太阳能电池研究现状 李忠贤 （内蒙古医科大学物理教研室，内蒙古 呼和浩特０１００００） 摘 要：随着工业的发展以及能源需求量的不断攀升，传统化石能源资源已不能满足人类社会的要求。太 阳能具有极大的应用潜力，而探索太阳能材料非常重要。本文调研了太阳能电池材料的发展、太阳能电池现阶 段状况、太阳能电池的商业化发展趋势。 关键词：太阳能电池；研究现状；发展趋势 中图分类号：ＴＱ１５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—５６２４一（２０１３）０３—００５８—０４ １ 引言 随着人类社会对能源需求的日益增长，化石 能源已无法满足需求，因此人们将眼光投向了可 再生的能源。太阳能、风能、地热能、海洋能和 生物能等新兴的可再生能源在世界各地迅速崛起， 逐渐代替传统能源。其中，太阳能因其覆盖范围 研究。 ２．１改进材料工艺，提高转换效率 材料工艺包括材料提纯工艺、晶体生长工艺、 薄膜制备工艺、晶片表面处理工艺、异质结生长 工艺、量子阱制备工艺等。使太阳能电池的转换 效率有很大的提高。单晶硅电池的转换效率已达 ２３．７ ，多晶硅电池已达１８．６ ，砷化镓基电池 达３Ｏ 。 广泛、取之不竭用之不尽，而倍受世界各国能源 科学家青睐。最近几年来，太阳电池材料受到各 国普遍重视，太阳能光伏材料的开发、研究与利 ２．２发展薄膜电池，节约材料消耗 当前大量应用的晶体硅电池。硅材料属于间 接带隙，需较大厚度（一般为２００～３００￣ｍ）才能 充分吸收太阳能。而薄膜电池，如砷化镓电池、 碲化镉电池、非晶硅电池，则只需１～２ ｍ的厚 用已被提高到了战略高度。 ２太阳能电池材料的研究方向 太阳能电池材料研究主要围绕以下情况进行 收稿日期：２０１３—０２一ｌ７ 度，这样就可以减少材料消耗。 ２．３材料的大规模加工技术 作者简介：李忠贤，内蒙古察右后旗人，硕士，内蒙古医科大学计算 机信息学院物理教研室，讲师，研究方向：半导体材料、医 学仪器的研究。 为提高太阳能电池成本竞争能力主要是扩大 生产规模。加工规模是很关键性的，为此研究开 信葸记泵材料２０１３年 第 ４卷第３潮 综述 发大生产的工艺与设备。目前生产的太阳电池的 小反射膜技术以及陷光理论的提高，这是晶体硅 ７０ ～８Ｏ 是晶体硅太阳电池，它们使用的原料 太阳能电池发展的方向，从而提高晶体硅太阳电 为生产半导体器件用晶体的头尾料及等外品。随 池的转化效率，但晶体硅太阳电池发展的另一个 着太阳能电池生产规模的扩大，必须批量生产太 方向是降低成本。 阳能级硅，它在纯度上和成本上都应满足太阳能 ４．２薄膜太阳能电池 电池的需求。 硅基薄膜太阳电池。 ２．４与建筑相结合 （１）非晶体硅是硅和氢的一种合金 太阳能电池占地面积问题的方向之一是与建 非晶体硅材料有的许多特性，使它成为非常 筑相结合。目前主要是建筑物的屋顶架设太阳能 吸引研究薄膜太阳电池的材料，非晶体硅对太阳 电池板，以后主要的方向将太阳能电池做在建筑 光的吸收系数高，制备工艺简单，可以直接沉积 材料上是我们的一个努力方向。现在在这个方向 成本低廉价衬底上，如玻璃、塑料膜和不锈钢上， 已有应用。 而且它还有大幅度降低成本的潜力。它的光学带 ３太阳能电池材料 隙宽度是１．７ｅＶ。并且通过掺杂可以改变它的导电 类型。在１９７６年美国ＲＣＡ实验室Ｃａｒｌｓｏｎ和 制作太阳能电池的半导体材料有元素半导体、 Ｗｒｏｎｓｋｉ报道了非晶体硅薄膜太阳电池，当时引起 化合物半导体和各种固溶体，主要材料晶体Ｓｉ、 全世界范围对非晶体硅电池的研究与制备。由于 非晶Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＣｄＳ、Ｃｕ２Ｓ、ＩｎＰ、Ａ１Ｓｂ、 非晶体硅可以形成隧道电流，所以Ｐ和ｎ之间加一 ＣｄＴｅ、ＣｕＩｎＳｅ 等材料外，还有一些固溶体，主 ｉ层（本征层），典型非晶硅电池为ｐ－ｉ—ｎ结构，非 要有ＧａＡｌＡｓ、ＣｕＩｎＧａＳｅ２、ＳｉＧｅ、ＧａＩｎＰ、Ｉｎ— 晶硅电池的Ｐ层和ｎ层非常薄，只有几百ｖｍ，为 ＧａＡｓ、ＳｉＣ等。