太阳能电池材料

太阳能材料的研究和发展

1 引言

随着人类社会的不断发展，人与自然的矛盾也愈来愈突出。目前全世界范围面临的最为突出的问题是环境与能源，即环境恶化和能源短缺。这个问题当然要通过各国政府采取正确的对策来处理，发展新材料及相应的技术．将是解决这一问题最为有效的方法。事实上近年来人们对太阳能材料的研制和利用，已显示了积极有效的作用。这一新型功能材料的发展，既可解决人类面临的能源短缺，又不造成环境污染。尽管太阳能材料的成本还较高和性能还有待进一步提高，但随着材料科学的不断进步，太阳能材料愈来愈显示了诱人的发展前景。可以预见，在下个世纪，太阳能材料将扮演更为重要的角色。就象半导体等功能材料的发展带来电信和计算机产业的兴起和发展一样，太阳能材料及相关技术也将带来太阳能器件的产业化的发展，使人类在环境保护和能源利用两方面的和谐达到更加完善的境界。大阳能是人类取之不尽，用之不竭的可再生能源，也是清洁能源，不产生任何的环境污染。为了充分有效地利用太阳能，人们发展了多种太阳能材料。按性能和用途大体上可分为光热转换材料，光电转换材料，光化学能转换材料和光能调控变色材料等。由此而形成太阳能光热利用，光电利用，光化学能利用和太阳能光能调控等相应技术。从目前世界范围内经济发展状况来看，太阳能材料及相应利用技术是发展最快和最有发展前景的高科技产业之一。随着科学技术的不断进步，将不断地出现更为经济，性能更好的新型太阳能材料。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源．也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。为此，人们研制和开发了太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般的要求有：1、半导体材料的禁带不能太宽；

②要有较高的光电转换效率：3、材料本身对环境不造成污染；4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其它村料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。

1 硅系太阳能电池

1.1 单晶硅太阳能电池

硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电地工艺己近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm。厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合．通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：通过以上制得的电池转化效率超过23%，是大值可达23．3％。Kyocera公司制备的大面积（225cm2）单电晶太阳能电池转换效率为19．44%，国内北京太

阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（2cm X 2cm）转换效率达到19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5cm X 5cm）转换效率达8.6%。

单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。

1．2 多晶硅薄膜太阳能电池

通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350～450μm的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒大小，未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，人们一直没有停止过研究，并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。

化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒,并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用LPCVD在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。德国费莱堡太阳能研究所采用区馆再结晶技术在FZ Si衬底上制得的多晶硅电池转换效率为19％，日本三菱公司用该法制备电池，效率达16.42%。

液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里，降低温度析出硅膜。美国Astropower公司采用LPE制备的电池效率达12．2％。中国光电发展技术中心的陈哲良采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶粒，并设计了一种类似于晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池，称之为“硅粒”太阳能电池，但有关性能方面的报道还未见到。

多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。

1.3 非晶硅薄膜太阳能电池

开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展，其实早在70年代初，Carlson等就已经开始了对非晶硅电池的研制工作,近几年它的研制工作得到了迅速

发展,目前世界上己有许多家公司在生产该种电池产品。

非晶硅作为太阳能材料尽管是一种很好的电池材料，但由于其光学带隙为 1.7eV, 使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S一W效应，使得电池性能不稳定。解决这些问题的这径就是制备叠层太阳能电池，叠层太阳能电池是由在制备的p、i、n层单结太阳能电池上再沉积一个或多个P-i-n子电池制得的。叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：①它把不同禁带宽度的材科组台在一起，提高了光谱的响应范围；②顶电池的i层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保证i层中的光生载流子抽出；③底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小；

④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。

非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，其中包括反应溅射法、PECVD法、LPCVD 法等，反应原料气体为H2稀释的SiH4，衬底主要为玻璃及不锈钢片，制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。目前非晶硅太阳能电池的研究取得两大进展：第一、三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到13％，创下新的记录；第二.三叠层太阳能电池年生产能力达5MW。美国联合太阳能公司（VSSC）制得的单结太阳能电池最高转换效率为9．3%，三带隙三叠层电池最高转换效率为13％.

