太阳能光伏发电材料进展研究

安清照

（凤阳县东华路87号，安徽 凤阳 233100）

太阳能光伏发电材料进展研究

安清照

（凤阳县东华路87号，安徽 凤阳 233100）

随着人们对可再生能源的探索和日益重视，更多研究在具有广泛应用前景的太阳能领域展开。文章着重论述了光伏发电系统研究进展。其中在提高太阳电池转换效率方面的研究进展有：提出双光子或多光子吸收机制、上转换机制、多激子产生机制、下转化机制以及热载流子电池等；在光伏材料方面，对晶硅材料、薄膜材料以及低维纳米材料的性能研究进行了详细阐述；最后解读了光伏材料的制备与性能表征技术的研究进展。

光伏发电；物理过程；光伏材料；表征技术

长期以来，化石能源在全球能源供应中占居主导地位，传统化石能源的大量使用将产生大量二氧化碳、二氧化硫排放，造成温室效应、臭氧层破坏、酸雨等问题，如果不加控制就会对人类生存环境造成灾难性的后果。目前世界各项能源的储量为石油可供使用40年，天然气70年，煤炭160年，铀70年。为应对气候变化，并为即将来临的能源危机做准备。世界各国纷纷加大对新能源和可再生能源的技术研发，加快对多种形式能源的开发利用。在新能源中，太阳能可谓是“取之不尽，用之不竭”的人类最为理想可靠的能量来源。

太阳能一般指太阳光的辐射能量。在太阳内部进行的由“氢”聚变成“氦”的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，并不断向宇宙空间辐射能量，这种能量就是太阳能。太阳内部的这种核聚变反应，可以维持几十亿至上百亿年的时间。太阳向宇宙空间发射的辐射功率为3.8*1023kW 的辐射值，其中20亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的太阳能，30%被大气层反射，23%被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为8*1013 kW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧500万吨煤释放的热量[1]。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。

太阳能发电包括热发电和光伏发电两种技术，本文着重介绍目前应用较为广泛的光伏技术。光伏发电是利用太阳电池半导体材料的光伏效应即光照能使半导体材料内部的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流，从而将太阳光能直接转化为电能。一套基本的太阳能发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池构成。光伏发电系统以其安装简单、维护廉价、适应性强而获得广泛青睐。[2]

1.光伏发电系统的研究进展

1.1 太阳电池基本物理过程研究进展

传统太阳电池原理建立在半导体物理pn结的基础之上。当光入射到太阳电池上时，半导体材料吸收一定能量的光子，产生光生电子-空穴对。Pn结的内建电场将电子-空穴对分离，在p区积累光生空穴，在n区积累光生电子，这样在pn结两端就产生了光生电势。Pn结两端与外电路连接，在负载中产生电流，由此实现光能向电能的转换。这就是太阳电池起作用的基础。只有当光子能量足够大时，才会被电池吸收，能量小于带隙的光子不能激发电子-空穴对，但有可能产生自由载流子，这对太阳电池光伏转换没有贡献，有时还会使电池性能下降，比如因产生自由载流子发热而使电池性能下降。[3]

为了使太阳电池能吸收能量小于带隙的光子，并使其对光伏转换有贡献，提出了双光子或多光子吸收机制。利用这种机制所面临的主要问题是实现带间能级的合理分布，以及如何在增大光利用率的同时，保证电池的开路电压。另外，现有研究利用掺稀土发光材料实现上转换发光机制，即利用上转换材料吸收能量小于带隙的光子，发出可以被太阳电池吸收的能量大于带隙的光子。这方面存在的问题是如何提高转换效率。