改变固溶体组成比例从而改变材 了有效收集非平衡载流子，必须建立完整内电场 料的物理性能，利用这一性质调整材料参数，以 和减少Ｐ、ｎ界面复合。虽然由于材料科学和非晶 达到电池需求。 硅组件制造技术的发展与提高，从而促进非晶硅 ４太阳能电池研究现状 电池效率和稳定性不断提高，但到本世纪初，非 晶电池的商业化程度近占市场份额４ ，对于较大 ４．１ 晶体硅太阳电池发展方向 功率电池在应用方面来说还是比较低。 在国外，晶体硅太阳能电池的是斯坦福大学 非晶体硅电池转化效率低，主要是由于光诱导 研究的背面点接触电池，它的转化它效率可达 衰减随时间少。科研工作者对非晶体硅薄膜电池的 ２２．３％，澳大利亚新南威尔士大学的钝化发射区 研究主要集中在提高转化效率和稳定电池性能方面。 太阳能电池的光电转化效率更是高达２４．７％。而 他们主要是通过不同带隙的多结迭层来提高效率和 在我国研究成果最高的是北京太阳能研究所使晶 电池稳定性，来降低表面光反射率，进一步改进电 体硅太阳能电池研究的光电转化效率是１８．６％， 池结构，以增强内电场，降低光诱导衰减。 取得了较好的效果。现在晶体硅太阳电池的发展 进入２１世纪，在我国主要以双结非晶硅电池为 方向的主要是表面钝化技术的改进与提高以及减 重点的硅基薄膜太阳电池研究被列入国家重点基础 —１ ＲＥＶｌＥＷ 研究发展计划项目中，使我国非晶硅电池的研究又 进入一个快速发展阶段。 （２）多晶硅薄膜电池 多晶硅薄膜电池既具有晶体硅电池的高效、 稳定、无毒和资源丰富的优势，又具有薄膜电池 节省材料、大幅度降低电池成本的优点，为商业 化发展提供巨大的潜力空间，因此多晶硅薄膜电 池成为国内外科学家研究的热点领域。 化合物半导体薄膜电池 化合物半导体薄膜电池是指薄膜中产生光生 载流子的化合物，其中大多数薄膜化合物电池的 材料的禁带宽度在１～１．６ｅＶ之间，与大多数太阳 光谱波长相匹配，有由于这些材料大多数都是直 接带隙材料，对太阳光的吸收程度较高，只要几 个微米厚薄膜就可以能吸收９０％以上太阳光，因 此是制作薄膜太阳电池的最重要的材料之一。 （１）ＣｄＴｅ电池 ＣｄＴｅ为Ⅱ一Ⅵ族半导体化合物，光学带隙 １．４ｅＶ，与太阳光谱非常匹配，具有很高光电转化 效率，再加上材料性能稳定，被看作最有潜力的 薄膜电池材料。 （２）铜铟硒（ＣＩＳ）薄膜太阳电池 ＣＩＳ是三元化合物半导体薄膜材料，光学带隙 １．０４ｅＶ。在上世纪７Ｏ年代末，美国波音公司采用 真空蒸发方法制备的ＣＩＳ薄膜电池效率达到９ 。 从自上世纪８ｏ年代开始，ＡＲＣＯＳｏｌａｒ公司在ＣＩＳ 研发与应用工作中逐渐走在前列，并与我国北京 太阳能研究所开始合作，这进一步加快了铜铟硒 薄膜电池发展。到２Ｏ世纪９Ｏ年代末，而美国国家 再生能源实验室铜铟硒薄膜电池光电转化效率到 １８．８ 。而在我国云南师范大学、内蒙古大学和 南开大学等高校与科研单位于２Ｏ世纪８Ｏ年代中期 先后开展了ＣＩＳ薄膜电池研究。南开大学采用真 ■一 空蒸发放法制备的ＣＩＳ薄膜电池效率达到９．１３ ９／６。 “十一五”期间，铜铟硒薄膜电池被列入国家高技 术研究发展计划重点项目，为铜铟硒薄膜电池的 发展提供更有力的发展空间。 （３）染料敏化ＴｉＯ 太阳电池 染料敏化ＴｉＯ。太阳能电池实际上是一种光电 化学电池。早期的ＴｉＯ。光电化学电池存在严重稳 定性差和转化效率低等诸多问题，在技术上一直 没有质的突破。在１９９１年，瑞士的ＧｒＹｔｚｅｌ将染 料敏化引入到ＴｉＯ 太阳电池电池中使电池效率达 到７．１ 。从而开辟该电池研究热的先驱。到现在 染料敏化ＴｉＯ 太阳电池实验室最高效率达到 １２ 。在我国已将该种电池研究列入“９７３”重大 课题研究，在光电转化的效率方面已取得可喜的 成绩，小面积电池效率已突破ｌ１ 。但是由于存 在液体电解质的问题，它稳定性还存在诸多问题。 现在科学家们的研究已转向固态电解质稳定性问 题成为是这种电池研究的重要方向。 ５太阳能电池的商业化发展趋势 由于化石能源的短缺，太阳能电池技术的商 业化进程已提到日程上。