太阳能光伏发电材料研究进展

窦海林 王 波 张靖宇 贾桂香

（中联西北工程设计研究院有限公司，西安 710082）

太阳能光伏发电材料研究进展

窦海林 王 波 张靖宇 贾桂香

（中联西北工程设计研究院有限公司，西安 710082）

化石能源枯竭、生态环境恶化和资源快速消耗等问题给人类未来工业发展及生活带来了巨大压力，太阳能作为一种清洁能源已引起科学家的重点关注。不同材料体系和不同结构的太阳能光伏发电材料近年来发展迅速，本文综述传统无机、有机光伏发电材料最新研究进展，着重论述部分新兴光伏发电材料的发展现状，并分析当前太阳能光伏发电材料存在问题及未来发展方向。

光电转换效率 有机光伏发电材料 新兴光伏发电材料 钙钛矿材料

引言

现代工业生产和人类生活的能量主要来自于传统化石能源，然而，化石能源的不断开采利用却造成能源危机、全球生态危机、能源供应矛盾等不可避免的问题，加快对风能、地热能、核能和太阳能等新能源的开发利用势在必行。在众多新能源形式中，太阳能具有资源丰富、易于获取、安全、洁净无污染等突出优势，为人类解决能源危机提供了新的思路。太阳能光伏发电技术是太阳能开采利用最直接有效的方式，以光生伏特效应为能量转化原理，太阳能光伏发电材料为转化媒介实现光能和电能的转化利用，光伏发电材料的光电性能直接决定了光伏发电转换效率，故光伏发电材料的研发占据重要地位。太阳能用光伏发电材料需要满足如下条件：（1）半导体材料具有合理的禁带宽度和极佳的光电转换性；（2）生产工艺简单设备要求低，便于工业化大规模生产；（3）环境友好型材料，材料本身对全球生态不够成威胁；（4）材料使用寿命长且稳定性高。随着工业技术的快速更新和及研究人员的不断努力，不断出现一系列符合应用要求的太阳能光伏发电材料。

1 无机太阳能光伏发电材料

1.1 硅系

单晶硅是目前工业生产和人类生活中大量推广使用的光伏发电材料。高质单晶硅光伏电池生产及加工技术已能满足规模化工业生产应用，利用单晶硅微纳结构处理和微区化学掺杂可有效改善其光电转换性，有诸多研究者系统地研究了硅微纳结构提高光电转换率对单晶硅光伏发电材料。王秀琴等[1]以单晶硅片表面为衬底利用金属辅助催化无电刻蚀的方法（MCEE），制备出大面积的硅纳米线阵列，研究结果表明硅微纳结构具备良好陷光效应，当纳米线长度为1.6μm时，具有优异的光电性能。用单晶硅光伏材料生产的太阳能光伏器件具有运行可靠、光电转化性良好、性能稳定和使用寿命长等突出优势，但高纯度单晶硅对生产设备要求极高、生产加工工艺较复杂，这直接导致单晶硅电池生产成本较高、价格昂贵、难以大规模推广使用。为满足光伏产业快速增长的市场需求和有效降低单晶硅光伏电池使用成本，多晶硅太阳能光伏电池被研发利用。在德国弗劳恩霍夫协会科学技术人员的努力下，多晶硅太阳能电池的光电转换率实现了20.3%的突破[2]。相对单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池晶界、晶格位错和晶粒取向等缺陷导致电池使用寿命大幅缩短和光电转换效率急剧降低。非晶硅薄膜电池具有弱光效应且吸光系数高，故其发电量和光电转换效率比同量的多晶硅电池高。然而实际应用中，非晶硅光伏电池存在运行稳定性差、光致衰减、光电转化效率低下等问题，这严重制约非晶硅光伏材料的规模化应用。

1.2 无机化合物型

Ⅲ～Ⅳ族化合物半导体光伏材料因具有直接带隙且太阳光吸收波段宽而广泛应用于太阳能光伏发电。GaAs化合物禁带宽度与太阳光谱匹配，是较为理想的太阳能电池材料。Liang等[3]以金属基板为衬底与GaAs纳米晶层复合，制备了具有良好吸光性、较高载流子收集率、较高光电转换率且呈纳米状的太阳能光伏发电材料。此外，Cu、In、Se、Zn等元素在地球上含量丰富、易于提取、生产加工成本低，以这些元素为基制备的太阳能电池受到研究人员和工业生产的重点关注。陶加华[4]利用电沉积法制备了高效Cu2ZnSnS4薄膜材料，转化效率达7.23%。然而，此类材料大多有毒，极大地限制其应用。此外，可采用低成本化学方法可控制备不同纳米结构的TiO2材料，对TiO2纳米结构材料进行染料或量子点敏化处理，制备的电池不但成本较低且转化效率较高，是具有竞争力的太阳能光伏材料。

