太陽(yáng)能電池及材料研究

　　2 多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池

　　為了尋找單晶硅電池的替代品,人們除開(kāi)發(fā)了多晶硅、非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池外，又不斷研制其它材料的太陽(yáng)能電池。其中主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。上述電池中，盡管硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會(huì )對環(huán)境造成嚴重的污染，因此，并不是晶體硅太陽(yáng)能電池最理想的替代。

　　砷化鎵III-V化合物及銅銦硒薄膜電池由于具有較高的轉換效率受到人們的普遍重視。GaAs屬于III-V族化合物半導體材料，其能隙為1．4eV，正好為高吸收率太陽(yáng)光的值，因此，是很理想的電池材料。GaAs等III-V化合物薄膜電池的制備主要采用MOVPE和LPE技術(shù)，其中MOVPE方法制備GaAs薄膜電池受襯底位錯、反應壓力、III-V比率、總流量等諸多參數的影響。

　　除GaAs外，其它III-V化合物如Gasb、GaInP等電池材料也得到了開(kāi)發(fā)。1998年德國費萊堡太陽(yáng)能系統研究所制得的GaAs太陽(yáng)能電池轉換效率為24．2％，為歐洲記錄。首次制備的GaInP電池轉換效率為14．7％．見(jiàn)表2。另外，該研究所還采用堆疊結構制備GaAs，Gasb電池，該電池是將兩個(gè)獨立的電池堆疊在一起，GaAs作為上電池，下電池用的是Gasb,所得到的電池效率達到31．1％。

　　銅銦硒CuInSe2簡(jiǎn)稱(chēng)CIC。CIS材料的能降為1．leV，適于太陽(yáng)光的光電轉換,另外，CIS薄膜太陽(yáng)電池不存在光致衰退問(wèn)題。因此，CIS用作高轉換效率薄膜太陽(yáng)能電池材料也引起了人們的注目。

　　CIS電池薄膜的制備主要有真空蒸鍍法和硒化法。真空蒸鍍法是采用各自的蒸發(fā)源蒸鍍銅、銦和硒，硒化法是使用H2Se疊層膜硒化，但該法難以得到組成均勻的CIS。CIS薄膜電池從80年代最初8％的轉換效率發(fā)展到目前的15％左右。日本松下電氣工業(yè)公司開(kāi)發(fā)的摻鎵的CIS電池，其光電轉換效率為15．3％（面積1cm2）。1995年美國可再生能源研究室研制出轉換效率為17．l％的CIS太陽(yáng)能電池，這是迄今為止世界上該電池的最高轉換效率。預計到2000年CIS電池的轉換效率將達到20％，相當于多晶硅太陽(yáng)能電池。

　　CIS作為太陽(yáng)能電池的半導體材料，具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要方向。唯一的問(wèn)題是材料的來(lái)源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類(lèi)電池的發(fā)展又必然受到限制。

　　3 聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池

　　在太陽(yáng)能電池中以聚合物代替無(wú)機材料是剛剛開(kāi)始的一個(gè)太陽(yáng)能電池制爸的研究方向。其原理是利用不同氧化還原型聚合物的不同氧化還原電勢，在導電材料（電極）表面進(jìn)行多層復合，制成類(lèi)似無(wú)機P－N結的單向導電裝置。其中一個(gè)電極的內層由還原電位較低的聚合物修飾，外層聚合物的還原電位較高，電子轉移方向只能由內層向外層轉移；另一個(gè)電極的修飾正好相反，并且第一個(gè)電極上兩種聚合物的還原電位均高于后者的兩種聚合物的還原電位。當兩個(gè)修飾電極放入含有光敏化劑的電解波中時(shí)．光敏化劑吸光后產(chǎn)生的電子轉移到還原電位較低的電極上，還原電位較低電極上積累的電子不能向外層聚合物轉移，只能通過(guò)外電路通過(guò)還原電位較高的電極回到電解液，因此外電路中有光電流產(chǎn)生。

