浅谈有机太阳能电池材料的研究进展
科技展望 2015/30
浅谈有机太阳能电池材料的研究进展
伍唤宇
（长沙麓山国际实验中学，湖南 长沙 410006）
【摘 要】有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流，实现太阳能发电的效果。本文主要分析有机太阳能电池材料的研究进展。
【关键词】有机太阳能 电池材料 研究进展
当前，世界各国都非常注重对太阳能相应技术的研究进展，这是由于太阳能是，目前解决能源危机的重要途径之一，所以对于太阳能的电池研究非常重视。从目前的太阳能电池市场中，都是以无机晶体占据主导性地位，而这种无机晶体的制作成本高、工艺手段复杂，使得太阳能电池难以迅速普及。而对于有机太阳能电池的制作成本低，工艺较为简单，因此，有机太阳能电池逐渐成为太阳能发展能否普及的重要影响因素。为此，本文笔者就主要从太阳能电池的材料选择、工艺技术等多个方面对有机太阳能电池的发展进行详细的阐述，才能更好地讨论有机太阳能电池材料未来的发展趋势。
1关于有机太阳能电池的基本概况分析
1.1工作原理分析
总的来说，太阳能电池的工作原理就是重复利用半导体异质结，或者是金属的半导体界面所引起的光伏效应，所以，我们可以称之为光伏电池。在这一过程中，只有当光子射入到光敏材料时，可以有效地激发有机材料内部的电子和空穴对。这样，在静电势能的作用下进行相应的分离，之后所接触的电极进行收集，这样就能够使得外电路的电流进行通过，而有机太阳能电池则是充分利用这一光伏效应。另外，在太阳光照射下的材料吸收光子，若是光子所产生的能量高于有机材料的禁带宽度，这样就很有可能产生一种电子空穴对。在这种情况下，若是产生高于无机半导体材料中的电子空穴对的结合能量，这样激子便不会进行自动分解体。当两种不同电子的材料进行接触时，在两种接触材料的界面处便会产生电势差，这样就可以有效地驱动激子进行分离，若是单纯由一种有机物存在两层的金属电极之间形成的电池效率是很低的，但是后来可以将P型的半导体材料和N型的半导体材料进行结合时，在接触界面上很难形成激子之间的分离。
1.2对于有机太阳电池的分类选择研究
一般来看，有机太阳能电池的器件结构可以主要分为三大类，第一类是单质结的有机太阳能电池。第二类是异质结的有机太阳能电池，第三类是染料敏化太阳能电池。而对于异质结有机太阳能电池其中便包含了P-N异质结合混合异质结以及体异质结等有机太阳能电池。
在单质结的有机太阳能电池中，这是最早研究的有机太阳能电池，其一般的结构是为玻璃和有机层和电极有机层组成，在材料上都是以ITO和一些功能函数较低的金属组成的。但是对于单层结构的电池来说，在内部所建立的电场源上都是来源于两个不同的电极功函数差，以及相应的金属有机材料接触形成的特定肖特基势垒。而且，由于电子与空穴在同一材质中进行传输时，其产生的复合几率非常大，这样就使得单质结的有机太阳能电池的转换效率较低。
1.3异质结的有机太阳能电池的分析
从某种程度上看，异质结的有机太阳能电池，主要是以P-N异质结和混合异质结以及体异质结等方面的所共同组成。
在P-N异质结的有机太阳能电池结构是有不同的材料组成的，由于当前这种电池中不同结构的存在，导致单质结有机太阳能电池的转换效率是非常高的，这也就成为后来我们研究的重要内容，在这种结构的太阳能电池中在上个世纪便报道出来，有些学者认为这种电池的光伏性能主要是取决于不同有机材料形成的界面，并不是由有机材料的接触界面所形成。
但是，与单质结电池相比，P-N异质结电池相比有很多的优势，这种对于材料的合理选择，可以有效地制造出具有宽光谱范围的器件。在各种染料的电子相互作用下，能够使得将有效地电荷分离仅仅控制在材料接触的界面上。同时，由于电荷分离限制在电池较小的地区，使得能够有效地吸收各种光子的数量而逐步受到一定程度上的限制，为此，这种电池的光电转换效率是比较低的。
2有机太阳能电池材料的选择研究
从当前的情况来看，最在使用的有机太阳能电池主要为肖特基电池，这种电池就是在真空的基本条件下，将有机半导体染料在基板上形成夹心式的结构，而且，这种电池对于我们研究光电转换机有着重要的帮助，但是对于蒸镀膜的加工工艺是较为复杂，非常容易造成脱落。为此，我们就必须要将有机染料半导体分散在各种聚合物上，这样就能够使得光生载流逐渐减少。
在另外一方面，我们也应该要看到，有机大分子化合物能够在一定程度上制造出各种光电器件，尤其是非常注重对电致发光二极管进行深入研究，例如，富勒烯衍生物中就是一个很好地的电子受体，同时，由于其具有特殊的笼形结构和功能，我们可以充分将其新型功能有效地融入到高分子体系中，这样就能够获得各种优良的导电性材料。
另外，在对于有机无机杂化体系的研究过程中，我们都知道无机纳米半导体材料，总体上具有一种优异的光电特性，并能够将其有效地与有机材料逐步复合成为一种杂化体系，这样就能够有效地利用有机材料和无机材料各方面的物理性能，使得不断提升器件的性能。
目前，我国光伏电池产量年增长速度为1-3倍，光伏电池产量占全球产量的比例也由2002年1.07%增长到2008年的近15%。商业化晶体硅太阳能电池的效率也从13%-14%提高到16%-17%。总的来说，为了能够更好地研究有机太阳能电池技术的研究进展，我们就必须要深入分析当前有机太阳能电池的基本发展概况，尤其是要对工作原理分析、有机太阳电池的分类选择研究、异质结的有机太阳能电池的分析等多个方面的分析，从而为接下来我们的研究工作打下坚实的基础。
参考文献：
[1]叶怀英,李文,李维实.有机太阳能电池用聚合物给体材料的研究进展[J].有机化学,2012(02).
