安清照

（鳳陽縣東華路87號，安徽 鳳陽 233100）

太陽能光伏發(fā)電材料進展研究

安清照

（鳳陽縣東華路87號，安徽 鳳陽 233100）

隨著人們對可再生能源的探索和日益重視，更多研究在具有廣泛應(yīng)用前景的太陽能領(lǐng)域展開。文章著重論述了光伏發(fā)電系統(tǒng)研究進展。其中在提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率方面的研究進展有：提出雙光子或多光子吸收機制、上轉(zhuǎn)換機制、多激子產(chǎn)生機制、下轉(zhuǎn)化機制以及熱載流子電池等；在光伏材料方面，對晶硅材料、薄膜材料以及低維納米材料的性能研究進行了詳細闡述；最后解讀了光伏材料的制備與性能表征技術(shù)的研究進展。

光伏發(fā)電；物理過程；光伏材料；表征技術(shù)

長期以來，化石能源在全球能源供應(yīng)中占居主導(dǎo)地位，傳統(tǒng)化石能源的大量使用將產(chǎn)生大量二氧化碳、二氧化硫排放，造成溫室效應(yīng)、臭氧層破壞、酸雨等問題，如果不加控制就會對人類生存環(huán)境造成災(zāi)難性的后果。目前世界各項能源的儲量為石油可供使用40年，天然氣70年，煤炭160年，鈾70年。為應(yīng)對氣候變化，并為即將來臨的能源危機做準(zhǔn)備。世界各國紛紛加大對新能源和可再生能源的技術(shù)研發(fā)，加快對多種形式能源的開發(fā)利用。在新能源中，太陽能可謂是“取之不盡，用之不竭”的人類最為理想可靠的能量來源。

太陽能一般指太陽光的輻射能量。在太陽內(nèi)部進行的由“氫”聚變成“氦”的原子核反應(yīng)，不停地釋放出巨大的能量，并不斷向宇宙空間輻射能量，這種能量就是太陽能。太陽內(nèi)部的這種核聚變反應(yīng)，可以維持幾十億至上百億年的時間。太陽向宇宙空間發(fā)射的輻射功率為3.8*1023kW 的輻射值，其中20億分之一到達地球大氣層。到達地球大氣層的太陽能，30%被大氣層反射，23%被大氣層吸收，其余的到達地球表面，其功率為8*1013 kW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于燃燒500萬噸煤釋放的熱量[1]。廣義上的太陽能是地球上許多能量的來源，如風(fēng)能，化學(xué)能，水的勢能等等。狹義的太陽能則限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換。

太陽能發(fā)電包括熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種技術(shù)，本文著重介紹目前應(yīng)用較為廣泛的光伏技術(shù)。光伏發(fā)電是利用太陽電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)即光照能使半導(dǎo)體材料內(nèi)部的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流，從而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。一套基本的太陽能發(fā)電系統(tǒng)是由太陽電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池構(gòu)成。光伏發(fā)電系統(tǒng)以其安裝簡單、維護廉價、適應(yīng)性強而獲得廣泛青睞。[2]

1.光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究進展

1.1 太陽電池基本物理過程研究進展

傳統(tǒng)太陽電池原理建立在半導(dǎo)體物理pn結(jié)的基礎(chǔ)之上。當(dāng)光入射到太陽電池上時，半導(dǎo)體材料吸收一定能量的光子，產(chǎn)生光生電子-空穴對。Pn結(jié)的內(nèi)建電場將電子-空穴對分離，在p區(qū)積累光生空穴，在n區(qū)積累光生電子，這樣在pn結(jié)兩端就產(chǎn)生了光生電勢。Pn結(jié)兩端與外電路連接，在負(fù)載中產(chǎn)生電流，由此實現(xiàn)光能向電能的轉(zhuǎn)換。這就是太陽電池起作用的基礎(chǔ)。只有當(dāng)光子能量足夠大時，才會被電池吸收，能量小于帶隙的光子不能激發(fā)電子-空穴對，但有可能產(chǎn)生自由載流子，這對太陽電池光伏轉(zhuǎn)換沒有貢獻，有時還會使電池性能下降，比如因產(chǎn)生自由載流子發(fā)熱而使電池性能下降。[3]

為了使太陽電池能吸收能量小于帶隙的光子，并使其對光伏轉(zhuǎn)換有貢獻，提出了雙光子或多光子吸收機制。利用這種機制所面臨的主要問題是實現(xiàn)帶間能級的合理分布，以及如何在增大光利用率的同時，保證電池的開路電壓。另外，現(xiàn)有研究利用摻稀土發(fā)光材料實現(xiàn)上轉(zhuǎn)換發(fā)光機制，即利用上轉(zhuǎn)換材料吸收能量小于帶隙的光子，發(fā)出可以被太陽電池吸收的能量大于帶隙的光子。這方面存在的問題是如何提高轉(zhuǎn)換效率。

