探析太阳能电池材料发展现状

易欣欣

（长沙市南雅中学，湖南长沙，410000）

0 前言

当代社会，随着社会经济的快速发展，人们对资源的依赖性不断提升，石油、天然气、煤炭等传统能源物质的逐渐消耗，而这些能源都属于不可再生资源，而且已经不能满足社会的实际需求，能源问题的严重性愈发显露。目前，太阳能、地热能、潮汐能、风能等新型能源的开发为解决能源问题提供了有效的策略，其中，太阳能在使用过程中不会对环境产生污染，而且以其取之无尽、用之不竭的显著特点备受人们关注。太阳能又称“光电池”，能通过光-电或光-热-电的途径将太阳光转化成电能。但是，目前大多数太阳能电池存在制造成本昂贵、废弃污染问题、能量转换效率低和使用稳定性差等缺点，导致其在实际应用受到极大的限制。因此，开发经济、环境友好型材料用以制备高效且稳定的太阳能电池成为了人们研究的重点[1]。按照材料的不同，太阳能电池可分为硅基太阳能电池、有机聚合物太阳能电池、无机化合物太阳能电池、有机无机杂化太阳能电池、染料敏化太阳能电池等类别，本文选取其中具有代表性的四种太阳能电池材料，进行阐述其发展现状。

1 硅基太阳能电池

硅基太阳能电池的本质是半导体材料，按其构成可以分成三类，分别是，单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池以及非晶硅薄膜太阳能电池。硅基太阳能电池吸收太阳光，通过在材料中的光电转换进行反应，产生电流蓄积能量，完成电池的工作。在众多太阳能电池中，硅基太阳能电池的技术无疑是最为成熟的，其具有光电转换效率高、寿命长、使用方便、原料丰富等优点，因此，硅太阳能电池在今后的太阳能电池发展中具有极大潜力。例如，松下公司制备的单晶硅太阳能电池的光电转换效率达到了26%，与晶体硅的理论效率29%已经非常接近了[2]。相对单晶硅电池而言，多晶硅的成本较低，但转换效率往往不及单晶硅。非晶硅薄膜电池的转换效率低于晶体硅太阳能电池，而且存在光衰退的现象，其稳定性和转换率有待进一步提高。

硅基太阳能电池经过几十年的研究和发展，其目标致力于不断降低光伏发电成本，目前已经取得了一些成就，如单位电池中控制使用的硅基原料量，不断提高光电转换的效率，使用新工艺制作越来越薄的商用化电池。然而，硅基太阳能电池的成本依然成为限制其在电池行业乃至能源产业中的最大因素，无论是国内市场还是国外市场都面临巨大的挑战和机遇。

2 有机聚合物太阳能电池

有机聚合物太阳能电池，是一类以有机材料为基础的光电转换材料。它的主要原理是利用有机化合物材料以光伏效应而产生电压，形成电流实现太阳光向电能的转换。有机聚合物太阳能电池的突出优势在于使用的原料为聚合物分子，其成本低廉，工艺简单，可塑性强，便于实现柔性可折叠的透明电极等。尤其在近几十年的发展过程中，有机聚合物太阳能电池材料在器件制备以及材料合成等方面得到了充分的应用。最近的研究表明，在实验室条件下研究者通过不断优化制备条件，将有机聚合物太阳能电池的转换效率提升到10%以上[3]。尽管与之前提到的传统硅基太阳能电池相比还有一定的差距，如容量不够大、规模生产转化效率低等，但是有机聚合物太阳能电池使用的原料安全，而且原料种类繁多可提供更大的选择空间，这使这类电池有着很大的应用潜力。同时，广大科研工作者也在积极研究，致力于开发具有效率更高，容量更大的有机聚合物太阳能电池材料。

3 染料敏化太阳能电池

染料敏化太阳能电池利用光敏材料如纳米二氧化钛和光敏染料，模拟自然界植物中的叶绿素进行光合作用，将太阳光转换成人们需要的电能。与其他传统太阳能电池相比，染料敏化太阳能电池的具有其独特的优点，如制备设备易操作、制作工艺更加简单、生产过程中厂房设施中不需高洁净度等，因此这种太阳能电池的制作成本十分低廉，制作一块染料敏化太阳能电池仅为传统太阳能电池的十分之一到五分之一。该电池使用的材料不仅是价格便宜，而且环保无污染，常用的材料如纳米二氧化钛、电解质、染料等，在目前国内外市场都十分容易获得。同时，染料敏化太阳能电池具有普适的工作条件，对光线的要求较低，即使在阴天光线不足的情况下也能工作。因此，染料敏化太阳能电池是一类十分具有实现产业化进行实际生产应用的材料，具有极大的发展潜力。

但是，染料敏化太阳能电池仍存一些问题。目前，其作为电池材料的转化效率不高，最高只有11%[4]，远远低于传统的其他类电池材料。因此，要实现这一低成本的新型材料投入生产并真正使用，还需进一步提高染料敏化太阳能电池的转化效率。另外，该类电池使用的稳定性低，长期使用会出现转换率降低乃至失效的情况出现，这也成为了一大限制其发展的原因。总之，要想将这种性价比高的太阳能电池真正应用在我们的日常生活中，还需要广大科研工作者的不懈努力。

4 有机-无机杂化太阳能电池

有机-无机杂化太阳能电池主要以钙钛矿材料为代表，具有十分广阔的应用前景。钙钛矿结构材料是由俄国矿物学家佩罗夫斯基发现的，它的晶型是一种ABX3结构，其中X一般多为卤素原子或氧原子，是最近十年刚刚发现并兴起的一类新材料。2009年世界上首次报道的钙钛矿太阳能电池的转换率仅有3.8%，之后这一类电池得到科学界广泛的关注，2013年Science杂志将其列为十大科技突破之一，而且目前其转换效率已经可以达到20%以上[5]。

有机-无机杂化钙钛矿电池发展经历了两个阶段，分别是液态电解质钙钛矿电池和全固态钙钛矿电池。第一种有机-无机杂化钙钛矿材料在使用过程中其液态电解质易挥发稳定性差，因此科学家渐渐开始将注意力转向研究固态太阳能电池。全固态钙钛矿太阳能电池的优点很多，相对液态电解质钙钛矿电池，其光电转换效率更高，具有更大的开路电压。而且，弥补了液态电解质存在的问题，如易挥发、易泄漏、难封装。科研工作者研究使钙钛矿太阳能电池从液体到固体，大大提高了其应用性，使钙钛矿太阳能电池被认为是最有可能商用的新型太阳能电池。

虽然目前钙钛矿太阳能电池的光电转化效率高，发展前景被人看好，但钙钛矿太阳能电池的使用还有一个问题需要解决-面积过小，一般情况下其电池的面积不超过0.1cm2。因此，实现钙钛矿太阳能电池的关键在于制造出大面积且高效的转换材料。

5 结束语

综述所述，本文针对四类太阳能电池的发展现况进行了研究：传统硅太阳能电池工艺成熟，尽管目前得到广泛使用，但造价昂贵；有机太阳能电池制作过程简单易实现、生产成本低，而寿命和稳定还需要提高；染料敏化电池制作工艺简单、原料便宜且可塑性强，但是转化效率低、稳定性差；而以钙钛矿为代表的有机-无机杂化太阳能电池的崛起为研究高效的太阳能电池提供了全新思路。太阳能电池作为一种新兴材料，在解决人类能源危机上十分具有发展前景。因此，本文主要是对各种材料的太阳能电池进行了现状分析，希望能够为今后太阳能电池材料发展提供一定的指导意义。