上述最高转换效率是在小面积（0．25cm2）电池上取得的。曾有文献报道单结非晶硅太阳能电池转换效率超过12．5％，日本中央研究院采用一系列新措施，制得的非晶硅电池的转换效率为13．2％。国内关于非晶硅薄膜电池特别是叠层太阳能电池的研究并不多，南开大学的耿新华等采用工业用材料，以铝背电极制备出面积为20X20cm2、转换效率为8．28％的a－Si/a－Si叠层太阳能电池。

非晶硅太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点，有着极大的潜力。但同时由于它的稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

2 多元化合物薄膜太阳能电池

为了寻找单晶硅电池的替代品,人们除开发了多晶硅、非晶硅薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。上述电池中，尽管硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代

砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙为1．4eV，正好为高吸收率太阳光的值，因此，是很理想的电池材料。GaAs等III-V化合物薄膜电池的制备主要采用MOVPE和LPE 技术，其中MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错、反应压力、III-V比率、总流量等诸多参数的影响。

除GaAs外，其它III-V化合物如Gasb、GaInP等电池材料也得到了开发。1998年德国

费莱堡太阳能系统研究所制得的GaAs太阳能电池转换效率为24．2％，为欧洲记录。首次制备的GaInP电池转换效率为14．7％．见表2。另外，该研究所还采用堆叠结构制备GaAs，Gasb电池，该电池是将两个独立的电池堆叠在一起，GaAs作为上电池，下电池用的是Gasb,所得到的电池效率达到31．1％。

铜铟硒CuInSe2简称CIC。CIS材料的能降为1．leV，适于太阳光的光电转换,另外，CIS薄膜太阳电池不存在光致衰退问题。因此，CIS用作高转换效率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注目。

CIS电池薄膜的制备主要有真空蒸镀法和硒化法。真空蒸镀法是采用各自的蒸发源蒸镀铜、铟和硒，硒化法是使用H2Se叠层膜硒化，但该法难以得到组成均匀的CIS。CIS薄膜电池从80年代最初8％的转换效率发展到目前的15％左右。日本松下电气工业公司开发的掺镓的CIS电池，其光电转换效率为15．3％（面积1cm2）。1995年美国可再生能源研究室研制出转换效率为17．l％的CIS太阳能电池，这是迄今为止世界上该电池的最高转换效率。预计到2000年CIS电池的转换效率将达到20％，相当于多晶硅太阳能电池。

CIS作为太阳能电池的半导体材料，具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。

3 聚合物多层修饰电极型太阳能电池

在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制爸的研究方向。其原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势，在导电材料（电极）表面进行多层复合，制成类似无机P－N结的单向导电装置。其中一个电极的内层由还原电位较低的聚合物修饰，外层聚合物的还原电位较高，电子转移方向只能由内层向外层转移；另一个电极的修饰正好相反，并且第一个电极上两种聚合物的还原电位均高于后者的两种聚合物的还原电位。当两个修饰电极放入含有光敏化剂的电解波中时．光敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上，还原电位较低电极上积累的电子不能向外层聚合物转移，只能通过外电路通过还原电位较高的电极回到电解液，因此外电路中有光电流产生。

由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。

4 纳米晶化学太阳能电池

在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的，但由于成本居高不下，远不能满足大规模推广应用的要求。为此，人们一直不断在工艺、新材料、电池薄膜化等方面进行探索，而这当中新近发展的纳米TiO2晶体化学能太阳能电池受到国内外科学家的重视。

自瑞士Gratzel教授研制成功纳米TiO2化学大阳能电池以来，国内一些单位也正在进行这方面的研究。纳米晶化学太阳能电池（简称NPC电池）是由一种在禁带半导体材料修饰、

组装到另一种大能隙半导体材料上形成的，窄禁带半导体材料采用过渡金属Ru以及Os等的有机化合物敏化染料，大能隙半导体材料为纳米多晶TiO2并制成电极，此外NPC电池还选用适当的氧化一还原电解质。纳米晶TiO2工作原理：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。

纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10％以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10．寿命能达到2O年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。

下面针对太阳能电池材料的制备的一些方法

1实验方法

1.1聚苯胺的制备

电化学制备质子酸掺杂的p型聚苯胺：苯胺电聚合的溶液为硫酸和苯胺溶液，所有试剂均为分析纯，由2次蒸馏水配置。采用恒电流的方法电氧化，氧化时间15min.本征聚苯胺的制备：取硫酸掺杂的聚苯胺，用质量分数为25%的氨水反掺杂24h，然后进行过滤，再用去离子水洗3次，放在80℃的烘箱中干燥48h后取出，置于干燥器中保存，即为本征态聚苯胺.n型聚苯胺的制备将本征态的聚苯胺放入萘钠的四氢呋喃的溶液中静置反应24h，过滤后真空干燥，置于干燥器中保存，即为n型聚苯胺

1.2聚苯胺的结构与表征分析

红外光谱：以KBr压片法制样，在TENSOR27型FTIRSpectrometer（傅立叶红外仪）上对样品结构进行分析。

紫外-可见光谱：将溶于二甲基甲酰胺（DMF）中的PANI在Unico公司的uv22100型紫外.可见光谱仪上测试。

表面形貌：采用KYKY2800型扫描电子显微镜对样品的表面形貌进行分析。

X射线衍射：采用日本Rigaku公司的Dmax/2500X型衍射仪对样品的结晶度和表面积进行分析。

电导率测试：将制备的聚苯胺填充到模具中，在015MPa压力下压成棒状后用HZ2520型数字微欧仪以四探针法测定其电导率。

1.3太阳能电池的组装及电池性能测试

单层太阳能电池将p型聚苯胺轧制在导电玻璃膜（ITO）膜上，与Al箔组装成太阳能电池。

双层太阳能电池比例3∶1的p型和n型聚苯胺分别轧制在ITO膜和Al箔上组成太阳能电池。

共混太阳能电池比例为3∶1的p型和n型聚苯胺机械共混后轧制在ITO膜上，与Al 箔组装成太阳能电池。

（所有太阳能电池厚度控制在10μm以内）。

电池性能测试采用电流表、电压表、幅照计和标准电阻测试各种光电池的开路电压、短路电流、光伏安特性曲线、填充因子、光电转换效率、电池内阻等。

2 结果与讨论

2.1聚苯胺的红外和紫外可见光性能分析

就本征态的PANI而言，红外谱的833cm﹣1、1311cm﹣1、3391cm﹣1分别代表的是对位二取代苯的C—H、C—N和N—H的伸缩振动峰；1165cm﹣1和1591cm﹣1处代表的是醌二亚胺的骨架伸缩振动，而1500cm﹣1处代表的是苯二亚胺的伸缩振动峰。红外谱图分析表明PANI存在着苯二亚胺和醌二亚胺的结构，这样才有利于离子掺杂以及电子的传递，也有利于氧化还原反应的顺利进行。

对比本征态的PANI，硫酸掺杂的p型PANI的对位二取代苯的C—H、C—N和N—H 的伸缩振动峰发生了明显的左移，分别移至823cm﹣1、1301cm﹣1和3370cm﹣1处，这说明硫酸掺杂确实改变了本征态PANI分子的结构；同时由于代表醌二亚胺的特征峰1147cm ﹣1和1560cm﹣1除了明显的左移，峰也发生了明显的宽化，说明硫酸的掺杂正是发生在醌二亚胺的氮原子上；同时代表苯二亚胺的特征峰1477cm﹣1也较本征态的PANI发生了左移。由于掺杂的硫酸是一个吸电子基团，质子化作用使得分子链上醌环和苯环上的p电子云减少，使其伸缩振动频率也减少，表现为分子链间的排斥力减小，柔性增加，结晶度增大。

对比本征态的PANI，萘钠掺杂的n型PANI的对位二取代苯的C—H、C—N和N—H 的伸缩振动峰也发生了的左移，但无硫酸掺杂明显，分别移至82211cm﹣1、1303cm﹣1和3383cm﹣1处，这说明萘钠掺杂也改变了本征态PANI分子的结构；同时由于代表苯二亚胺的特征峰1445cm﹣1除了明显的左移，峰也发生了明显的宽化，说明萘钠的掺杂正是发生在苯二亚胺的结构上；而代表醌二亚胺的

