些年来我国现代化建设水平的不断提升，各行各业对于各种能源的需求量也在不断提升。由于火力发电对于环境造成了大量的压力与影响，寻找新能源并提升新能源的应用效率已经成为了当务之急，而作为研究较为成熟、应用较为广泛的能源之一，太阳能的应用也就成为了研究的核心。本文结合当前我国基于无机化合物类型的薄膜太阳能电池材料的技术发展应用现状，就其应用技术与传统太阳能的比对优势以及无机化合物材料在其中的具体作用进行简要分析，以期能够促进行业的进步与发展，同时为我国的现代化建设提供新的思路与技术。

关键词：无机化合物 薄膜太阳能 电池材料

中图分类号：TM914.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（a）-0099-02

作为人类发展过程中必须要面对的基本问题，能源与环境这两种元素也逐渐成为了限制人类发展的关键因素。在社会不断进步与发展过程中，人类对于能源的需求量不断提升，石油价格的不断走高以及整体储量的不断衰竭也预示着能源危机即将到来，除了选择可再生能源外人类已经别无选择。作为生命活动的根本能源，太阳能的综合利用也当之无愧成为了人们关注的焦点。

1 薄膜太阳能电池技术应用现状

人们都知道，太阳能电池的基本原理是光伏效应，通过光照照射在半导体或者半导体与金属结合的部分产生相应的电位差来趋势电子顺向移动从而产生了电流，这种效应自发现以来就被广泛应用于科研领域，但是在实际使用中由于科技发展的局限性以及成本和使用寿命等方面的问题，太阳能技术一直受到各种制约而无法获得有效的普及与发展。在典型的太阳能电池模型中，光子入射到半导体的PN结处，通过PN结的电极变化出现相应的输出功率电压值，从而导致电子和空穴出现相反方向的分离，随着这个过程的不断深入与延续也就出现了电荷的积累，最终出现电势差，将这种电势差视为电源，街上导线即可直接作为能源为人类使用。

与传统的硅晶半导体太阳能电池类似，薄膜太阳能电池也是通过光伏效应来实现电荷累积出现点位差的效果实现电池的实际作用，但是在应用过程中我们发现，薄膜太阳能电池由于具有较强的吸光性，所以在综合光电转换效率上要远远高于常规的传统硅晶半导体材料，再加上在硅晶半导体的生产成本较高，材料来源限制性也较强，所以在推广与普及方面显然不存在任何优势，而无机薄膜材料的原料来源十分广泛，再加上加工流程十分简单，所以具有较强的发展潜力。当前我国在太阳能薄膜电池领域存在不同的分类，包括无机化合物类、材料敏化类以及有机和硅基等不同的种类，即使是同一种类不同种材料对于太阳能的光电转换效率以及使用特点也具有不同的特征，本文也结合当前国内主要几种无机化合物类材料的技术应用现状，浅析太阳能薄膜电池的应用现状与前景。

2 无机化合物类材料在薄膜太阳能电池技术中的应用分析

当前我国无机化合物类材料在薄膜太阳能电池技术应用的种类不下上百种，但是理论建设较为完善同时已经具有一定经济价值的主要分为以下几种类型。

2.1 铜铟硒薄膜太阳能电池

铜铟硒作为一种三元化合物，其主要是通过黄铜矿以及闪锌矿两种具有同素异形结构的晶体融合而来，由于这两种物质广泛存在于我国的西南部地区，所以具有较大的发展潜力以及较低的成本价格。在该晶体结构内部，由于存在带隙半导体，同时带隙为1.1eV，所以十分适合太阳光的光电转换，另外由于cis薄膜太阳能在使用过程中并不像传统的硅晶半导体那样具有明显的衰减周期，所以可以作为太阳能半导体材料使用。另外，价格低廉、工艺简单以及无光诱导衰变现象等都是铜铟硒薄膜太阳能电池的优势。

