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薄膜太阳能电池的研究进展1.论述太阳能电池的简介太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。能源危机引起了全世界各国的有识之士的密切关注，人们开始向可再生能源（风能、潮汐能、太阳能等）投入大量的人力物力来解决能源危机问题。其中，太阳能是最理想的可再生能源之一。据估算，太阳每年照在地球表面上的能量大约在3×1024焦耳，人类目前一年所消耗的能源仅为它的十万分之一，也就是说太阳每年照射到地球表面上的能量是我们人类目前消耗量的一万倍，如果把照射到地球表面的太阳能的千分之一，按照百分之十的转化率，也就是万分之一转化成电，就能满足人类目前能源消耗量[1]。2.太阳能电池的发展历史据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。而从真正的对太阳能的研究始于1839年法国物理学家E.Becquerel对液体光伏效应的发现。随后在1877年W.G.Adams和R.E.Day研究了硒（Se）的光伏效应，并制作第一片硒太阳能电池，给人们指明了太阳能电池的研究方向[2]。直到1954年贝尔实验室研究人员D.M.Chapin、C.S.Fuller和G.L.Pearson报道了4.5%转化效率的单晶硅太阳能电池的发现，几个月后转化效率达到了6.5%，使太阳能电池真正的得到广泛的应用。今天，世界太阳能电池年产量超过760MW，德国研发的晶体硅太阳能电池效率最高达到了20%[3]。我国早在1958年就开始研制太阳能电池，1959年我国中科院半导体所研制成功了具有实用价值的太阳能电池，并在1971年3月在我国发射的第二颗人造卫星——科学试验卫星实践一号上首次应用太阳能电池。现在，我国的太阳能电池组件产量在10MW/年以上，我国已成为世界重要的光伏工业基地之一，初步形成一个以光伏工业为源头的高科技光伏产业链[4][5]。3.薄膜太阳能电池的种类3.1硅薄膜太阳能电池开发太阳能电池的两个关键问题是提高效率和降低成本[6]。单晶硅太阳能电池是在厚度350-450μm的高质量硅片上制成，受单晶硅价格及相应繁琐的制备工艺影响，其价格居高不下，为节省高质量材料，发展了薄膜太阳能电池，其中非晶硅薄膜太阳能电池和多晶硅薄膜太阳能电池是其中典型代表。3.1.1非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池是用非晶硅半导体材料在玻璃、特种塑料、陶瓷、不锈钢等为衬底制备的一种薄膜电池。非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有反应溅射法、低压化学气相沉积法(LPCVD)等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)。为生产高质量的非晶硅，对非晶硅材料制备方法也进行了研究，等离子体化学气相沉积法特别是RF辉光放电法已经广泛应用[7]，并提出H2稀释PECVD法。非晶硅薄膜成本低是一种很好的太阳能电池材料,但由于其光学带隙(1.7eV)与太阳光光谱不匹配，所以限制了非晶硅太阳能电池的转化效率并且其光电效率会随光照时间增加而衰减[8]。3.1.2多晶硅薄膜太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池是将多晶硅薄膜生长在低成本衬底材料上。用相对薄的晶体硅层作为太阳能电池的激活层，不仅保持了晶体硅太阳能电池的高性能和稳定性。而且材料的用量大幅下降，成本明显降低。多晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有化学气相沉积法、液相外延法、金属诱导晶体法、非晶Si薄膜固相晶化法、激光晶化法和等离子喷涂法。目前多晶硅薄膜太阳能电池的转化效率接近单晶硅太阳能电池的转化效率。如日本三菱公司在SiO2衬底上制备的多晶硅薄膜太阳能电池光电效率达16.5%。德国费来堡太阳能研究采用区熔再结晶技术制得多晶硅电池转化效达19%[9]。3.2多元化合物薄膜太阳能电池硅基薄膜太阳能电池的转化效率提高潜力有限,近年来开发出了以Cd-Te、Cu-In-Se和Ga-As等为代表的新型无机多元化合物薄膜太阳能电池。