為減少光生載流子產(chǎn)生的能量損失，近來提出了多激子產(chǎn)生（Multiple ExcitonGeneration，MEG）的機制，并已對其進行了初步研究。合理的進展是利用MEG效應(yīng)制造轉(zhuǎn)換效率大于8%的納米晶太陽能電池,要實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵進步包括：（1）通過改善材料的表面和界面減少復(fù)合損失;（2）改善相鄰球形量子點之間的耦合以方便電荷輸運;（3）改善電池設(shè)計以減少電子和空穴的聚集時間,并提高開路電壓（VOC）.在這些關(guān)鍵進步的基礎(chǔ)上將驗證電池原型中與波長有關(guān)的MEG增強光電流的產(chǎn)生。減少載流子熱弛豫能量損失的另一種機制是下轉(zhuǎn)換機制，利用下轉(zhuǎn)換材料吸收能量遠大于帶隙的光子，發(fā)出可以被太陽電池吸收的能量略大于帶隙的光子。在下轉(zhuǎn)換方面的研究基本仍停留在概念性研究上，急待解決的問題很多。[3]

被pn結(jié)分離的光生載流子需要優(yōu)良的電極取出機制，才能保證光伏轉(zhuǎn)換效率。在這方面，重點研究了電極材料與電池間接觸勢壘對載流子輸運的影響，以及電極柵線電阻、遮光比等所帶來的電池能量損失。另外，還提出了一種熱載流子電池（Hot Carrier Cells）采用避免光生載流子的非彈性碰撞的方式來減少能量的損失。[4]

1.2 光伏材料研究進展

近年來，光伏材料的研究主要集中在以晶硅材料為代表的體材料、薄膜材料及低維納米材料等方面。

（1）晶硅材料

1）單晶硅材料：硅主要以 siO2形式存在于石英和砂子中.它的制備主要是在電弧爐中用碳還原石英砂而成。該過程能量消耗很高,約為14kwh/kg。該過程所得到的冶金級硅必須進行高度提純，電子級硅的雜質(zhì)含量約10-10%以下。制備半導(dǎo)體級硅的成熟方法是西門子法，冶金級硅與氯化氫反應(yīng)生成三氯氫硅，然后用氫氣還原得到高純硅。拉制單晶有坩堝拉制法和區(qū)熔法兩種。前者因使用石英坩堝會引入一定量的氧,從而造成氧沉淀物復(fù)合中心,影響高效太陽電池少數(shù)載流子的壽命.區(qū)熔法可以獲得高純度無缺陷單晶。常規(guī)采用內(nèi)圓切割（ID）法將硅錠切成硅片,但該法只適用于直徑小于200mm的硅片，材料損耗大,生產(chǎn)率低，成本昂貴?，F(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出多線切割法,可以切出很薄（-100Pm）的硅片,切割損失?。?30%）,硅片表面切割損傷輕,有利于提高電池效率,切割成本低。

2）多晶硅材料：高純硅料獲得后，另一種是通過鑄錠工藝制成多晶硅錠，然后處理切片。由于鑄錠工藝步驟簡單，能量消耗少，并且由此所獲得的多晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率也不會比單晶低很多，具有更高的性價比，多晶硅太陽電池已經(jīng)逐漸取代單晶硅電池成為了光伏市場的主導(dǎo)。但是，多晶硅鑄錠工藝仍然很不完善，如何有效防止鑄錠過程中的雜質(zhì)污染、如何控制多晶硅晶粒的垂直定向生長、以及如何進一步降低成本都是迫切要解決的問題。在后續(xù)的切片過程中，如何減少硅料的損失量、如何實現(xiàn)薄硅片切割、如何減少硅片表面的損傷等也是光伏領(lǐng)域關(guān)注的重要方面。[5]

（2）薄膜材料

薄膜化是降低電池成本的有效手段。薄膜光伏電池,其薄膜厚度一般在2-3μm。其中包括硅薄膜型、多元化合物薄膜電池、聚合物薄膜太陽能電池和染料敏化太陽能電池。

1）多晶硅薄膜電池：多晶硅薄膜電池是最成功的薄膜電池。最初采用的是a-Si：H材料，但與體硅相比a-Si：H電池效率較低，且具有光致不穩(wěn)定性。隨后發(fā)展了nc-Si，μc-Si和poly-Si薄膜電池以及多疊層電池?，F(xiàn)今國際上研究的熱點和難點是如何高速生長均勻穩(wěn)定的晶化硅薄膜。在材料中引入了碳組分或者鍺組分可以實現(xiàn)帶隙調(diào)節(jié)。目前，初始效率達到15%以上的高效硅薄膜電池就是a-Si/a-SiGe/a-SiGe三疊層電池。在材料研究方面，硅基薄膜材料引入的界面缺陷會限制性能的提高，成為需要解決的重點問題。此外，還有待研究的方向有氣源分解、淀積、成膜機制，提高氣源利用率等。