当前国际上对于铜铟硒薄膜太阳能电池所进行的实验与研究较为广泛，理论基础也较为完善，其制备的主要措施是真空蒸镀法以及硒化法，这两种方法都是通过在玻璃以及其他廉价的沉底上实现依次沉积的方式获得多层薄膜，由于可以进行批量生产，所以其应用的效果也较好，一些发达国家已经实现了铜铟硒薄膜太阳能电池的量产，比如说德国人通过以铜片为基底制备薄膜太阳能电池卷的方式来实现电池的稳定化以及大面积生产化。而日本著名的昭和石油公司还开发出了高达800m2的转化效率不低于15%的铜铟硒薄膜太阳能电池，可见该种无机材料的应用前景十分光明。

2.2 碲化镉薄膜太阳能电池

碲化镉是Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体材料，由于带隙1.5eV，所以与太阳的光谱十分契合，同时也具有较强的光电转化效率，被视为一种稳定的光伏材料。通过理论计算我们得知，碲化镉具有超过28%的光电转换理论效率，远远高于普通硅晶半导体材料太阳能电池的15%，同时还可以通过大面积薄膜的沉积来提升生产的效率，是当前最接近量产的太阳能无机化合物材料薄膜技术之一。在使用过程中，碲化镉太阳能电池通过异质结来实现晶格常数的变化，这样一来就可以表现出平时所不具备的优良电学性能，为提升太阳能电池的填充效果奠定了可靠的基础。

当前碲化镉薄膜电池的生产工艺主要有丝网印花烧结以及真空蒸发等方法，个别情况下还会使用近空间升华以及溅射等方法。

值得注意的是，碲化镉薄膜电池发展过程中受到有毒元素以及矿藏量等方面的影响，其发展受到了较大局限，直接影响了研究价值以及相应的应用范围。

2.3 砷化镓薄膜太阳能电池

砷化镓属于Ⅲ-Ⅴ化合物，在应用于光伏产业时具有十分明显的电光学性能优势，其能隙恰好为1.4eV，这与太阳光的吸收值完全相同，从而有效提升了对太阳光谱的匹配度，在使用过程中科学家们还发现，由于砷化镓的晶格结构较为紧密，所以具有优良的耐高温性能，这是其他无机材料在应用于薄膜太阳能电池过程中所不具备的。要知道，长期暴露于太阳下如果不具备优良的热稳定性就会出现逐步分解，造成整体化学性质不稳定最终导致丧失光电转化能力。所以砷化镓是一种较为理想的无机化合物类光伏材料。在实验室中，美国科学家也已经通过实验数据证明了这一点，目前全球砷化镓薄膜太阳能电池最高的光电转换效率高达33%，远远高于其他种类的太阳能光伏材料。

不得不承认，由于砷化镓属于剧毒，再加上在实际生活中这些材料都属于稀缺材料，所以在发展过程中具有一定的局限性。另外，该种无机材料属于聚光性材料，只有在透镜焦点附近才能够实现良好的光电转化，一旦出现偏移就会大大降低光电效率，影响电池性能。而过分依赖聚焦又会缩减电池的整体光照面积，显然这个问题如果不解决，该种电池依然没有用武之地。

3 结语

综上所述，太阳能作为一种取之不尽的可再生资源，其综合利用水平直接影响到人类的发展速度与规模，同时也会影响到各行各业的发展稳定性与发展前景。就當前我国太阳能电池的发展现状而言，绝大多数电池依然是使用硅晶太阳能电池，但是由于这种太阳能电池需要较高的工艺处理才可以实现一定的吸收比率，同时还具有造价成本高以及材料来源局限等问题，所以影响到了太阳能行业的普及与发展。为了解决这个问题，选择大量存在于地表表面的无机材料制作薄膜太阳能电池不但可以解决成本问题同时还可以提升光电转换效率，从而为人们的生产生活提供源源不断的能源的同时更是可以促进我国现代化建设与发展。

参考文献

[1] 胡笑添.无机化合物类薄膜太阳能电池研究与发展[J].江西化工，2012（2）：20-22.

[2] 姜玉娇，陈飞，钟国伦.聚噻吩/无机纳米异质结薄膜太阳能电池材料的研究进展[J].化工新型材料，2012（9）：1-3.

[3] 范勇，秦宏磊，密保秀，等.太阳能电池材料-铜锌锡硫化合物薄膜制备及器件应用研究进展[J].化学学报，2014（6）：643-652.endprint