0 引言
當(dāng)代工業(yè)化生產(chǎn)與人類生存的主要能量由傳統(tǒng)化石能源供應(yīng)，但是對化石能源的持續(xù)開采導(dǎo)致了能源危機(jī)的產(chǎn)生，開發(fā)無污染、可再生的新能源成為了全球大多數(shù)國家的共識。對風(fēng)能，地?zé)崮埽四芎吞柲艿刃履茉吹拈_發(fā)和利用成為國際前沿科學(xué)的研究熱點(diǎn)。其中，太陽能有著多種優(yōu)點(diǎn)，如獲取容易、安全無害、不產(chǎn)生污染等特點(diǎn)，為人們處理能源危機(jī)提供了新的方式，從而受到了研究者與市場的青睞。在1954年，美國科學(xué)家皮爾松在貝爾實(shí)驗(yàn)室首次制成了光電轉(zhuǎn)化效率為6%，能夠?qū)嶋H使用的單晶硅太陽能電池，這意味著將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的能夠面向市場的光伏發(fā)電技術(shù)正式產(chǎn)生。光伏發(fā)電材料的光電性能是光伏發(fā)電轉(zhuǎn)換效率的直接影響因素，所以，對光伏發(fā)電材料的研發(fā)在整個光伏領(lǐng)域，占據(jù)由極其重要的地位。
隨著光伏發(fā)電的市場擴(kuò)大，及對光伏發(fā)電材料的逐漸研究，無論何種材料，其光電轉(zhuǎn)換效率都在穩(wěn)步提升，同步伴隨著生產(chǎn)成本的明顯減少，可以預(yù)見，太陽能光伏發(fā)電市場將會越來越廣闊，光伏發(fā)電這一技術(shù)越發(fā)顯現(xiàn)其優(yōu)越性。太陽能用光伏發(fā)電材料需要滿足如下條件：
（1）半導(dǎo)體材料具有合理的禁帶寬度和極好的光電轉(zhuǎn)換性；
（2）生產(chǎn)工藝簡單，對生產(chǎn)設(shè)備要求低，有利于工業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)；
（3）使用材料應(yīng)綠色環(huán)保，對生態(tài)環(huán)境應(yīng)盡可能產(chǎn)生小的影響；
（4）光伏發(fā)電材料應(yīng)有較長的使用時間且使用過程中穩(wěn)定性高。[1]
1 不同光伏發(fā)電材料的研究進(jìn)展
1.1 硅系
硅系光伏發(fā)電材料包括單晶硅與多晶硅。
1.1.1 單晶硅
單晶硅是當(dāng)前光伏市場使用最為廣泛的光伏發(fā)電材料，單晶硅太陽電池及其組件的制備技術(shù)在光伏發(fā)電材料中發(fā)展時間最長，其工業(yè)化制備工業(yè)相比較最為成熟。
半導(dǎo)體的禁帶寬度決定著太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，目前研究就所得的單晶硅太陽電池效率的理論轉(zhuǎn)換效率極限值為28%。
新南威爾士大學(xué)報導(dǎo)了用液相外延法制備的高效漂移場單晶硅電池，4.11cm2電池轉(zhuǎn)換效率為16.4%，經(jīng)減薄襯底，加強(qiáng)陷光等技術(shù)加工，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)24.7%。北京市太陽能研究所研制的單晶硅太陽電池綜合利用了各種先進(jìn)技術(shù)，將光電轉(zhuǎn)換效率提升到了19.8%。[2]
1.1.2 多晶硅
近年來，澆鑄技術(shù)實(shí)現(xiàn)了較大的技術(shù)跨越，并且伴隨著制作多晶硅光伏電池工藝的逐步改良。在光伏產(chǎn)業(yè)高水平快速度的市場需求增長下，不滿足于單晶硅高昂的生產(chǎn)成本，多晶硅光伏發(fā)電材料漸漸被研究人員重視。
通過理論推算得到，多晶硅光伏電池的光電效率的極限值為23%。在德國弗勞恩霍夫協(xié)會科學(xué)技術(shù)人員的努力下，多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換率實(shí)現(xiàn)了20.3%的突破，這也是目前多晶硅光電效率的最高紀(jì)錄。
