第25卷 第2期 2006年3月
文章编号:1671-9824(2006)02-0038-04
许昌学院学报
JOURNALOFXUCHANGUNIVERSITYVol.25.No.2Mar.2006
太阳能电池的研究现状及发展趋势
郭 浩,丁 丽,刘向阳
(河南大学物理与信息光电子学院,河南开封475004)
摘 要:太阳能电池的利用可为人类社会提供可再生的清洁能源.综述了太阳能电池的研究
现状,总结了太阳能电池的种类:(1)硅太阳能电池;(2)多元化合物薄膜太阳能电池;(3)有机物太阳能电池;(4)纳米晶太阳能电池.从材料、工艺与转换效率等方面讨论了它们的优势和不足之处,并对太阳能电池的发展趋势进行了预测.
关键词:太阳能电池;材料;转换效率
中图分类号:TM91414 文献标识码:A
太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生清洁能源.在太阳能的有效利用中,太阳能的光电利用是近些年来发展最快、最具活力的研究领域.太阳能电池的研制和开发日益得到重视.太阳能电池是利用光电材料吸收光能后发生的光电子转移反应而进行工作的.根据所用材料的不同,太阳能电池主要可分为四种类型:(1)硅太阳能电池;(2)多元化合物薄膜太阳能电池;(3)有机物太阳能电池;(4)纳米晶太阳能电池.太阳能电池以硅材料为主的主要原因是其对电池材料的要求:(1)半导体材料的禁带宽度不能太宽;(2)要有较高的光电转换效率;(3)材料本身对环境不造成污染;(4)材料便于工业化生产且材料性能稳定.随着新材料的不断开发和相关技术的发展,以其他材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景.本文简要地综述了太阳能电池的种类及其研究现状,并讨论了太阳能电池的发展趋势.
1 硅太阳能电池
硅太阳能电池中以单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟.在大规模应用和工业生产中,单晶硅太阳能电池占据主导地位,但单晶硅材料价格高而且制备工艺相当繁琐.为了节省高质量材料,寻找单晶硅电池的替代产品,现在发展了薄膜太阳能电池,其中典型代表有以高温、快速制备为发展方向的多晶硅薄膜太阳能电池和叠层(多结)非晶硅太阳电池.1.1 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,这种硅片由提拉或浇铸的硅锭锯割而成,因此实际消耗的硅材料更多.为了节省材料,上世纪70年代中期人们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太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,目前较成功的为化学气相沉积法:包括低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)和快热化学气相沉积(RTCVD)工艺.此外,液相外延法(LPE)[1]和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池.
德国夫朗霍费太阳能研究所采用RTCVD法在SSP衬底上制备的太阳能电池转换效率可达8%以上,国内的北京太阳能研究所也采用RTCVD对多晶硅薄膜太阳能电池的制备作了尝试.美国Astropower公司采用LPE制备的电池效率达1212%.中国光电发展技术中心的陈哲艮[2]研究员采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶粒,并设计了一种类似于晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池.多晶硅薄膜电池所使用的硅远较单晶硅少,无效率衰退问题,并且有可能在廉价衬底材料上制备,成本远低于单晶硅电池而
收稿日期:2005-11-05
作者简介:郭 浩(1976-),男,河南南阳人,硕士,主要从事太阳能电池方面的研究.
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效率高于非晶硅薄膜电池,具有良好的发展前景.
1.2 非晶硅薄膜太阳能电池
非晶硅薄膜太阳能电池由于其成本低、便于大规模生产而普遍受到人们的重视并得到发展[3].目前非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多,以PECVD法最为成熟.该法可以在低温下来制备非晶硅薄膜太阳能电池.其中单结非晶硅太阳能电池转换效率已超过1215%[4].日本研究院制得的非晶硅电池的转换效率最高为1312%[5].南开大学的耿新华等[6]采用工业用材料,以铝背电极制备出面积为20×20cm2、转换效率为8128%的a-Si/a-Si叠层太阳能电池.由于非晶硅的光学带隙为117eV,使材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感,这样一来就了非晶硅太阳能电池的转换效率.此外,其光电效率会随着光照时间的延续而衰减,即所谓的光致衰退S-W效应[7],使得电池性能不稳定.解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池,该方面研究已取得两大进展:第一,三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到13%;第二,三叠层太阳能电池年生产能力达5MW[8].
2 多元化合物薄膜太阳能电池
单晶硅电池的替代品主要包括砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池等.与非晶硅薄膜太阳能电池相比,上述电池具有效率高、成本低、易于大规模生产的特点.但由于镉有剧毒,容易产生环境污染问题.因此,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代品.
砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率也受到人们的普遍重视.Ⅲ-Ⅴ族化合物,如GaAs、GaSb、GaInP等电池材料都得到了开发.1998年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的GaAs太阳能电池转换效率为2412%,首次制备的GaInP电池转换效率为14.7%.该研究所还采用堆叠结构制备GaAs/GaSb电池,该电池是将两个的电池堆叠在一起,GaAs作为上电池,下电池用的是GaSb.所得到的电池效率可达3111%.铜铟硒CuInSe2简称CIS,其能隙为1.1eV.适于太阳光的光电转换.另外,CIS薄膜太阳能电池不存在光致衰退问题,可用作高转换效率薄膜太阳能电池材料.主要制备方法有真空蒸镀法和硒化法.其转换效率从上世纪80年代最初的8%已发展到目前的15%左右[9].日本松下公司开发的掺镓的CIS电池,光电转换效率已达1513%(面积1cm2).CIS作为太阳能电池的半导体材料,具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点,但铟和硒都是比较稀有的元素,不易获得.
3 有机物太阳能电池
有机物太阳能电池制备工艺简单(真空蒸镀或涂敷),具有制造面积大、廉价、简易、柔性等优点,可以制备在可卷曲折叠的衬底上形成柔性的太阳能电池.目前,有机太阳能电池在特定条件下光电转换率已达915%[10].
1974年,K.Ghosh等制造出了Al/MgPc/Ag肖脱基势垒(Schottky-barrier)光电池,并对短路电流、有机染料的光吸收常数、有机膜层厚度、量子效率、载流子扩散长度的关系进行了研究.
A.R.Inigo等在Polyaniline(Pani)Schottky-barrier电池中加入CuPc粉末,增加并拓宽了有机膜层的光吸收幅度;在CuPc单晶中掺杂I2时,CuPc层的电导率增大了3个数量级.G.D.Sharma等对金属/染料或敏化染料SnO2的Schottky-barrier电池研究发现通过对染料的敏化和提高电极的功函,势垒高度和激活能都得到了降低.
染料敏化后金属/半导体界面的耗尽层宽度减小,导致近界面的电场增强,强电场迅速将激子成自由电子和空穴,因而提高了电导率和整体效率;另一方面由于空间电荷密度提高而导致的耗尽层宽度收缩也可能有机光电池的性能.
另外,入射到Schottky-barrier电池光电导层的光强有很大部分被电极反射掉,降低了光电池转换效率.S.Hayashi等从共振观点出发,用SPP(surfaceplasmonpolaritons)激发技术改善了CuPcSchottky-barrier电池,在入射角45°的白光照射下,光电转换效率提高到原来的213倍.
4 纳米晶化学太阳能电池
湿化学太阳能电池是一种通过光电极将太阳能转换为电能或电能和化学能的电器件.目前最成功的
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是Gr¨atzel等[11]人提出的染料敏化纳米二氧化钛薄膜为光阳极的太阳能光电池(简称为Gr¨atzel电池),其光电转换效率在模拟日光照射下(AM1.5)已达10%.Muakoshi等[12]以纳米二氧化钛颗粒表面合成导电聚合物聚吡咯作为正负极间电荷输运的传导介质,建立了一种固态光电池.Gr¨atzel等[13]用一种有机空穴导电材料代替液态电解质,结合吸附染料的纳米二氧化钛薄膜制成固态光电池,其单色光电转换效率达到33%,使染料敏化纳米薄膜太阳能光电池的研究向实际应用迈出了一大步.Schon等[14]报道了通过在有机光电二极管中进行有机材料的分子掺杂可以提高光电转换效率.这种由掺杂的并五苯构成的薄膜器件的出现对高效太阳能电池的生产是一个巨大的推动.
染料敏化湿化学太阳能电池由镀有透明导电膜的导电基片、多孔纳米晶TiO2薄膜、染料光敏化剂、电解质溶液及透明对电极等几部分构成.染料敏化太阳能电池的关键问题在于纳米TiO2薄膜的微观结构、敏化染料的选择和载流子传输材料的选择.
电极材料TiO2具备价格便宜、制备简单、无毒、稳定、应用范围广,且抗腐蚀性能好.但其禁带宽度为312eV[15];吸收范围都在紫外区,因此需要染料敏化.为了吸附更多的染料分子,必须制备多孔、大比表面
积的纳米TiO2薄膜电极.