1166cm﹣1和1591cm﹣1则较本征态的PANI没有什么变化。

两种不同掺杂方式获得的PANI由于掺杂在PANI上的位置不同，其电化学活性和稳定性也相差很大，p型PANI表现出较强的氧化特性，在空气中稳定；而n型PANI则表现出较强的还原性，在空气中易被水潮解。因此在光照条件下由两者组成的电池内建电场应能提供较大的电压和电流。

本征态PANI在3.5和620nm附近出现2个明显的紫外吸收峰，其中315nm处的吸收峰是苯环中π成键轨道到π3反键轨道的跃迁，由于分子中存在双键共轭体系，因而发生红移；而620nm代表的是从苯环到醌环的激子跃迁。硫酸掺杂的PANI在450nm处有1个明显的吸收峰，而在530nm处的吸收峰为半台阶状，不够明显；萘钠掺杂PANI在385和585nm 处有2个明显的吸收峰，这2种掺杂的PANI的吸收峰对应的依然是苯环中π成键轨道到π3反键轨道的跃迁以及苯环到醌环的激子跃迁。

掺杂后的PANI在低波段的吸收峰发生红移，而在高波段的吸收峰发生蓝移主要是由于分子中掺杂了离子的缘故.

对比本征态和2种掺杂态的PANI，还可以发现由于掺杂使得PANI的第1个吸收峰发生明显的红移，进入可见光区（400—760nm），并且可见光吸收峰强度和宽度增大，这说明通过掺杂使得PANI分子链上电荷离域得更充分，π电子更容易跃迁，所需能量更低，从而形成较高的电导率。也表明掺杂不仅可以增大材料的导电率，还可以使材料在可见光区的吸收范围和强度增大，这为其用于光电转换的太阳能电池材料提供了可能。

2.2表面形貌分析

聚合物太阳能电池的电池特性及性能好坏在很大程度上取决于聚合物的形貌和结构。有序的分子结构能使高聚物的共轭分子的键在正负极方向上得以最大程度的重叠，从而使载流子的传输更为容易，因此，PANI的电导率和电化学活性与其颗粒大小、形态和堆积的紧密程度密不可分。

几种PANI形貌均为球型、堆积紧密，结构较为致密结实，颗粒非常细致均匀，形成单位体积内电极活性物质的表面积很大且孔隙多，这与许多文献报道的在玻璃等基体上沉积出的掺杂p型聚苯胺形貌是一致的本研究的PANI的宏观电导率主要由链内电导率和链间电导率构成，而后者与聚苯胺分子链的排列状况有关，它必须依靠链间的“跃迁”（也就是“隧道

效应”）来传递载流子，以此获得导电性。从这组扫描照片可以看出，聚苯胺的颗粒已经很精细，平均粒径也变得很小，并且在整个面上形成了均匀的聚苯胺隧道网，使得载流子的传递变得更加通畅，形成了导电通道，这将使其电导率较大。

由于本征和n型聚苯胺都源自对p型聚苯胺进行处理和化学反应，因此它们的形貌与p 型聚苯胺形貌是一致。但本征和n型聚苯胺较电化学制备的p型聚苯胺团聚严重，粒径也较p型PANI要小，因此其表面积应比p型的表面积要大。

2.3 聚苯胺的结构分析

硫酸掺杂的PANI在2θ=619°处有明显的尖峰，这表明掺杂了硫酸的p型PANI链具有短程有序性，而在2θ=19°和2θ=25°左右的2个宽化峰是由于掺杂剂和邻近聚合物主链氮原子之间的周期性结构变化引起的，这两个峰属于平行和垂直于PANI主链的重复出现[11].质子酸掺杂的导电聚苯胺在其他位置也有许多尖锐的峰出现，表明其结晶程度最高，萘钠掺杂n型的PANI也有许多尖锐的峰出现，它在2θ=19°和2θ=30°附近也有宽化峰出现，表明也有平行和垂直于PANI主链的结构出现，其结晶度也较本征态有很大的提高；而本征态的PANI 除2θ=20°附近的馒头峰外，只有几个简单的峰，结晶程度在三者中最低。通过软件的拟合可以计算出三者的粒径尺寸、结晶程度和表面积，结果列于表 2.由表中的结果可知制备的PANI的粒径都在纳米范围内，其表面积也很大。掺杂态PANI的结晶程度较本征态要高。