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[3]李晶,武文俊,贺锦香,花建丽.基于苯并噻二唑的菁染料敏化剂的合成与光伏性能研究[J].化学学报,2010(24).
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太阳能电池分类
太阳能电池分类 太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式（以下表示为a-）两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。 按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形（a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等）、ⅢV族（GaAs,InP等）、ⅡⅥ族（Cds 系）和磷化锌 (Zn 3 p 2 ）等。 太阳能电池根所用材料的不同，太阳能电池可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池，其中硅太阳能电池是发展最成熟的，在应用中居主导地位。 1、太阳能电池硅太阳能 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。 单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%（截止2011，为18%）。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作为单晶硅太阳能电池的替代产品。 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%（截止2011，为17%）。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，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，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。 2、太阳能电池多晶体薄膜 多晶体薄膜电池硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电
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太阳能电池材料的发展及应用 材料研1203 Z石南起新材料（或称先进材料）是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料，具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是按照人的意志，通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。 随着科学技术发展，人们在传统材料的基础上，根据现代科技的研究成果，开发出新材料。新材料按组分为金属材料、无机非金属材料（如陶瓷、砷化镓半导体等）、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料性能分为结构材料和功能材料。21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。新材料的研究，是人类对物质性质认识和应用向更深层次的进军。 功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。 功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。 功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中，功能材料约占85%。我国高技术 (863)计划、国家重大基础研究[973]计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目（约占新材料领域70%比例），并取得了大量研究成果。
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浅析太阳能电池片废水处理工艺 李慧娟1郭晓霞2 1、内蒙古鑫安能源咨询评估有限公司内蒙古包头014010 2、城市建设研究院内蒙古 分院内蒙古包头014010 摘要：太阳能光伏电池是一种新型的依靠太阳能进行能量转换的光电元器件，它将太阳能转换成电能，清洁无污染，具有广阔的应用前景。太阳能光伏电池作为一种清洁能源，应用前景广泛。而近年来，太阳能电池片生产技术不断进步，生产成本不断降低，转换效率不断提高，使光伏发电的应用日益普及并迅速发展，逐渐成为电力供应的重要来源。但是，太阳能电池片生产工艺产生的废水、废气处理不当的话，容易对环境造成污染，在此，本文对单晶硅生产工艺产生的废水处理工艺做详细的阐述。 