为减少光生载流子产生的能量损失，近来提出了多激子产生（Multiple ExcitonGeneration，MEG）的机制，并已对其进行了初步研究。合理的进展是利用MEG效应制造转换效率大于8%的纳米晶太阳能电池,要实现这一目标的关键进步包括：（1）通过改善材料的表面和界面减少复合损失;（2）改善相邻球形量子点之间的耦合以方便电荷输运;（3）改善电池设计以减少电子和空穴的聚集时间,并提高开路电压（VOC）.在这些关键进步的基础上将验证电池原型中与波长有关的MEG增强光电流的产生。减少载流子热弛豫能量损失的另一种机制是下转换机制，利用下转换材料吸收能量远大于带隙的光子，发出可以被太阳电池吸收的能量略大于带隙的光子。在下转换方面的研究基本仍停留在概念性研究上，急待解决的问题很多。[3]

被pn结分离的光生载流子需要优良的电极取出机制，才能保证光伏转换效率。在这方面，重点研究了电极材料与电池间接触势垒对载流子输运的影响，以及电极栅线电阻、遮光比等所带来的电池能量损失。另外，还提出了一种热载流子电池（Hot Carrier Cells）采用避免光生载流子的非弹性碰撞的方式来减少能量的损失。[4]

1.2 光伏材料研究进展

近年来，光伏材料的研究主要集中在以晶硅材料为代表的体材料、薄膜材料及低维纳米材料等方面。

（1）晶硅材料

1）单晶硅材料：硅主要以 siO2形式存在于石英和砂子中.它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成。该过程能量消耗很高,约为14kwh/kg。该过程所得到的冶金级硅必须进行高度提纯，电子级硅的杂质含量约10-10%以下。制备半导体级硅的成熟方法是西门子法，冶金级硅与氯化氢反应生成三氯氢硅，然后用氢气还原得到高纯硅。拉制单晶有坩埚拉制法和区熔法两种。前者因使用石英坩埚会引入一定量的氧,从而造成氧沉淀物复合中心,影响高效太阳电池少数载流子的寿命.区熔法可以获得高纯度无缺陷单晶。常规采用内圆切割（ID）法将硅锭切成硅片,但该法只适用于直径小于200mm的硅片，材料损耗大,生产率低，成本昂贵。现在已经开发出多线切割法,可以切出很薄（-100Pm）的硅片,切割损失小（-30%）,硅片表面切割损伤轻,有利于提高电池效率,切割成本低。

2）多晶硅材料：高纯硅料获得后，另一种是通过铸锭工艺制成多晶硅锭，然后处理切片。由于铸锭工艺步骤简单，能量消耗少，并且由此所获得的多晶硅太阳电池的转换效率也不会比单晶低很多，具有更高的性价比，多晶硅太阳电池已经逐渐取代单晶硅电池成为了光伏市场的主导。但是，多晶硅铸锭工艺仍然很不完善，如何有效防止铸锭过程中的杂质污染、如何控制多晶硅晶粒的垂直定向生长、以及如何进一步降低成本都是迫切要解决的问题。在后续的切片过程中，如何减少硅料的损失量、如何实现薄硅片切割、如何减少硅片表面的损伤等也是光伏领域关注的重要方面。[5]

（2）薄膜材料

薄膜化是降低电池成本的有效手段。薄膜光伏电池,其薄膜厚度一般在2-3μm。其中包括硅薄膜型、多元化合物薄膜电池、聚合物薄膜太阳能电池和染料敏化太阳能电池。

1）多晶硅薄膜电池：多晶硅薄膜电池是最成功的薄膜电池。最初采用的是a-Si：H材料，但与体硅相比a-Si：H电池效率较低，且具有光致不稳定性。随后发展了nc-Si，μc-Si和poly-Si薄膜电池以及多叠层电池。现今国际上研究的热点和难点是如何高速生长均匀稳定的晶化硅薄膜。在材料中引入了碳组分或者锗组分可以实现带隙调节。目前，初始效率达到15%以上的高效硅薄膜电池就是a-Si/a-SiGe/a-SiGe三叠层电池。在材料研究方面，硅基薄膜材料引入的界面缺陷会限制性能的提高，成为需要解决的重点问题。此外，还有待研究的方向有气源分解、淀积、成膜机制，提高气源利用率等。

