太阳能电池材料发展和前景

龙源期刊网太阳能电池材料发展和前景作者：孙乃忠秦虎刘树军来源：《新材料产业》2014年第08期随着全球经济的发展，人类对能源的需求越来越大，传统的化石能源也日渐枯竭，各国纷纷重视对新型能源的研究，在使用过程中不会对环境造成污染的太阳能就是其中一种。近年来，随着使用传统能源带来的问题逐渐凸显，大阳能光电领域越来越受到重视。各国政府不断加大投入，以期在太阳能电池领域争得领先地位。一、太阳能电池的种类伴随着经济、社会、科学技术的发展，人类对能源的需求越来越大，资源面临着日益枯竭的状况，需要开发新的清洁能源。太阳能作为一种可再生的能源，有着清洁、高效的特点，很多国家对此特别重视，纷纷组织本国的学者积极地研究太阳能利用材料，尤其是注重对太阳能电池的研究。就目前来看，半导体材料是生产太阳能电池最为重要的一种原材料[1]，主要依据是半导体在吸收光能后发生光电转换反应而制成。目前，可以根据材料的不同进行分类，具体的类别为：①硅系太阳能电池，主要是指以单晶硅、多晶硅薄膜为主要材料制成的太阳能电池；②采用聚合物修饰的太阳能电池，主要利用电极的转移原理制成；③纳米晶化学太阳能电池，这是未来的主要发展趋势[2]。1.硅系太阳能电池（1）单晶硅太阳能电池在太阳能电池中，硅系太阳能电池的转化效率最高，这其中又以单晶硅太阳能电池的研究技术时间最久，也是比较成熟和效果显著的一种技术。高质量单晶硅材料的生产工艺以及材料的成热加工处理工艺是高性能单晶硅电池生产的基础和前提[3]。目前，单晶硅的电池生产工艺已经比较成熟，主要采用表面织构化和在某些局部进行合理的掺杂等技术制作太阳能电池，用这种技术制成的电池种类有限，具体表现为二维单晶硅太阳能电池和电极单晶硅电池。在提高太阳能的转化效率时采用的工艺为微结构处理。在这个领域，德国的研究走在了世界的前列[4]，他们主要采用光刻照相的技术，对电池表面进行相关的处理，最后将其制作成倒金字塔的结构。另外，通过相关的技术，将其表面的涂层进行处理，增加表层的厚度，在经过一系列技术手段改进后，太阳能电池不仅宽度提高，而且其高度也大大增加，通过这些新兴技术改造后，太阳能电池的光电转化效率可以提高到27%。美国的几家公司所研制出的大面积太阳能电池转化效率稍显逊色，只有20%左右。长期以来，中国科学院也积极对其进行研究，研制成功的单电晶太阳能电池转换效率为19.24%，成果比较显著[5]。龙源期刊网在目前所研制的太阳能电池中，以电池的转换率为标准来看，单晶硅的太阳能电池无疑居于首位，这是无可争议的事实。另外，单晶硅太阳能电池已经大规模推广应用，应用范围也较为最广泛。但单晶硅的价格较高，这是因为单晶硅材料的高成本和复杂的生产工艺所致。（2）多晶硅薄膜太阳能电池一般的晶体硅太阳能电池是用高质量的硅片通过一定工艺研制的而成，这种硅片的厚度在365～465μm范围内，以硅锭为材料经过一系列环节制成。这样一来，就不可避免地消耗了大量的材料，造成了许多浪费。为解决此问题，从20世纪80年代开始，研究者利用廉价衬底通过沉积制成多晶硅薄膜，但是存在很多问题，主要是硅膜晶粒较小，难以制成合格的太阳能电池。以后，人们的研究方向是从多个角度进行研究，采取不同的方法制得较大尺寸晶粒的薄膜。现阶段，大多都用化学气相沉积法来研制多晶硅薄膜电池。化学气相沉积法是应用比较广泛的一种方法，主要的原理是应用二氯二氢硅、三氯氢硅和四氯硅烷等在一定条件下进行化学反应，通过化学反应制成硅原子，再经过一系列环节将制成的硅原子置于衬底上。必须要指出的是，选择哪一种衬底材料也有要求，主要的衬底材料有硅、二氧化硅等。但是经过研究后发现，在非硅质材料的衬底上想要制成大的晶粒难度很大，同时还会带来一系列问题，如晶体间的空隙增大等。科学家们想出了很多解决办法，最为成功的办法是先在衬底上沉积一层薄薄的非晶硅层，之后通过相关工艺将其退火。