2 有机太阳能光伏发电材料

2.1 有机小分子型

有机小分子太阳能光伏材料具有重量轻、低成本、化学稳定性好且制备方便等优势，但其迁移率较低。提高有机小分子光电材料的转换效率是研究的重点。张昱等[5]成功设计并制备了结构为D-π-A-π-D有机小分子光伏材料，包括以苯并噻二唑（dFBT）为吸电子单元的BT系列，和以苯骈三氮唑（dFBTA）为吸电子单元的BTAO系列和BTAH系列，它们都以三苯胺（TPA）为供电子单元，π键桥分别由氰基乙烯基（CN）、碳碳三键（T）、碳碳双键（E）和碳碳单键（S）构成，且获得了较高的光电转换效率。

2.2 C60及其衍生物

C60独特的材料结构使其具有8～14nm的电子扩散距离，其特殊的电学特性使电荷的传输更方便，同时也提高了电荷收集率，所以相对其他有机光伏材料，C60的电荷引出效率更高。相比硅系、无机化合物光伏材料，聚合物/富勒烯太阳能电池因其重量较轻、工艺设备简单、成本低廉、优异的光电转换性和易于生产大面积柔性器件等鲜明优势，从而受到科研人员和工业生产的高度关注。近年来，聚合物-富勒烯类聚合物太阳能电池光电转化率实现11%的突破，尤其是以PCBM为典型的富勒烯类电子受体材料。一些研究人员利用溶剂挥发法、自组装法等方法制备出P3BT-nw/C61-PCBM和P3BT-nw/C71-PCBM纳米线，研究结果表明：在太阳光照射条件下，这些C60衍生物纳米材料具有优异的光电转换性、较好的热稳定性和理想的延展性[6]。C60及其衍生物太阳能光伏材料已成为新一代具有巨大发展潜力的光伏发电材料。然而C60及衍生物在可见-近红外光区光子吸收率低下，应用于受体材料器件时必须增强材料自身对太阳光的吸收率。

3 新一代太阳能光伏发电材料

3.1 石墨烯

石墨烯特有的单原子结构使其具有优异的导电性、较高的热导率、极高的载流子迁移率、极佳的柔韧性，是具有良好发展前景的新一代太阳能光伏材料。然而，完整状态下的石墨烯组织表面化学性能较稳定，同时与常用介质亲和性较低，并且石墨烯片间范德华力的存在会引起石墨烯片团聚，这在很大程度上增加了石墨烯的研究难度并限制其应用范围。为克服材料组织带来的困难并充分发挥其优良特性，需要对石墨烯进行系列处理，常用的处理有功能化、化学掺杂和石墨烯结构改性。例如，卟啉对石墨烯的共价键功能化促使电子及能量在石墨烯与卟啉之间发生转移；同时，杂化处理的材料具有优良的非线性光学性质[7]。为有效提高其光电性能。Bi等[8]利用化学气相沉积法制备PMMA-石墨烯-泡沫镍复合材料，将该材料用于CdTe太阳能电池的工作电极，结果表明该新型复合光伏材料具备较高的电子传输率，且光伏发电效率显著提高至9.1%。目前，三维石墨烯及石墨烯衍生物的应用研究已成为国际学者和各大生产厂商重点关注对象之一，期待能在能源、环境和电子等诸多领域发挥更大的应用价值。

3.2 钙钛矿型

钙钛矿太阳能光伏材料不仅具有良好的吸光性和电荷传输速率，而且还能通过不同的结构提升其光电转化效率。因其高达50%的光电转换效率而引起国内外学术人员和生产厂家的高度关注。钙钛矿太阳能光伏材料主要包括钙钛矿吸光材料、空穴传输材料、电子传输材料。