进入２１世纪以来，单晶 硅太阳电池任占主导地位，占有市场很大的份额。 其次是多晶硅太阳能电池。非晶硅由于转化效率 低和光衰减等突出问题，在商业化过程中市场份 占有量的速度不快。ＣｄＴｅ薄膜电池从上世纪中期 就开始商业化生产，到现在占有量较少，主要是 由于人们对重金属Ｃｄ毒性的原因；铜铟硒电池的 产业化进程比较缓慢，原因是生产过程中化学剂 量比难于控制，大面积均匀性和重复性较差。 太阳能光伏工业主要是指太阳电池及组件的 制造和生产。在过去几十年内，各国光伏产业平 均年增长率约１５ ，尤其到本世纪末各国光伏产 信息记录材料２０１３年 第１４卷第３期 综述 业进入更加迅速发展时期，最近 年的年平均增 电子科技大学学报，１９９７，２６（４）：３９４—３９７ 长率约为２２％，而近５年的平均年增长率更达到 ［６］徐立珍，李彦，秦锋．薄膜太阳电池的研究进展及应用前 ３５ ，２００２年达到５４０ＭＷ。最近十多年来，由于 ＮＥＪ］・可再生能源，２００６，３：９—１２・ 光伏组件成本下降了较快，预计２０１０～２０１５年光 ［ ］Ｅ・ｓ・Ｎｉｋ。“ｙ“ｋ，Ｖ・ｚ・ｓｈｌｙａｋｈｏｖｕｙ，Ｍ・０・Ｋｏｖａｌｅｔｓ，。 伏组件成本可以下降到１美元／峰瓦。加上生产自 ａ１．Ａ。 “ ｍ。ｄｉｆｙｉｎｇ ｉｎ ｃｄＴｅ。Ｙｂ。 ｙ ｌ ［Ｊ］．Ｊ。“ｒｎ ｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ．】９９６．】６】．】８６一】８９． 动化程度不断提高，产业向５Ｏ～ＩＯＯＭＷ规模发 Ｅ８］Ｍ．Ｂｕｒｇｅｌｍａｎ，Ｐ．Ｎｏｌｌｅｔ．Ａｄｍｉｔｔａｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ 展，大企业集团参与并占主导地位，２００１年世界 ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ｌ Ｊ １．Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ，２００５，Ｉ７６： 前１０名厂商生产量占世界总产量的８６％。由此可 ２１７卜２１７５． 以知道光伏工业的快速发展趋势。 ［９］Ｍ．Ｒｏｕｍｉ６，Ｋ．Ｚａｈｒａｍａｎ，Ｂ．Ｎｓｏｕｌｉ，ｅｔ ａ１．Ｉｏｎ ｂｅａｍ 参 考 文 献 ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＣｄＴｅ ｎｕｃｌｅａｒ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔａｃｔ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｅｌｅｃ一 ［！］李蓉萍，李琦．掺Ｓｂ—ＣｄＴｅ薄膜的结构及其光学特性研ｔｒｏｌｅｓｓ ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ 究［Ｊ］．真空科学与技术，２００２，２２（６）：４７４—４７６ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｂ，２００５，２４０：３８６—３９０． ［２］郑毓峰，陈树义，李锦等．共溅射ＣｄＴｅ掺Ｎｄ薄膜的结构 ［１０ＩＡ．Ｉ．Ｓａｖｃｈｕｋ，Ｓ．Ｙｕ．Ｐａｒａｎｃｈｙｃｈ，Ｖ．Ｍ．Ｆｒａｓｕｎｙａｋ， 和电导性能［Ｊ］．大学学报，２００２，１９（１）：６—８ ｅｔ ａ１． Ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｏｏｐｔｉｃａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ＣｄＴｅ ｃｒｙｓｔａｌｓ ［３］季秉厚，孟凡英，李健，等．