导电性能依次为硫酸掺杂的PANI、萘钠掺杂的PANI和本征态的PANI.不同的PANI表现出导电性能差异显著的原因主要是由于分子导电性能的差异，而这又与其结构密不可分。导电高分子的导电性主要取决于其链内导电率和链间导电率。链内导电率又主要依赖于分子的规整度和掺杂程度，由于p、n型PANI均为离子掺杂，掺杂程度较高，以p型PANI为例，其掺杂程度基本可以达到50%左右，因此表现出良好的导电性。n型PANI虽然掺杂度也可以达到50%左右，但由于萘钠离子的活性，使其容易在潮湿的空气中发生变质，因此导电率不如p型掺杂的PANI.

虽然p型、n型和本征态聚苯胺3种物质的制备方法不同，但都表现出一定程度的结晶，其结晶度的大小依次为p型>n型>本征态，由于p型和n型的PANI的掺杂有利于电荷离域，使其导电性增加，同时两者都有很大程度的结晶，又有利于质子迁移率增加，也使得PANI 的导电性提高；虽然本征态的PANI也具有一定程度的结晶，但由于它是完全氧化还原结构，无离子在链内和链间迁移，因此表现出绝缘性质。

2.4太阳能电池性能

双层结构得到的太阳能电池性能明显优于共混结构和单层结构，且3种结构的太阳能电池都获得了比要高的开路电压和短路电流。

聚合物太阳能电池的开路电压主要与温度、光强度有关，当光强足够大的时候，最终决定因素是器件界面的势垒差及共扼聚合物材料的掺杂程度。对于单层的太阳能电池主要取决于两电极间的功函数差，而对于共混结构的太阳能电池，则取决于阳极功函数与电子受体的LUMO能级差。由于p型PANI的导带能级高于n型的PANI的最低空轨道能级，p型PANI 导带上的电子将会进一步跃迁到n型的PANI的最低空轨道，同时光诱导电子转移不仅增加了载流子数目，而且提高了电荷分离态的稳定性，减少了复合概率，因而此聚合物电池的开路电压和短路电流都比较高。

虽然有文献报道认为共混结构的太阳能电池拥有较高的能量转换效率等特性，并归因于电子给体与电子受体相互各自形成网络连续相，光诱导所产生的电子和空穴可分别在各自的相中输送并在相应的电极上被收集，光生载流子在达到相应电极前被重新复合的概率大为降低。但实际情况下往往由于复合体微观存在无序性而降低，本实验采用机械混合的方法，使得两种组分可能仍以孤岛形式存在，由于网络之间存在着大量的缺陷，阻碍电荷的分离和传输。表3中的数据也表明，共混太阳能电池的内阻较双层结构要高2个数量级，因此在实际

情况测得的结果显示出共混结构的电池性能并不如双层结构的好。

太阳能电池的短路电流主要依赖于提高聚合物的导电性，而聚合物的导电性往往可以通过掺杂和结晶度来提高。从前面分析PANI的结构和性能时已经发现，PANI含有平面状的π体系结构，这种共轭体系的相互重叠导致了电子的流通，增加了载流子的浓度，使得电导率有所提高，并且由于掺杂的PANI除具有载流子外，还存在一定程度的结晶，因此其导电性明显高于本征态的PANI，组装成电池时的短路电流也很大；同时从前面分析结果还知道本研究的PANI在可见光范围内吸收光强度增大，使得光电转化效率增大，这也使得本研究的太阳能电池的短路电流密度值都较文献报道要高。

