太陽(yáng)能電池及材料研究

　　2 多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池

　　為了尋找單晶硅電池的替代品,人們除開(kāi)發(fā)了多晶硅、非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池外，又不斷研制其它材料的太陽(yáng)能電池。其中主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。上述電池中，盡管硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，并不是晶體硅太陽(yáng)能電池最理想的替代。

　　砷化鎵III-V化合物及銅銦硒薄膜電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率受到人們的普遍重視。GaAs屬于III-V族化合物半導(dǎo)體材料，其能隙為1．4eV，正好為高吸收率太陽(yáng)光的值，因此，是很理想的電池材料。GaAs等III-V化合物薄膜電池的制備主要采用MOVPE和LPE技術(shù)，其中MOVPE方法制備GaAs薄膜電池受襯底位錯(cuò)、反應(yīng)壓力、III-V比率、總流量等諸多參數(shù)的影響。

　　除GaAs外，其它III-V化合物如Gasb、GaInP等電池材料也得到了開(kāi)發(fā)。1998年德國(guó)費(fèi)萊堡太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所制得的GaAs太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率為24．2％，為歐洲記錄。首次制備的GaInP電池轉(zhuǎn)換效率為14．7％．見(jiàn)表2。另外，該研究所還采用堆疊結(jié)構(gòu)制備GaAs，Gasb電池，該電池是將兩個(gè)獨(dú)立的電池堆疊在一起，GaAs作為上電池，下電池用的是Gasb,所得到的電池效率達(dá)到31．1％。

　　銅銦硒CuInSe2簡(jiǎn)稱CIC。CIS材料的能降為1．leV，適于太陽(yáng)光的光電轉(zhuǎn)換,另外，CIS薄膜太陽(yáng)電池不存在光致衰退問(wèn)題。因此，CIS用作高轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽(yáng)能電池材料也引起了人們的注目。

　　CIS電池薄膜的制備主要有真空蒸鍍法和硒化法。真空蒸鍍法是采用各自的蒸發(fā)源蒸鍍銅、銦和硒，硒化法是使用H2Se疊層膜硒化，但該法難以得到組成均勻的CIS。CIS薄膜電池從80年代最初8％的轉(zhuǎn)換效率發(fā)展到目前的15％左右。日本松下電氣工業(yè)公司開(kāi)發(fā)的摻鎵的CIS電池，其光電轉(zhuǎn)換效率為15．3％（面積1cm2）。1995年美國(guó)可再生能源研究室研制出轉(zhuǎn)換效率為17．l％的CIS太陽(yáng)能電池，這是迄今為止世界上該電池的最高轉(zhuǎn)換效率。預(yù)計(jì)到2000年CIS電池的轉(zhuǎn)換效率將達(dá)到20％，相當(dāng)于多晶硅太陽(yáng)能電池。

　　CIS作為太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體材料，具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要方向。唯一的問(wèn)題是材料的來(lái)源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。

　　3 聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池

　　在太陽(yáng)能電池中以聚合物代替無(wú)機(jī)材料是剛剛開(kāi)始的一個(gè)太陽(yáng)能電池制爸的研究方向。其原理是利用不同氧化還原型聚合物的不同氧化還原電勢(shì)，在導(dǎo)電材料（電極）表面進(jìn)行多層復(fù)合，制成類似無(wú)機(jī)P－N結(jié)的單向?qū)щ娧b置。其中一個(gè)電極的內(nèi)層由還原電位較低的聚合物修飾，外層聚合物的還原電位較高，電子轉(zhuǎn)移方向只能由內(nèi)層向外層轉(zhuǎn)移；另一個(gè)電極的修飾正好相反，并且第一個(gè)電極上兩種聚合物的還原電位均高于后者的兩種聚合物的還原電位。當(dāng)兩個(gè)修飾電極放入含有光敏化劑的電解波中時(shí)．光敏化劑吸光后產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移到還原電位較低的電極上，還原電位較低電極上積累的電子不能向外層聚合物轉(zhuǎn)移，只能通過(guò)外電路通過(guò)還原電位較高的電極回到電解液，因此外電路中有光電流產(chǎn)生。