关键词：太阳能电池片废水处理工艺 中图分类号：TM914.4文献标识码：A 一、引言 随着社会的发展，不可再生资源日益减少，寻求清洁可再生能源成为社会发展的必然趋势，因此，太阳能、风能、生物能产业得到快速发展。太阳能光伏电池是一种新型的依靠太阳能进行能量转换的光电元器件，它将太阳能转换成电能，清洁无污染，具有广阔的应用前景。太阳能光伏电池作为一种清洁能源，应用前景广泛。其生产废水因含有，腐蚀性强，治理困难。采用两级反应沉淀法，先添加氯化钙除氟，再加絮凝剂和助凝剂进行沉淀，在一级、二级沉淀池中分别进行沉降。结果显示，出水质量浓度降至10mg/L以下，达到《污水综合排放标准》（GB8978．1996）的一级排放标准，解决了企业废水处理问题，废水处理效果好，运行稳定，具有推广价值。 二、单晶硅太阳能电池工艺简介 太阳能电池片是一种能量转换的光电元件，它可以在太阳光的照射下，把光能转换成电能，从而实现光伏发电[1]。生产电池片的工艺比较复杂，一般要经过硅片检测、表面制绒、扩散制结、等离子刻蚀、去磷硅玻璃、镀减反射膜、丝网印刷、快速烧结和检测分装等主要步骤。 三、污水成分分析 电池片生产工艺中，单晶硅片制绒工艺是用碱（通常用氢氧化钠）腐蚀硅片表面形成金字塔形貌，过程中用氢氟酸和盐酸清洗，主要产生的废水有浓碱废水、酸碱冲洗废水；去磷硅玻璃工序用氢氟酸去除硅片表面的磷硅玻璃，会产生含氟废水。 从废水的成分来说，主要有以下三部分，含氟废水：主要包括含氢氟酸、硅类的含氟冲洗废水，无机废水主要成分为氢氟酸和SS，[H+]及氟离子浓度较高，酸碱废水中含有硅粉等悬浮物，少量的氟化物，一定量的异丙醇，因此COD、SS污染浓度高[2]。因此，设计后废水收集在两个不同的储罐和两个集水池，分别为：浓碱储罐、浓酸储罐、酸碱废水、含氟废水，废水按照浓度的不同，分开收集，做到轻污分流，节约处理成本。 四、处理工艺的建立 按照工艺的设计，废水按照浓度和成分的不同，分别收集在不同的储罐和集水池，分别为浓酸储罐、浓碱储罐、含氟冲洗废水池、酸碱废水。 浓酸储罐主要收集酸洗和去磷硅玻璃工序中氢氟酸和盐酸槽的废水，废水酸度大，氟离子含量高；浓碱储罐主要收集制绒槽的废水，有机物含量比较高（主要含异丙醇），含有硅粉等悬浮物，COD、SS污染浓度高；含氟冲洗废水池主要收集硅片出氢氟酸槽后的冲洗废水，废水水量大，含有少量的氟离子；酸碱废水池分别收集硅片出碱槽后的冲洗废水、硅片
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引言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。本文简要地综述了太阳能电池的种类及其研究现状，并讨论了太阳能电池的发展及趋势。 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*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（LPCV D）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和
有机太阳能电池研究进展(1)
专题介绍 有机太阳能电池研究进展 X 林 鹏,张志峰,熊德平,张梦欣,王 丽 (北京交通大学光电子技术研究所,信息存储、显示与材料开放实验室,北京,100044) 摘 要:有机太阳能电池与无机太阳能电池相比,还存在许多关键性问题。为了改善有机太阳能电池的性能,各种研究工作正在进行,这些研究主要是为了寻找新的材料,优化器件结构。对电池原理、部分表征方法、效率损失机制、典型器件结构、最近的发展、以及未来的发展趋势作了简要描述。 关键词:有机太阳能电池;器件结构;给体;受体;转换效率 中图分类号:T N 383 文献标识码:A 文章编号:1005-488X(2004)01-0055-06 Progres s in Study of Organic Sola r Ce ll LIN Peng ,ZHANG Zhi -feng ,XIONG De -ping ,ZHANG Meng -xin ,WANG Li (I nstitute of O p toelectronics T echnology ,Beij ing J iaotong University ,Beijing ,100044,China )Abstr act :Compaer ed with inorganic solar cells ,organic solar cells still have many critical pr oblems.In order to improve the properties of organic solar cells,a lot of different studies have been carried on.T he main purposes of these studies are to seek new mater ials and new device structure.A brief review of the theory of photovoltaic cells,along with some aspects of their characterization ,the basic efficiency loss mechanism ,typical device structures ,and the trends in research will be presented. Key wor ds :organic photovoltaic cell;device structure;donor;acceptor ;conversion effi-ciency 前 言 进入21世纪以来,由于煤、石油、天然气等自然资源有限,已经不能满足人类发展的需要。