3.2.1Cd-Te薄膜太阳能电池Cd-Te薄膜太阳能电池属于多晶薄膜太阳能电池，由于Cd-Te基电池结构简单，成本相对较低，成为近年来国内外研究的热点。Cd-Te存在自补偿效应，制备高电导率同质结很困难，实用的电池多为异质结结构。Cd-S的结构与Cd-Te相同，晶格常数差异小，是Cd-Te基电池最佳的窗口材料。Cd-Te/Cd-S薄膜太阳能电池制备技术主要有真空蒸镀法、溅射法、电化学沉积法等。目前Cd-Te/Cd-S薄膜太阳能电池的实验室转化率已达到16.5%[10]。关于Cd-Te薄膜在太阳能电池中的应用，AlessioBosio等[11]对制备高效Cd-Te/Cd-S太阳能电池的方法进行了综述，指出Cd-Te薄膜技术是大面积组件产品的关键。随着实验室研究和工业生产工艺研究的不断探索，Cd-Te基薄膜太阳能电池有望成为市场主角。3.2.2CIS薄膜太阳能电池CuInSe2是一种三元化合物，是直接带隙的半导体材料，常温下带隙宽度为1.0eV，光吸收系数很大（大于104），0.5μm厚的CuInSe2可以吸收90%的太阳能光子，所以薄膜不需很厚，可以降低成本。由于太阳光的最佳禁带宽度为1.45eV所以在CuInSe2上掺杂其它元素可以使其接近最佳禁带宽度。目前主要用Ga代替部分In，用S代替部分Se来实现。同时可以调整In/Ga的比值使材料带隙宽度覆盖1.05-1.7eV，从而大大提高CuInSe2转化效率。K.Ra2manathan等[12]制备出了转化效率达19%（CuInSe,S)2太阳能电池。M.A.Contreras[13]和MiguelA[14]在不同条件下得到Cu（In,Ga)Se2太阳能电池的转化效率分别为19.5%和20%，几乎和单晶硅太阳能能电池转化效率相当。CIS(CIGS)薄膜太阳能电池被认为是一种很有发展前途的太阳能电池，但目前的研究还是处于实验阶段，如何进一步提高转化率，降低成本，探索新的工艺条件，提高制作过程的可重复性，寻找CIS(CIGS)可替代新的廉价、无毒元素来掺杂等问题有待解决。3.3纳米晶薄膜太阳能电池纳米晶薄膜太阳能电池是人们在探索电池制备新工艺、新材料和电池薄膜化过程中发展起来的一种新型光伏器件，受到了国内外研究者重视。3.3.1TiO2基薄膜太阳能电池TiO2是一种价格便宜、无毒、稳定且抗腐蚀性良好的半导体材料。纳米尺度的TiO2为宽禁带半导体，对太阳光的吸收率很低。需要对TiO2薄膜进行敏化。一是与窄禁带半导体复合。如ZhaoyunLiu[15]用SnO2与TiO2复合制备TiO2/SnO2复合膜，并讨论了TiO2:SnO2的比例对光电流的影响。二是杂质掺杂敏化。如SahiA[16]用溅射方法制备掺N的TiO2杂化膜，其吸收光谱比TiO2宽。三是用染料敏化。染料敏化纳米晶TiO2薄膜太阳能电池是利用TiO2纳米晶薄膜吸附无机或有机染料作为敏化剂而制备的一种新型太阳能电池。染料敏化纳米晶TiO2薄膜太阳能电池以其潜在的低成本、制作工艺简单和电池制备低能耗等优势赢得了世人的关注。从1991年Gratzel教授和他的课题组获得了7.1%的转换效率后，于2005年又获得了模拟太阳光下11%的高的光电转化效率[17]。3.3.2ZnO纳米晶薄膜太阳能电池ZnO同TiO2一样属于宽禁带半导体材料，研究表明TiO2薄膜中存在大量的表面态，束缚电子在薄膜中传输，导致暗电流增加，降低了TiO2电池的总效率[18,19]。与TiO2相比，电子在ZnO中的迁移率大[20]，能够减小电子在薄膜中的传输时间。并且ZnO的制备要比TiO2简单的多，有望进一步降低电池的成本。所以自从1994年Redmond等采用钌的配合物为染料,在波长520nm处成功地获得了13%的单色光转化效率后人们对ZnO纳米晶薄膜太阳能电池的研究逐渐表现出浓厚兴趣[21]。3.4有机薄膜太阳能电池有机薄膜太阳能电池是以有机物分子作为半导体材料的光伏器件。其工作过程有3个步骤[22]：①光激发产生激子；②激子在给体/受体界面分裂；③电子和空穴的漂移及其在各自电极的收集。目前报道的该类电池主要有3种结构:单质结结构、双层p-n异质结结构和p型-n型体相异质结结构。