2006年日本京瓷制成了電池效率達(dá)18.5%的15×15cm2的大面積多晶硅電池，PECVD-SiN技術(shù)的應(yīng)用達(dá)到了減反和鈍化雙重效果�？梢哉J(rèn)為提高多晶硅光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵問題就是表面鈍化、絨面結(jié)構(gòu)和晶粒邊界。[2]
1.2 無機(jī)型
III-IV族化合物半導(dǎo)體光伏材料具有直接帶隙和擁有較寬的太陽光吸收波段等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于光伏發(fā)電材料。此外，地球礦物中上富含的Cu，In，Se和Zn等元素，可用材料來源廣，能夠有效控制生產(chǎn)成本，加工效益高。 基于這些因素，太陽能電池主要研究人員和工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)開始關(guān)注無機(jī)型光伏發(fā)電材料。
銅銦硒太陽電池（CIS）作為一種多晶薄膜電池在20世紀(jì)80年代逐漸發(fā)展起來。鑒于CIS電池其成本低、效率高、非常類似于單晶硅太陽電池的穩(wěn)定性與空間抗輻射性等多種優(yōu)異特點(diǎn)，受到了全世界光伏工作者普遍關(guān)注。
德國太陽能技術(shù)研究所經(jīng)過10余年的研究，開發(fā)出了一種新技術(shù)，即新型薄膜太陽能電池，該技術(shù)采用電沉積連續(xù)制備工藝，在銅箔上制作出了用于薄膜太陽能電池的帶卷，再通過一種非常特別的封裝工藝組裝成具有柔軟特性的太陽能電池。
日本研究所發(fā)明了一種低成本，安全耐用的復(fù)合物半導(dǎo)體薄膜作為吸收層，替代原來的稀有金屬材料的CIS電池基，利用太陽光譜頻寬提高轉(zhuǎn)換效率。[3]
此外，以納米TiO2為主的薄膜太陽電池，因?yàn)槠涔ぷ髟愍?dú)特，生產(chǎn)成本低廉而引起了世界廣泛關(guān)注。
1.3 有機(jī)型
在光伏領(lǐng)域，出現(xiàn)了一種以有機(jī)材料為基礎(chǔ)的新的太陽能電池，被稱為“有機(jī)光伏”。有機(jī)小分子太陽能光伏材料具有重量輕、低成本、化學(xué)穩(wěn)定性好且制備方便等優(yōu)勢，但其遷移率較低。提高有機(jī)小分子光電材料的轉(zhuǎn)換效率是研究的重點(diǎn)。[6]
Janssen等首次將苝酰亞胺衍生物作為N型半導(dǎo)體材料，以低聚亞苯基亞乙烯基(OPV)作為P型半導(dǎo)體材料，制備了一類P-N交替的共聚物，然而該類材料的電荷傳輸速率低。雖然苝二酰亞胺類材料具有在可見光區(qū)吸收強(qiáng)、電子親和能較高、廉價、光和熱穩(wěn)定性較高等優(yōu)點(diǎn)，但其電荷傳輸效率低限制了其在聚合物太陽能電池方面的廣泛使用。
Zhang等將聚合物芳雜環(huán)受體EHH-PPyPzV與MEH-PPV共混制成本體異質(zhì)結(jié)電池，其光電轉(zhuǎn)換效率為0.03%。由于載荷的傳輸能力較低，器件的能量轉(zhuǎn)換效率還有待提高。[4]
1.4 新型光伏發(fā)電材料
1.4.1 石墨烯
石墨烯作為黑金材料在航天、能源、材料學(xué)等方面有著廣泛的應(yīng)用前景，被視為未來的革命性材料。石墨烯特有的二維結(jié)構(gòu)使其具有絕佳的導(dǎo)電性、良好的的熱導(dǎo)率、極高的載流子遷移率以及極具發(fā)展前景的柔韌性，使得石墨烯在光伏發(fā)電材料中成為了新一代的熱門研究方向。
例如，新加坡國立大學(xué)的研究人員報道了一種采用石墨烯透明導(dǎo)電電極的有機(jī)太陽能電池，系統(tǒng)地研究石墨烯的層數(shù)以及石墨烯摻雜對太陽能電池光伏性能的影響。
清華大學(xué)的研究人員首次報道了將石墨烯薄膜覆蓋到n型硅片上制備了基于石墨烯的肖特基結(jié)太陽能電池，該器件具有明顯的光伏特性，經(jīng)過測試，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了1.65%。
香港理工大學(xué)的研究人員將石墨烯薄膜覆蓋到n型砷化鎵基底上也構(gòu)建了基于石墨烯的肖特基結(jié)太陽能電池。[5]
1.4.2 鈣鈦礦