2）多元化合物薄膜电池：为了避开硅系太阳能电池存在的普遍问题,人们也在研制其它材料的太阳能电池。这其中主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉及铜铟硒薄膜电池等。[6]砷化镓属于III-V族化合物半导体材料,其能隙1.4eV,并且耐高温性强,在二百多度的温度下,光电转换性能仍不受到太大的影响,并且由于其最高光电转换效率约30%,特别适合做高温聚光太阳电池。因此,是一种很理想的电池材料。砷化镓等III-V化合物薄膜电池的制备类似硅半导体材料的制备,有晶体生长法、直接拉制法、气相生长法、液相外延法等。除砷化镓外,其它III-V化合物如GaSb、GaInP等电池材料也得到了开发。铜铟硒CuInSe2简称CIS，是以铜、铟、硒三元化合物半导体为基本材料制成的多晶薄膜电池,CIS材料的能降为1.leV,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。近来还发展用Ga替代CIS中部分In形成CuIn1-xGaxSe2（简称CIGS）四元化合物。CIGS薄膜由于Ga的掺入,其结晶状况,平整度和致密性都有很大改善,因此刚制备出来的CIGS电池性能明显好于CIS电池[7]。目前CIGS研究的重点是如何提高光伏材料性能和稳定性以及贵金属铟的供给是否会发生短缺等。

3）聚合物薄膜电池：在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是一个新兴的研究方向。其原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势,在导电材料（电极）表面进行多层复合,制成类似无机pn结的单向导电装置。有机聚合物太阳电池材料来源广泛，容易制作，生产成本低，同时具有柔性，可以大大拓宽太阳电池的应用范围。在材料研究方面，主要是改善有机材料对太阳光谱的吸收、调节吸收材料的带隙、同时提高其载流子迁移率。如何获得低HOMO能级的窄带隙有机材料是一大难题。目前，有机太阳电池的实验室效率已经达到了6%以上。提高效率和稳定性是以后的研究重点。

4）染料敏化电池：光电化学电池面临的问题是对太阳光吸收大的窄带半导体在电解液中稳定性差。解决这个问题的一种有效途径是染料敏化太阳电池（DSSC），利用可以有效吸收太阳光的染料来对宽带隙的氧化物半导体进行敏化。1991年瑞士洛桑高等工业学院Gratzel教授等首次将纳米晶多孔TiO2膜作半导体电极引入染料敏化电极中，在AM1.5条件下的光电转换率可达7.1%。2008年，Bai Y等采用用混合离子液体基电解质，配合Z907染料，获得了8.2%的效率[8]。Uchida等人[9]用吲哚啉类染料D205作为敏化剂得到了9.5%的效率,是目前有机染料的最好结果。

（3）低维纳米材料

纳米材料的晶粒微结构尺寸与载流子的散射长度是相同数量级的，因而可使散射速率减小，由此增长载流子的收集效率；通过控制纳米材料的微结构尺寸可以吸收特定能量范围的光子；利用纳米微结构开发叠层电池，可以实现对太阳光谱的全谱吸收；量子阱超晶格中的微带效应，可大大提高光电转换效率；低维材料热载流子辐射收集时间比能量弛豫时间短，可以以此开发热载流子电池；量子点阵列的量子隧道效应，可以避免很多材料性能对载流子输运产生的限制，抑制载流子复合，提高载流子输运效率。正因如此，低维纳米材料，特别是量子点材料被认为可以用来开发超高效太阳电池。目前在这方面开展的研究有量子点纳米晶材料、一维氧化物纳米材料、二维氧化物纳米材料的制备及研究。这些研究仍然属于前沿技术，还没有真正开发出具有实用价值的器件。[10]