经过这些环节后，就能够制造出颗粒较大的硅晶粒，最后的环节是在衬底上慢慢的进行沉积，析出合适的硅晶粒。其中，核心的工艺是比较复杂的再结晶工艺[6]。其实对多晶硅薄膜太阳能电池进行研究的过程是一个繁琐而复杂的过程，在这个过程中利用了一系列新技术，不仅有上文提到的再结晶工艺，还采用了制作单晶硅太阳能电池用到的先进技术，将熟练技术作为后盾，再糅合进新型技术，太阳能电池的转换效率和使用效率都得到了明显提高。德国的一家研究所用这种方法研制的多晶硅电池转换效率为21%，日本三菱公司用这种方法研制的多晶硅电池效率为18.63%。2.聚合物多层修饰电极型太阳能电池近些年，在太阳能电池领域出现了一个新的研究方向即利用聚合物来研制太阳能电池。通过新型的技术手段，将聚合物的表面物质多层复合，这样可以制成比较先进的单向导电装置。由聚合物修饰这个单向导电装置的某一个电极，所以其有着比较低的还原电位，相比而言，最外层的还原电位要远远地高于内层的还原电位，电子的转移方向是从低到高，也就是从内层向外层转移；另一个电极的修饰是与前者完全相反的，并且不管是内层还是外层的还原电位都比前一个电极的电位低。将这2个电极在特有的环境中进行研究时，很容易发现一个现象，即电极在吸收光线后就会产生电子转移现象，电子转移是从高电位的电极转移到低电位的电极上，经过转移后，较低电位的电极上往往会集中了大量的电子，这些电子只能通过外电路转移，经过还原电位较高的电极转移到电解液中，这样一来光电流就会产生在外电路中[7]。龙源期刊网由于有机材料有着柔性好、制作工艺简单、成本低等优势。但在目前，有机材料在利用方面存在许多不足，研究成果不成熟，从各方面都不能与技术成熟的硅电池相比。在未来，对于有机材料还需要进一步研究探索。3.纳米晶化学太阳能电池在太阳能电池中，研究和使用技术最成熟的当属硅系太阳能电池，但是生产成本过高，限制了将其大规模推广应用。自20世纪研究成功以来，人们一直不断对其工艺、技术和新材料等方面进行积极地探索，其中，最有研究价值的是纳米二氧化钛（TiO2）晶体。纳米TiO2晶体具有优良的特性，对太阳能电池的是发展有着积极的作用，因此备受各国科学家的青睐。纳米TiO2化学大阳能电池由瑞士Gratzel教授研制成功，在之后一段时期，国内外很多科研单位也都纷纷转战此领域[8]。这类电池的制造原理是利用一种半导体材料结合合理的工艺修饰另一种大能隙的半导体材料，其主要采用过渡金属钌元素的有机化合物染料，另外，这类染料分子吸收太阳光之后状态就会转变为激发状态。这一系列的过程就是纳米TiO2的工作原理。低廉的成本和简单的工艺是其他太阳能电池无法与纳米晶TiO2电池相比拟的。不仅如此，其光电效率比较稳定，一般在15%以上，制作成本低至硅太阳电池的一成左右，但是其使用寿命却在30年以上。虽然目前处于研究和开发阶段，但是随着技术的发展，其将会在不久的未来走上市场。二、太阳能电池的应用现状根据有关统计资料显示，全球有153个国家积极普及和推广了太阳能电池，在这些国家中有89个国家积极地对太阳能电池进行研制开发和生产。据不完全统计，1999年全世界生产的太阳能电池总的发电量达为2760MW，2000年达到了5640MW。根据欧洲光伏工业协会的预测：2020年和2030年太阳能电池总的发电量将分别达到61GW和316GW。全球太阳能电池产量增长迅速，在未来新能源方面将占有一席之地。20世纪，全球许多国家将太阳能开发计划作为一项战略项目，随着研究的推进，各国都在大规模开发相关产品。美国提出了“国家光伏计划”，而日本提出了“阳光计划”。在美国国家光伏计划中有一项重要内容，即在光伏组件以及系统性能和市场开发等领域积极地开展相关的研究工作。美国和日本在世界光伏市场上都占有重要的地位。其中，美国拥有世界上最大的光伏发电厂，其功率达到8MW，日本的太阳能产量则占据很大比例。目前，全世界总共有56万座光伏发电设备，其中以色列最多[9]。