在新概念太陽能電池中，鈣鈦礦太陽能電池以其工藝簡單、質(zhì)量小、價格低廉、可彎曲性能好以及大面積制備等特點(diǎn)，成為目前研究的熱點(diǎn)。因其理論極限高達(dá)50%的光電轉(zhuǎn)換效率而引起國內(nèi)外學(xué)術(shù)人員和生產(chǎn)廠家的高度關(guān)注。鈣鈦礦太陽能光伏材料主要包括鈣鈦礦吸光材料、空穴傳輸材料、電子傳輸材料。[7]
在2009年，日本的Miyasaka等研究人員首次報道了具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)-鉛鹵化物的光電轉(zhuǎn)化材料。由該種材料制備而成的敏化太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了3.81%。
在2013年，身為英國牛津大學(xué)教授的Snaith研發(fā)出一種新型的全固態(tài)鈣鈦礦太陽能電池中，在這種電池中，其太陽能電池的吸光材料由有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦結(jié)構(gòu)組成。該項(xiàng)發(fā)明被認(rèn)為是鈣鈦礦光伏發(fā)電材料領(lǐng)域的突破性新進(jìn)展。
近年來，以有機(jī)-無機(jī)復(fù)合鈣鈦礦材料為代表的太陽能發(fā)電技術(shù)展現(xiàn)出了非常光明的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景。[8]
2 光伏發(fā)電材料的發(fā)展前景
在目前太陽能發(fā)電市場，電池材料是以硅材料為主的單晶、多晶硅占據(jù)主流市場份額，但是硅材料本身在光伏發(fā)電領(lǐng)域仍舊存在許多問題，因此一方面要尋找更為方便易行的硅材料提純技術(shù)，改進(jìn)硅系光伏發(fā)電生產(chǎn)工藝，另一方面應(yīng)該發(fā)展非硅材料應(yīng)用于光伏發(fā)電領(lǐng)域。
太陽能材料研究對太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展起著決定性的作用。每一種新材料的出現(xiàn)，都給太陽電池及太陽能光電利用帶來一次變革。因此，對于光伏發(fā)電材料，應(yīng)著重于解決以下問題：
（1）不斷改良與提升單晶、多晶硅制備工藝，降低雜質(zhì)影響，提升光電轉(zhuǎn)換效率；
（2）發(fā)展新型光伏發(fā)電材料，如石墨烯、鈣鈦礦及富勒烯等，盡可能提升其光電轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到工業(yè)化水平，以補(bǔ)充當(dāng)前太陽能市場硅材料的缺失；
（3）電池的制作工藝、電池的使用壽命和穩(wěn)定性等有待進(jìn)一步研究和提高。
參考文獻(xiàn)
[1] 竇海林，王波，張靖宇，etal.太陽能光伏發(fā)電材料研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2016(12).
[2] 王英連.晶硅太陽電池的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018，No.245(25):68-69+72.
[3] 殷志剛，YINZhi-gang.太陽能光伏發(fā)電材料的發(fā)展現(xiàn)狀[J].可再生能源，2008，26(5):17-20.
[4] 田娜，馬曉燕，王毅霏，etal.聚合物太陽能電池光伏材料的研究進(jìn)展[J].高分子通報，2011(2):85-91.
[5] 謝超. 基于石墨烯與硅納米結(jié)構(gòu)高性能光伏器件的構(gòu)造與光電性能研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2014.
[6] 李彥芳.有機(jī)太陽能電池的性能優(yōu)化研究[D].天津理工大學(xué)，2013.
[7] 楊東問.鈣鈦礦型光伏材料的優(yōu)化設(shè)計與物性研究[D].吉林大學(xué)，2018.
[8]李萌.高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池的研究[D].蘇州大學(xué)，2018.
（中國粉體網(wǎng)編輯/漫道）
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