2）多元化合物薄膜電池：為了避開硅系太陽能電池存在的普遍問題,人們也在研制其它材料的太陽能電池。這其中主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘及銅銦硒薄膜電池等。[6]砷化鎵屬于III-V族化合物半導(dǎo)體材料,其能隙1.4eV,并且耐高溫性強,在二百多度的溫度下,光電轉(zhuǎn)換性能仍不受到太大的影響,并且由于其最高光電轉(zhuǎn)換效率約30%,特別適合做高溫聚光太陽電池。因此,是一種很理想的電池材料。砷化鎵等III-V化合物薄膜電池的制備類似硅半導(dǎo)體材料的制備,有晶體生長法、直接拉制法、氣相生長法、液相外延法等。除砷化鎵外,其它III-V化合物如GaSb、GaInP等電池材料也得到了開發(fā)。銅銦硒CuInSe2簡稱CIS，是以銅、銦、硒三元化合物半導(dǎo)體為基本材料制成的多晶薄膜電池,CIS材料的能降為1.leV,適于太陽光的光電轉(zhuǎn)換。另外,CIS薄膜太陽能電池不存在光致衰退問題。近來還發(fā)展用Ga替代CIS中部分In形成CuIn1-xGaxSe2（簡稱CIGS）四元化合物。CIGS薄膜由于Ga的摻入,其結(jié)晶狀況,平整度和致密性都有很大改善,因此剛制備出來的CIGS電池性能明顯好于CIS電池[7]。目前CIGS研究的重點是如何提高光伏材料性能和穩(wěn)定性以及貴金屬銦的供給是否會發(fā)生短缺等。

3）聚合物薄膜電池：在太陽能電池中以聚合物代替無機材料是一個新興的研究方向。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(dǎo)電材料（電極）表面進行多層復(fù)合,制成類似無機pn結(jié)的單向?qū)щ娧b置。有機聚合物太陽電池材料來源廣泛，容易制作，生產(chǎn)成本低，同時具有柔性，可以大大拓寬太陽電池的應(yīng)用范圍。在材料研究方面，主要是改善有機材料對太陽光譜的吸收、調(diào)節(jié)吸收材料的帶隙、同時提高其載流子遷移率。如何獲得低HOMO能級的窄帶隙有機材料是一大難題。目前，有機太陽電池的實驗室效率已經(jīng)達到了6%以上。提高效率和穩(wěn)定性是以后的研究重點。

4）染料敏化電池：光電化學(xué)電池面臨的問題是對太陽光吸收大的窄帶半導(dǎo)體在電解液中穩(wěn)定性差。解決這個問題的一種有效途徑是染料敏化太陽電池（DSSC），利用可以有效吸收太陽光的染料來對寬帶隙的氧化物半導(dǎo)體進行敏化。1991年瑞士洛桑高等工業(yè)學(xué)院Gratzel教授等首次將納米晶多孔TiO2膜作半導(dǎo)體電極引入染料敏化電極中，在AM1.5條件下的光電轉(zhuǎn)換率可達7.1%。2008年，Bai Y等采用用混合離子液體基電解質(zhì)，配合Z907染料，獲得了8.2%的效率[8]。Uchida等人[9]用吲哚啉類染料D205作為敏化劑得到了9.5%的效率,是目前有機染料的最好結(jié)果。

（3）低維納米材料

納米材料的晶粒微結(jié)構(gòu)尺寸與載流子的散射長度是相同數(shù)量級的，因而可使散射速率減小，由此增長載流子的收集效率；通過控制納米材料的微結(jié)構(gòu)尺寸可以吸收特定能量范圍的光子；利用納米微結(jié)構(gòu)開發(fā)疊層電池，可以實現(xiàn)對太陽光譜的全譜吸收；量子阱超晶格中的微帶效應(yīng)，可大大提高光電轉(zhuǎn)換效率；低維材料熱載流子輻射收集時間比能量弛豫時間短，可以以此開發(fā)熱載流子電池；量子點陣列的量子隧道效應(yīng)，可以避免很多材料性能對載流子輸運產(chǎn)生的限制，抑制載流子復(fù)合，提高載流子輸運效率。正因如此，低維納米材料，特別是量子點材料被認(rèn)為可以用來開發(fā)超高效太陽電池。目前在這方面開展的研究有量子點納米晶材料、一維氧化物納米材料、二維氧化物納米材料的制備及研究。這些研究仍然屬于前沿技術(shù)，還沒有真正開發(fā)出具有實用價值的器件。[10]