真空气相沉积碲化镉薄膜特性ｄｏｐｅｄ ｗｉｔｈ ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｉｏｎｓＥＪ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎ 研究［Ｊ］．太阳能学报，２００２，２３（１）：４１—４４． ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｂ，２００３，１０５：１６１—１６４ ［４３杨笛，李蓉萍，李琦．真空蒸发法制备ＣｄＴｅ薄膜的光电 ［１１］Ｓ．Ｃｈａｎｄｒａｍｏｈａｎ，Ｒ．Ｓａｔｈｙａｍｏｏｒｔｈｙ，Ｐ．Ｓｕｄｈａｇａｒ， 特性［Ｊ］．内蒙古大学学报，２００２，３３（Ｉ）：１７—２０． ｅｔ ａ１．Ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｗｉｆｔ ｉｏｎ ｂｅａｍ ｉｒｒａｄｉａｔｅｄ ［５］李燕，罗佳慧．真空蒸发碲化物薄膜光电性能的研究［Ｊ］． ＣｄＴｅ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ［Ｊ］．Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ，２００７，７ Ｔｈｅ Ｓｔｕｄｙ Ｓｔａｔｕｓ ｏｆ Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｅｌｌ ＬＩ Ｚｈｏｎｇ—ｘｉａｎ （Ｄ ｐｎｒｔ，＂Ｐ 。，Ｐ，ｌ ｆ Ｌ口６。ｒ口￡。ｒ Ｊ ｒ Ｍ。 ｇ。ｚ ｎ Ｍｅｄｉｃ口ｚ ｕ ｔ ｒｓ ￡ ，Ｈ ＾＾。￡０ Ｄ０Ｄ，ｃ ｎ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｎｄ ｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓｏｕｒｃｅｓ ｄｅｍａｎｄ， ．ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｆｏｓｓｉｌ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｃａｎ ｎｏｔ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｓｏｃｉｅｔｙ．Ｔｈｅ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｏｔｅｎｔｉａ１．Ｆｏｒ ｉｔｓ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｉｔ ｉｓ ｏｆ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｈｅｒｅ，ｓｏｍｅ ｏｆ ｒｅｃｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｍａｔｅｒｉａｌ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｔａｔｅ ｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｗｅｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｉｎ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｆｉｅｌｄ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｒｅｖｉｅｗｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｃｅｌｌ；ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ；ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ —１