1.3 材料和器件的制备与表征技术研究进展

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同时如何进一步降低成本采用发射极钝化、倒金字塔表面织构化、分区掺杂、刻槽埋栅电极和双层减反射膜等技术工艺提高效率.有的采用新工艺技术研制新型结构电池，如日本Sanyo公司研制川T电池，采用PECVD工艺在n型单晶硅片上下面沉积非晶硅层，构成异质结电池，大面积效率21%。晶体硅太阳电池向更薄更省料的方向发展，目前已经发展到了180微米，有些甚至做到了150微米的硅片厚度。从效率和材料来源考虑，太阳电池今后发展重点仍然是硅太阳电池。

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有在玻璃,（Si02和SiN包覆的）陶瓷,（Sic包覆的）石墨等廉价衬底上采用PECVD、RTCVD、HWCVD、ECRCVD等，其中已RF-PECVD为主流，为了提高制备微晶硅的速率,又有VHF-PECVD技术被开发。这些制备技术的不断提升，促进了薄膜硅电池性能的不断提高。生长多晶硅薄膜电池，还有通过激光刻槽和化学电镀实现接触、互联和集成的叠层多晶硅薄膜电池.

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。优化电池结构设计，采用多带隙多pin结叠层电池，减薄各pin结的i层厚度，增强内建电场，降低光诱导衰减，可提高效率和稳定性。

光伏材料表征技术涉及光学性能表征、电学性能表征、光谱性能表征等多个方面，几乎包含了所有材料研究过程中所需要的测试技术。在光学性能表征方面，近来的发展有很多，比如：用于测量太阳电池表面减反膜的厚度、折射率n、消光系数k等参数的椭偏仪测量技术，用于载流子寿命测量的光电导衰退法（PCD）技术，以及针对硅片内部缺陷和漏电通道的红外热成像技术等。太阳电池的电学性能表征技术包括标准电池的标定方法和辐照度测试技术。光谱性能的表征主要是针对光谱响应的测试。近来，这些应用于具体系统架构、组件性能和稳定性分析等方面的技术已取得很大进展，但是随着光伏科学与技术的发展，逐渐涌现出的新研究方向也会对测试表征新技术提出新的需求。

2.前景展望

太阳能光伏发电具有不产生噪音、没有空气污染、不排放废水、维护保养简单，运行可靠性、稳定性好等特点。在传统能源日益枯竭的今天，太阳能尤其光伏发电具有广阔的应用前景。但是，还有很多技术问题有待突破，如提高太阳能电池的转化效率，降低光伏材料成本，以及发展光伏材料和太阳能电池性能的测试表征新技术。

[1]国家自然科学基金委.可再生能源学科发展报告[R].2007.

[2]严陆光,崔容强.21世纪太阳能新技术[C].2003年中国太阳能学会学术年会论文集.上海：上海交通大学出版社，2003.

[3]Goswami,D.Y.,Vijayaraghavan,S.,Lu,S.,Tamm,G..New and emerging developments in solar energy[J].Solar Energy,2004,76（1-3）,33-43.

[4]倪萌,M K Leng,K Sumathy.太阳能电池研究的新进展[J].可再生能源,2004,（2）.

[5]刘志东,邱明波,王炜.太阳能硅片切割技术的研究[J].电加工与模具,2009,（3）.

[6]非晶硅太阳电池的发展机遇凸显[J].阳光能源.2006,（8）.

[7]孙云 ,王俊清 ,杜兆峰 ,舒保健 ,于刚,CIS和CIGS薄膜太阳电池的研究[J].太阳能学报.2001,（2）.

[8]张玉香，戴松元，孔凡太等.染料敏化太阳电池研究和产业新进展[J].太阳能学报.2009,30（6）：718..

[9]Ito S,Miura H,Uchida S,et al.High-Conversion-Effi ciencyOrganic Dye-Sensitized Solar Cells with a Novel In doline Dye[J].Chem ical Comm unications,2008,（41）：5194-5196.

[10]刘静,邓月光,贾得巍.超常规能源技术[M].北京：科学出版社,2010.

TM615 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A

1671-752X（2011）04-0094-03

2011-08-19

安清照（1988-），女，回族，安徽凤阳人，中国农业大学2011届理学学士。

陈圣涛）