目前多孔纳米TiO2薄膜的制备方法主要有两种:溶胶-凝胶法和由二氧化钛超细粉制得.纳米TiO2
的粒径、气孔率对太阳能电池的光电转换效率具有非常大的影响[16,17].粒径太大,染料的吸附率低,不利于光电转换;粒径大,界面太多,晶界势垒阻碍载流子的输运,载流子迁移率低也不利于光电转换.Gr¨atzel电池中多孔纳米TiO2薄膜电极的粒径多数在100nm以下.另一方面,对制备的不同膜厚的TiO2薄膜电极的光电性质测试表明,厚度为500nm左右的薄膜电极的光电性质最好[18].作为敏化的染料必须具备:(1)TiO2纳米结构半导体电极表面有良好的吸附性,即能够快速达到吸附平衡,而且不易脱落;(2)在可见光区有较强的、尽量宽的吸收带;(3)染料的氧化态和激发态要有较高的稳定性;(4)激发态寿命足够长,且具有很高的电荷传输效率;(5)具有足够负的激发态氧化还原电势以保证染料激发态电子注入TiO2导带.大量实验证明,吸附多层染料效果并不理想是因为只有非常靠近TiO2表面的敏化剂分子才能把激发态的电子顺利地注入到TiO2导带中,多层敏化剂反而阻碍了电子的输运,导致转换效率下降.为了提高染料的单层吸附效率,常采取以下方法:(1)使用高比表面积的多孔膜代替平整膜;(2)增强有机光敏染料与半导体电极表面的相互作用.因为染料的激发态寿命很短(通常为10-8～10-9s),只有与电极紧密结合的染料才有可能将能量及时传递给电极,所以染料最好能化学吸附在电极上;(3)利用有机分子设计合成灵活性高、更多、更有效的多吡啶钌化合物或其他替代物.
染料敏化纳米薄膜太阳能电池多采用液态电解质作为电荷传输材料.液态电解质的选材范围广,电极电势易于调节,因此取得了一定成果.但液态电解质有以下缺点:(1)液态电解质的存在易导致敏化染料的脱附;(2)溶剂挥发,可与敏化染料作用导致染料降解;(3)密封工艺复杂,密封剂也可能与电解质反应.
对于全固态太阳能电池,目前最常用的是空穴传输材料一般为p型.p型半导体材料应满足:(1)在可见光区(染料的吸收范围)内必须是透明的;(2)沉积p型半导体材料的方法不能使吸附在TiO2纳米晶体上的染料溶解或降解;(3)染料的激发态能级在TiO2导带之上,而基态能级在p型半导体价带之下.
5 太阳能电池的发展趋势
改善太阳能电池的性能,降低制造成本以及减少大规模生产对环境造成的影响是未来太阳能电池发展的主要方向.作为太阳能电池材料,其中:(1)由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本,将最终取代单晶硅电池,成为市场的主导产品;(2)Ⅲ-Ⅴ族化合物及CIS等属于稀有元素,尽管转换效率很高,但从材料来源看,这类太阳能电池不可能占据主导地位;(3)有机太阳能电池对光的吸收效率低,从而导致转换效率低;(4)染料敏化纳米TiO2薄膜太阳能电池的研究已取得喜人成就,但还存在如敏化剂的制备成本较高等问题.另外目前多沿用液态电解质,但液态电解质存在易泄漏、电极易腐蚀、电池寿命短等缺陷,使得制备全固态太阳能电池成为一个必然方向.目前,大部分全固态太阳能电池光电转换率都不很理想.纳米晶太阳能电池以其高效、低价、无污染的巨大优势挑战未来,我们相信,随着科技发展以及研究推进,这种太阳能电池应用前景广阔无限.
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责任编校:陈新华
StatusQuooftheResearchonSolarCells
anditsDevelopmentTrends
GUOHao,DINGLi,LIUXiang-yang
(SchoolofPhysicsandInformationOptoelectronics,HenanUniversity,Kaifeng475004,China)
Abstract:Theapplicationofsolarcellscanofferhumansocietyrenewablecleanenergy.Thestatusquoofthere2searchonsolarcellswasreviewedinthispaper.Thetypesofsolarcells,includingsiliconsolarcells,thinfilmsolarcells,organicsolarcellsandnanocrystallinephotovoltaicsolarcellsweresummarized.Theadvantageanddisadvantageondifferenttypesofsolarcellswerediscussedinvariousaspectssuchasmaterials,technicsandconversionefficiency.Atlastthedevelopmenttrendsofsolarcellswerepredicated.
Keywords:solarcells;material;transitionefficiency