1.3 材料和器件的制備與表征技術(shù)研究進展

單晶硅、多晶硅太陽電池目前研究的主要任務(wù)是在提高效率同時如何進一步降低成本采用發(fā)射極鈍化、倒金字塔表面織構(gòu)化、分區(qū)摻雜、刻槽埋柵電極和雙層減反射膜等技術(shù)工藝提高效率.有的采用新工藝技術(shù)研制新型結(jié)構(gòu)電池，如日本Sanyo公司研制川T電池，采用PECVD工藝在n型單晶硅片上下面沉積非晶硅層，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)電池，大面積效率21%。晶體硅太陽電池向更薄更省料的方向發(fā)展，目前已經(jīng)發(fā)展到了180微米，有些甚至做到了150微米的硅片厚度。從效率和材料來源考慮，太陽電池今后發(fā)展重點仍然是硅太陽電池。

多晶硅薄膜電池既有晶硅電池高效、穩(wěn)定、資源豐富、無毒的優(yōu)勢，又具有薄膜電池低成本優(yōu)點，成本遠低于單晶硅電池，成為國際上研究開發(fā)熱點，國外發(fā)展比較迅速，在未來地面應(yīng)用方面將是發(fā)展方向有在玻璃,（Si02和SiN包覆的）陶瓷,（Sic包覆的）石墨等廉價襯底上采用PECVD、RTCVD、HWCVD、ECRCVD等，其中已RF-PECVD為主流，為了提高制備微晶硅的速率,又有VHF-PECVD技術(shù)被開發(fā)。這些制備技術(shù)的不斷提升，促進了薄膜硅電池性能的不斷提高。生長多晶硅薄膜電池，還有通過激光刻槽和化學(xué)電鍍實現(xiàn)接觸、互聯(lián)和集成的疊層多晶硅薄膜電池.

非晶硅薄膜電池質(zhì)量輕、成本低，有極大發(fā)展?jié)摿Γ绻屎头€(wěn)定性方面進一步提高，將是太陽電池主要發(fā)展產(chǎn)品。優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用多帶隙多pin結(jié)疊層電池，減薄各pin結(jié)的i層厚度，增強內(nèi)建電場，降低光誘導(dǎo)衰減，可提高效率和穩(wěn)定性。

光伏材料表征技術(shù)涉及光學(xué)性能表征、電學(xué)性能表征、光譜性能表征等多個方面，幾乎包含了所有材料研究過程中所需要的測試技術(shù)。在光學(xué)性能表征方面，近來的發(fā)展有很多，比如：用于測量太陽電池表面減反膜的厚度、折射率n、消光系數(shù)k等參數(shù)的橢偏儀測量技術(shù)，用于載流子壽命測量的光電導(dǎo)衰退法（PCD）技術(shù)，以及針對硅片內(nèi)部缺陷和漏電通道的紅外熱成像技術(shù)等。太陽電池的電學(xué)性能表征技術(shù)包括標(biāo)準(zhǔn)電池的標(biāo)定方法和輻照度測試技術(shù)。光譜性能的表征主要是針對光譜響應(yīng)的測試。近來，這些應(yīng)用于具體系統(tǒng)架構(gòu)、組件性能和穩(wěn)定性分析等方面的技術(shù)已取得很大進展，但是隨著光伏科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，逐漸涌現(xiàn)出的新研究方向也會對測試表征新技術(shù)提出新的需求。

2.前景展望

太陽能光伏發(fā)電具有不產(chǎn)生噪音、沒有空氣污染、不排放廢水、維護保養(yǎng)簡單，運行可靠性、穩(wěn)定性好等特點。在傳統(tǒng)能源日益枯竭的今天，太陽能尤其光伏發(fā)電具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，還有很多技術(shù)問題有待突破，如提高太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率，降低光伏材料成本，以及發(fā)展光伏材料和太陽能電池性能的測試表征新技術(shù)。

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TM615 < class="emphasis_bold">文獻標(biāo)識碼：A

A

1671-752X（2011）04-0094-03

2011-08-19

安清照（1988-），女，回族，安徽鳳陽人，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)2011屆理學(xué)學(xué)士。

陳圣濤）