钙钛矿吸光材料实质上是一种有机-无机的杂化材料，其晶胞结构是典型的钙钛矿晶体结构，结构通式为ABX3，其中A为有机阳离子，B为金属离子，X为卤素基团。在该晶体结构中，金属原子B被嵌入立方晶胞体心内，卤素原子X位于立方体面心处，有机阳离子A位于立方体顶点位置。和以共棱、共面形式连接的结构相比，钙钛矿太阳能材料比较稳定的晶体结构更有利于缺陷的扩散和迁移。同时，钙钛矿太阳能光伏材料的光吸收层电致发光与光致发光特性决定其具有直接带隙、较高的光吸收系数、截流子输运性能和较高的缺陷容忍度。为有效调节ABX3钙钛矿光伏材料能带带隙，可以通过能带工程改变ABX33种组分的组合。空穴传输材料用于空穴快速有效传输，其基本要求是材料能级与钙钛矿材料最高已占轨道具有较高匹配度和较高的空穴迁移率。空穴传输材料按材料性质分为无机空穴传输材料和有机空穴传输材料，其中市场应用最广泛的有机空穴传输材料是Spiro-OMETAD[9]，尽管其具有一般空穴传输材料不可企及的光电转换性能，但其制备难度较大、生产成本过高，不利于大范围生产使用。电子传输材料的作用是阻挡空穴与电子互相运动复合且有利于电子高效稳定传输。电子传输材料需要具备较高的电子迁移率和良好的透光性，并且其能级与电极的导带位置互相匹配。钙钛矿太阳光伏材料在快速发展的同时也存在一些亟需突破的问题，如何在提高稳定性的同时还具有较高转换效率是目前的一个难点。

4 结语

太阳能光伏发电材料的不断研究改进对太阳能资源高效、深度开发利用起着至关重要的作用。随着市场对不同光伏发电新技术需求的增加，与之相应的太阳能光伏发电材料的研究需解决以下问题：（1）重点发展新兴高效太阳能光伏发电材料和环境友好型光伏发电材料，不断提高转换效率，降低光伏材料对环境的污染；（2）不断改进和简化光伏发电材料生产工艺，降低对材料生产设备的要求，提高材料使用稳定性；（3）降低材料开发及生产成本、寻找原料来源丰富且用量少的新型材料。

[1]王秀琴.纳米线太阳能电池结构、制造工艺及性能研究[D].镇江：江苏大学，2016.

[2]李峰.德研发出转换率逾20%的多晶硅太阳能电池[J].功能材料信息，2004，（3）：63-63.

[3]Liang D，Kang Y，Huo Y，et al. High-efficiency nanostructured window GaAs solar cells[J].Nano Letters，2013，13（10）：4850-4856.

[4]陶加华.高效率Cu2ZnSnS4薄膜太阳能电池电化学共沉积制备及性能研究[D].上海：华东师范大学，2016.

[5]张昱.基于氟取代BT和BTA有机光伏材料合成与表征[D].大连：大连理工大学，2015.

[6]P Xue，R Lu，L Zhao，et al. Hybrid Self-assembly of a pi Gelator and Fullerene Derivative with Photoinduced Electron Transfer for Photocurrent Generation[J]. Langmuir the Acs Journal of Surfaces and Colloids，2010，26（9）：6669-6675.

[7]Y Hizume，K Tashiro，R Charvet，et al. Chiroselective Assembly of a Chiral Porphyrin−Fullerene Dyad：Photoconductive Nanofiber with a Top-Class Ambipolar Charge-Carrier Mobility[J].Journal of the American Chemical Society，2010，132（19）：6628-6629.

[8]Bi H，Huang F，Liang J，et al. Large-scale Preparation of Highly Conductive Three Dimensional Graphene and Its Applications in CdTe Solar Cells[J].Journal of Materials Chemistry，2011，21（43）：17366-17370.

[9]邓林龙，谢素原，黄荣彬，等.钙钛矿太阳能电池材料和器件的研究进展[J].厦门大学学报：自然科学版，2015，54（5）：619-629.

Research Progress of Solar Photovoltaic Power Generation Materials

DOU Hailin, WANG Bo, ZHANG Jingyu, JIA Guixiang
(Northwest China Engineering Design Institute Co. Ltd., Xi’an 710082)

The problem of rapid consumption of fossil energy depletion, deterioration of the ecological environment and human resources for future industrial development and life has brought great pressure, solar energy as a clean energy has caused the focus of scientists. Different material system and different structure of solar photovoltaic materials has developed rapidly in recent years, the latest research progress of traditional inorganic and organic photovoltaic materials, discusses the development status of some emerging photovoltaic materials and the analysis of the current problems and future development direction of solar photovoltaic materials.

photoelectric conversion efficiency, organic photovoltaic materials, emerging photovoltaic power generation materials, perovskite materials