本研究的填充因子（FF）及光电转换率（η）都比较低。填充因子反映的是太阳能电池的二极管特性，一般大串联电阻和小并联电阻使FF趋于减小，由此可知道这主要是由于电池的内阻较大，电池组装方式不够精密造成的。为提高其填充因子及光电转化率，降低电池的内阻是必须的。

3结论

制备的p型和n型聚苯胺均具有均匀细致的结构，比表面大，导电性良好，具有较好的结晶度，利于载流子的传输，在可见光区有较强的吸收，可以作为太阳能电池材料。

由p型和n型聚苯胺按不同组装方式得到的太阳能电池具有较大的开路电压、短路电流和填充因子，其中的双层结构的太阳能电池性能最为优异。

5 太阳能电池的发展趋势

从以上几个方面的讨论可知，作为太阳能电池的材料，III-V族化合物及CIS等系由稀有元素所制备，尽管以它们制成的太阳能电池转换效率很高，但从材料来源看，这类太阳能电池将来不可能占据主导地位。而另两类电池纳米晶太阳能电池和聚合物修饰电极太阳能电地存在的问题，它们的研究刚刚起步，技术不是很成熟，转换效率还比较低，这两类电池还处于探索阶段，短时间内不可能替代应系太阳能电池。因此，从转换效率和材料的来源角度讲，今后发展的重点仍是硅太阳能电池特别是多晶硅和非晶硅薄膜电池。由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本，将最终取代单晶硅电池，成为市场的主导产品。

提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素，对于目前的硅系太阳能电池，要想再进一步提高转换效率是比较困难的。因此，今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来，现有的高转换效率的太阳能电池是在高质量的硅片上制成的，这是制造硅太阳能电池最费钱的部分。因此，在如何保证转换效率仍较高的情况下来降低衬底的成本就显得尤为重要。也是今后太阳能电池发展急需解决的问题。近来国外曾采用某些技术制得硅条带作为多晶硅薄膜太阳能电池的基片，以达到降低成本的目的，效果还是比较现想的

1 戴亚杰.宋桂霞.张文龙.王暄N-羟乙基咔唑的合成与表征[期刊论文] -哈尔滨理工大

学学报2010(5)

2 邓姝皓.刘丹.王之顺.熊依林.李洪飞塑料太阳能电池的研究现状与进展[期刊论文] -材料开发与应用2008(4)

3 刘振.杨建业.强军锋.王贞.彭龙贵PPV类材料的合成、改性研究进展[期刊论文] -化学工程师2008(9)

4 李丽.张贵友.陈人杰.陈实.吴锋太阳能电池及关键材料的研究进展[期刊论文] -化工新型材料2008(11)

5 夏瑾.徐自力.卢一民.杨英歌聚合物光伏电池材料MEH-PPV的超声合成及其表征[期刊论文] -化工新型材料2008(9)

6 卢金军太阳能电池的研究现状和产业发展[期刊论文] -科技资讯2007(18)

7 彭艳红.韩雪峰.温和瑞太阳能电池材料的研究进展[期刊论文] -赣南师范学院学报2006(6)

8 会议论文太阳电池用硅材料的现状和发展第九届中国太阳能光伏会议2006

9 学位论文太阳电池用上转换材料的优化制备及其特性研究2008

10 期刊论文含苝酰亚胺衍生物太阳电池材料- 化学进展2008, 20(11)

11 期刊论文背板材料对太阳电池效率影响的实验研究- 材料研究与应用2008,

2(4) 12 学位论文器件质量级微晶硅薄膜及高效微晶硅太阳电池制备的研究2005 13 会议论文太阳电池组件封装用国产材料与进口材料的差距及替代的可能性2003年中国太阳能学会学术年会2003

14 期刊论文硅基薄膜太阳电池窗口材料的研究进展- 材料导报2007, 21(1)

15 学位论文晶体硅材料的机械性能及相关太阳电池工艺的研究2010

16 期刊论文硅太阳电池材料的研究进展- 能源工程2002(4)

17 会议论文太阳电池窗口材料的研究第十三届全国半导体集成电路、硅材料学术会2003