　　由于有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料來(lái)源廣泛，成本底等優(yōu)勢(shì)，從而對(duì)大規(guī)模利用太陽(yáng)能，提供廉價(jià)電能具有重要意義。但以有機(jī)材料制備太陽(yáng)能電池的研究?jī)H僅剛開(kāi)始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無(wú)機(jī)材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步研究探索。

　　4 納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池

　　在太陽(yáng)能電池中硅系太陽(yáng)能電池?zé)o疑是發(fā)展最成熟的，但由于成本居高不下，遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模推廣應(yīng)用的要求。為此，人們一直不斷在工藝、新材料、電池薄膜化等方面進(jìn)行探索，而這當(dāng)中新近發(fā)展的納米TiO2晶體化學(xué)能太陽(yáng)能電池受到國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的重視。

　　自瑞士Gratzel教授研制成功納米TiO2化學(xué)大陽(yáng)能電池以來(lái)，國(guó)內(nèi)一些單位也正在進(jìn)行這方面的研究。納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池（簡(jiǎn)稱NPC電池）是由一種在禁帶半導(dǎo)體材料修飾、組裝到另一種大能隙半導(dǎo)體材料上形成的，窄禁帶半導(dǎo)體材料采用過(guò)渡金屬Ru以及Os等的有機(jī)化合物敏化染料，大能隙半導(dǎo)體材料為納米多晶TiO2并制成電極，此外NPC電池還選用適當(dāng)?shù)难趸贿€原電解質(zhì)。納米晶TiO2工作原理：染料分子吸收太陽(yáng)光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的TiO2導(dǎo)帶，染料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶中的電于最終進(jìn)入導(dǎo)電膜,然后通過(guò)外回路產(chǎn)生光電流。

　　納米晶TiO2太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡(jiǎn)單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10％以上，制作成本僅為硅太陽(yáng)電池的1/5～1/10．壽命能達(dá)到2O年以上。但由于此類電池的研究和開(kāi)發(fā)剛剛起步，估計(jì)不久的將來(lái)會(huì)逐步走上市場(chǎng)。

　　5 太陽(yáng)能電池的發(fā)展趨勢(shì)

　　從以上幾個(gè)方面的討論可知，作為太陽(yáng)能電池的材料，III-V族化合物及CIS等系由稀有元素所制備，盡管以它們制成的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率很高，但從材料來(lái)源看，這類太陽(yáng)能電池將來(lái)不可能占據(jù)主導(dǎo)地位。而另兩類電池納米晶太陽(yáng)能電池和聚合物修飾電極太陽(yáng)能電地存在的問(wèn)題，它們的研究剛剛起步，技術(shù)不是很成熟，轉(zhuǎn)換效率還比較低，這兩類電池還處于探索階段，短時(shí)間內(nèi)不可能替代應(yīng)系太陽(yáng)能電池。因此，從轉(zhuǎn)換效率和材料的來(lái)源角度講，今后發(fā)展的重點(diǎn)仍是硅太陽(yáng)能電池特別是多晶硅和非晶硅薄膜電池。由于多晶硅和非晶硅薄膜電池具有較高的轉(zhuǎn)換效率和相對(duì)較低的成本，將最終取代單晶硅電池，成為市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。

　　提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽(yáng)能電池制備中考慮的兩個(gè)主要因素，對(duì)于目前的硅系太陽(yáng)能電池，要想再進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率是比較困難的。因此，今后研究的重點(diǎn)除繼續(xù)開(kāi)發(fā)新的電池材料外應(yīng)集中在如何降低成本上來(lái)，現(xiàn)有的高轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)能電池是在高質(zhì)量的硅片上制成的，這是制造硅太陽(yáng)能電池最費(fèi)錢的部分。因此，在如何保證轉(zhuǎn)換效率仍較高的情況下來(lái)降低襯底的成本就顯得尤為重要。也是今后太陽(yáng)能電池發(fā)展急需解決的問(wèn)題。近來(lái)國(guó)外曾采用某些技術(shù)制得硅條帶作為多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的基片，以達(dá)到降低成本的目的，效果還是比較現(xiàn)想的。