我国历届政府都对太阳能电池的研究高度重视，最早在20世纪70年代，我国将非晶硅半导体技术的研究列入国家研究课题；在20世纪80、90年代，积极地顺应世界潮流，研究的重龙源期刊网点在大面积太阳能电池方面；2002年11月，国家多个部门制定出台新政策，旨在推进未来5年时间内太阳能资源的开发，国家投入了250亿元大规模推广太阳能技术，按照有关计划到2016年我国太阳能发电总装机容量可以达到550MW。现阶段，我国是世界上最大的光伏产品制造国，按照国家能源局牵头制定的《新能源产业振兴和发展规划》中要求，到2020年我国的光伏发电的装机容量将会达到25GW。2003年，为了用太阳能和小型风力发电来解决西部7省区780个无电乡的用电问题，国家启动了《西部省区无电乡通电计划》。通过这个项目，大大促进了我国太阳能发电产业的发展。目前，我国已经建起了数条太阳能电池的生产线，拥有生产能力的公司数量与日俱增，这就使得太阳能电池的年生产量迅速增加。据有关部门预测，到2020年我国光伏市场需求量将达到200MW[10]。三、太阳能电池的发展前景目前，太阳能电池的应用领域比较广，已经遍及军事和航天领域，甚至深入到与生活息息相关的行业。例如工业、商业和农业等部门，尤其在一些偏远的山区和地形比较复杂的地区使用太阳能发电可以节约高昂的输电线路费用。但是，目前太阳能电池技术不是很完善，生产和使用成本比较高，大规模使用还难以在短时间内实现。市场上比较成熟的太阳能电池大多采用单晶硅生产，其占据着极大的市场份额。但是目前，单晶硅电池生产制作成本巨大，消耗的能源极大，甚至其生产所消耗的能量大于其捕获的太阳能。因此，许多的学者和机构认为至少目前单晶硅电池生产毫无价值，这种状况可能会在龙源期刊网～20年后改变[11]。另外，单晶硅通过还原石英砂，之后将其融化、拉单晶制作而成，生产过程不仅消耗过大，而且对环境造成很大的破坏。据有关部门统计，2010年我国的光伏电池产量约占全球的56%，光伏产业总规模连续多年占据世界首位。四、结语第一，尽管在目前用稀有元素制备的太阳能电池转换效率最高，但成本过于昂贵，使用范围也极为有限。由于多晶硅和非晶硅薄膜电池的成本低，转化效率较高，因此这两种是今后太阳能电池发展的主要方向。未来随着技术的成熟，这2种产品将会成为市场的主导产品。第二，提高太阳能的使用范围，仅靠政府支持还不够，毕竟市场是生产的第一动力，所以在太阳能电池的研发方面应该集中从降低生产成本来做文章。通常情况下，企业会用高质量的硅片去制造高转换效率的太阳能电池，这也就导致了硅太阳能电池成本的居高不下。要积极研究采用新型技术制取硅条带，降低制造成本，这样可以达到降低硅太阳能电池成本的目的。第三，必须要继续开发新的太阳能电池材料，利用现有的材料结合新型的工艺，研制出成本低廉、易于生产的材料，只有这样才可以充实太阳能电池的原料体系，降低生产成本，扩大其使用范围。参考文献[1]蒋耀华.基于碳碳三键共轭体系的有机光伏材料[D].南京：南京理工大学，2013，20（19）：166-178.[2]李慧.可溶液加工的给受体型有机小分子材料的设计合成及光伏性能[D].长春：吉林大学，2013，2（15）：144-158.[3]李婷婷.含铕类普鲁士蓝/铜—铟—硒复合修饰电极的制备及其光电性质的研究[D].兰州：西北师范大学，2012，17（4）：23-34.[4]王二垒，张秀霞，杨小聪，等.纳米结构材料及其技术在太阳能电池中的应用和发展现状[J].电子设计工程，2012，24（40）：184-187.[5]郭炳磊.Ta掺杂ZnO和Cu2ZnSnS4半导体材料湿化学制备、物性表征及其应用[D].南京：南京大学，2013，7（28）：112-128.[6]郭志猛，杨薇薇，曹慧钦.粉末冶金技术在新能源材料中的应用[J].粉末冶金工业，2013，3（16）：10-