　　由于有機材料柔性好，制作容易，材料來(lái)源廣泛，成本底等優(yōu)勢，從而對大規模利用太陽(yáng)能，提供廉價(jià)電能具有重要意義。但以有機材料制備太陽(yáng)能電池的研究?jì)H僅剛開(kāi)始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無(wú)機材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步研究探索。

　　4 納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池

　　在太陽(yáng)能電池中硅系太陽(yáng)能電池無(wú)疑是發(fā)展最成熟的，但由于成本居高不下，遠不能滿(mǎn)足大規模推廣應用的要求。為此，人們一直不斷在工藝、新材料、電池薄膜化等方面進(jìn)行探索，而這當中新近發(fā)展的納米TiO2晶體化學(xué)能太陽(yáng)能電池受到國內外科學(xué)家的重視。

　　自瑞士Gratzel教授研制成功納米TiO2化學(xué)大陽(yáng)能電池以來(lái)，國內一些單位也正在進(jìn)行這方面的研究。納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池（簡(jiǎn)稱(chēng)NPC電池）是由一種在禁帶半導體材料修飾、組裝到另一種大能隙半導體材料上形成的，窄禁帶半導體材料采用過(guò)渡金屬Ru以及Os等的有機化合物敏化染料，大能隙半導體材料為納米多晶TiO2并制成電極，此外NPC電池還選用適當的氧化一還原電解質(zhì)。納米晶TiO2工作原理：染料分子吸收太陽(yáng)光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩定，電子快速注入到緊鄰的TiO2導帶，染料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補償，進(jìn)入TiO2導帶中的電于最終進(jìn)入導電膜,然后通過(guò)外回路產(chǎn)生光電流。

　　納米晶TiO2太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡(jiǎn)單的工藝及穩定的性能。其光電效率穩定在10％以上，制作成本僅為硅太陽(yáng)電池的1/5～1/10．壽命能達到2O年以上。但由于此類(lèi)電池的研究和開(kāi)發(fā)剛剛起步，估計不久的將來(lái)會(huì )逐步走上市場(chǎng)。

　　5 太陽(yáng)能電池的發(fā)展趨勢

　　從以上幾個(gè)方面的討論可知，作為太陽(yáng)能電池的材料，III-V族化合物及CIS等系由稀有元素所制備，盡管以它們制成的太陽(yáng)能電池轉換效率很高，但從材料來(lái)源看，這類(lèi)太陽(yáng)能電池將來(lái)不可能占據主導地位。而另兩類(lèi)電池納米晶太陽(yáng)能電池和聚合物修飾電極太陽(yáng)能電地存在的問(wèn)題，它們的研究剛剛起步，技術(shù)不是很成熟，轉換效率還比較低，這兩類(lèi)電池還處于探索階段，短時(shí)間內不可能替代應系太陽(yáng)能電池。因此，從轉換效率和材料的來(lái)源角度講，今后發(fā)展的重點(diǎn)仍是硅太陽(yáng)能電池特別是多晶硅和非晶硅薄膜電池。由于多晶硅和非晶硅薄膜電池具有較高的轉換效率和相對較低的成本，將最終取代單晶硅電池，成為市場(chǎng)的主導產(chǎn)品。

　　提高轉換效率和降低成本是太陽(yáng)能電池制備中考慮的兩個(gè)主要因素，對于目前的硅系太陽(yáng)能電池，要想再進(jìn)一步提高轉換效率是比較困難的。因此，今后研究的重點(diǎn)除繼續開(kāi)發(fā)新的電池材料外應集中在如何降低成本上來(lái)，現有的高轉換效率的太陽(yáng)能電池是在高質(zhì)量的硅片上制成的，這是制造硅太陽(yáng)能電池最費錢(qián)的部分。因此，在如何保證轉換效率仍較高的情況下來(lái)降低襯底的成本就顯得尤為重要。也是今后太陽(yáng)能電池發(fā)展急需解決的問(wèn)題。近來(lái)國外曾采用某些技術(shù)制得硅條帶作為多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的基片，以達到降低成本的目的，效果還是比較現想的。