单质结结构薄膜太阳能电池制备工艺简单、价格便宜，但光伏性能强烈依赖于电极的性质，并且有机物大的串联电阻使光电流降低；双层p-n异质结结构中界面面积有限产生的光生载流子有限，光电转换效率受到限；p型和n型体相异质结结构是将p型和n型有机半导体材料进行混和而制备的光伏器件，增加了界面面积，光转换效率得以提高。共轭聚合物容易与其他无机和有机材料共混制成杂化器件，并能制成特种形状、大面积、柔性器件，所以聚合物本体异质结型太阳能电池备受世人关注。4.评价太阳能电池的性能参数（一）开路电压[23][24]开路电压Uoc，即将太阳能电池置于100mW/cm2的光源照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。可用高内阻的直流毫伏计测量电池的开路电压。（二）短路电流短路电流Isc，就是将太阳能电池置于标准电源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流。测量短路电流的方法，是用内阻小于1欧姆的电流表接在太阳能电池的两端。（三）最大输出功率太阳能电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到了太阳能电池的伏安特性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率，用符号Pm表示。此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用符号Um和Im表示，Pm=UmIm。（四）填充因子[23]太阳能电池的另一重要参数是填充因子FF，他是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比：FF=Pm/(UocIsc)=UmIm/(UocIsc)FF是衡量太阳能电池输出特性的最重要指标，是代表太阳能电池在带最佳负载时，能输出的最大功率的特性，其值越大表示太阳能的输出功率越大。FF的值始终小于1.FF可有下面的经验公式给出：FF=[Voc—ln(Voc+0.72)]/(Voc+1)其中Voc是归一化的开路电压，即Uoc/(nKT/q)。当Voc＞15时，该公式的精度可达4位有效数字。实际上，由于手串联电阻和并联电阻的影响，实际太阳能电池填充因子的值要低于上式所给出的理想值。串、并联电阻对填充因子有较大影响，如下图-1所示。串联电阻越大，短路电流下降越多，填充因子也随之减少的越多；并联电阻越小，这部分电流就越大，开路电压就下降的越多，填充因子随之也下降的越多。图-1串并联电阻对填充因子的影响（5）转化效率[23]太阳能电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转化效率，等于太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比：地面用太阳能电池的测试标准为：大气质量为AM1.5时的光谱分布，入射的太阳能辐射度为1000W/m2，温度为25℃。在此条件下太阳能电池的输出功率定义为太阳能电池的峰瓦数，用符号表示为Wp。太阳能电池的光电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数，他与电池的结构、材料性质、工作温度、放射性离子辐射损伤和环境变化等有关。其中制造电池半导体材料禁带宽度的关系最为直接。首先，禁带宽度直接影响最大光生电流即短路电流的大小。由于太阳光中光子能量有大有小，只有那些能量比禁带宽度大的光子才能在半导体中产生光生电子-空穴对，从而形成光生电流。所以，材料禁带宽度小，小于他的光子数量就多，获得的短路电流就大；反之，禁带宽度大，大于他的光子数量就少，获得的短路电流就小。但禁带宽度太小也不合适，因为能量大于禁带宽度的光子在激发出电子-空穴对后剩余的能量转变为热能，从而降低了光子能量的利用率。其次，禁带宽度又直接影响开路电压的大小。开路电压的大小和P-N结反向饱和电流的大小成反比。禁带宽度越大，反向饱和电流越小，开路电压越高。结束语[25]：太阳能辐射能转换成电能的卡诺循环效率可达95%，而目前太阳能电池理论效率的上限仅为33%，这说明太阳能电池的光电转换效率还有很大的提高空间。研究表明，造成太阳能电池能量损失的主要原因有：①第一位的损失是热损失，光生载流子对能很快