环境污染也已经成为亟待解决的严重问题。同使用矿物燃料发电相比,太阳能发电有着不可比拟的优点。 太阳能取之不尽,太阳几分钟射向地球的能量相当 于人类一年所耗用的能量。太阳能的利用已经开始逐年增长。但目前使用的硅等太阳能电池材料,因成本太高,只能在一些特殊的场合如卫星供电、边远地区通信塔等使用。目前太阳能发电量只相当于全球总发电量的0.04%。要使太阳能发电得到大规模推广,就必须降低太阳能电池材料的成本,或 第24卷第1期2004年3月 光 电 子 技 术OPT OELECT RONIC T ECHNOLOGY Vol.24No.1 Mar.2004 X 收稿日期:2003-11-17 作者简介:林 鹏(1978-),男,硕士生。主要从事光电子技术研究。 张志峰(1977-),男,硕士生。主要从事有机电致发光(OLED)的研究工作。熊德平(1975-),男,硕士生。主要从事无机半导体材料方面的研究工作。
浅谈钙钛矿太阳能电池技术与发展
浅谈钙钛矿太阳能电池技术与进展 全华锋BY619102 摘要：基于钙钛矿材料(CH3NH3PbI)制备的太阳能电池的效率由2009年的3.8%增长到了目前的20.2%，因为其较高的光吸收系数，较低的成本以及易于制备等优势引起了广泛的关注。钙钛矿材料不仅可以作为光吸收层，还可以作为电子传输层(ETM)和空穴传输层(HTM)，由此可以制备不同结构的钙钛矿太阳电池：介孔结构、介观超结构、平面结构和有机结构等。除此之外，钙钛矿材料的制备方法的多样性也使其更具吸引力，目前已有一步溶液法、两步连续沉积法、双源共蒸发法和溶液—气相沉积法。本文主要介绍钙钛矿太阳电池的发展历程、工作原理、薄膜的制备方法以及各层的作用，最后对钙钛矿太阳电池面临的问题和发展前景进行介绍。 关键词：钙钛矿材料；太阳电池；光吸收层 1.钙钛矿太阳电池的发展历程 随着人类社会的不断发展与进步，由工业发展带来的能源和环境问题日益明显，化石燃料（石油、煤炭、天然气等）的有限储量及其燃烧带来的全球变暖问题使人们不得不去寻找和开发环保且可再生的新型能源。太阳能来源丰富，取之不尽，用之不竭，而且太阳能绿色环保无污染，是未来有希望获得大规模应用的新能源之一，受到国际社会的广泛关注与研究。将太阳能转换为电能的重要器件之一就是太阳电池。 2009年，日本人Kojim等首先将有机-无机杂化的钙钛矿材料应用到量子点敏化太阳电池中，制备出第一块钙钛矿太阳电池，并实现了 3.8%的效率。但这种钙钛矿材料在液态电介质中很容易溶解，该电池仅仅存在了几分钟级宣告失败，随后，Park等人于2011年将CH3NH3PbI纳米晶粒改为2-3nm，效率达到了6.5%。由于仍然采用液态电解质，仅仅经过10min，电池效率就衰减了80%。为解决钙钛矿的稳定性问题，2012年Kim等人将一种固态空穴传输材料(spiro-OMeTAD)引入到钙钛矿太阳电池中，制备出第一块全固态钙钛矿太阳电池，电池效率达到了9.7%。即使未经封装，电池在经过500小时后，效率衰减很小。空穴传输层(HTM)的使用，初步解决了液态电解质钙钛矿太阳电池不稳定和封装困难的问题。随后Snaith等首次将Cl元素引入到钙钛矿中，并使用Al2O3代替TiO2,证明钙钛
晶硅太阳能电池的特点和种类
晶体硅太阳能电池的种类及特点 太阳能电池已经有30多年的发展历史。目前世界各国研制的硅太阳能电池种类繁多，；主要系列有单晶、多晶、非晶硅几种。其中单晶硅太阳能电池占50％，多晶硅电池占20％、非晶占30％。我国光伏发电发展需解决的关键问题。太阳能光伏发电发展的瓶颈 是成本高。为此，需加大研发力度，集中在降低成本和提高效率的关键技术上有所突破，主要包括：a)晶体硅电池技术。降低太阳硅材料的制备成本：开发专门用于晶体硅太阳 能电池的硅材料，是生产高效和低成本太阳电池的基本条件；同时实现硅材料国产化和 提高性能，从产业链的源头，抓好降低成本工作。提高电池／组件转换效率：高效钝化 技术，高效陷光技术，选择性发射区，背表面场，细栅或者单面技术，封装材料的最佳 折射率等高效封装技术等。光伏技术的发展以薄膜电池为方向，高效率、高稳定性、低 成本是光伏电池发展的基本原则。 单晶硅在太阳能的有效利用当中，太阳能光电利用是近些年来发展最快，也是最具 活力的研究领域。而硅材料太阳能电池无疑是市场的主体，硅基(多晶硅、单晶硅)太阳 能电池占80％以上，每年全世界需消费硅材料3000t左右。生产太阳能电池用单晶硅， 虽然利润比较低，但是市场需求量大，供不应求，如果进行规模化生产，其利润仍然很 可观。目前，中国拟建和在建的太阳能电池生产线每年将需要680多吨的太阳能电池用 多晶硅和单晶硅材料，其中单晶硅400多吨，而且，需求量还以每年15％～20％的增长 率快速增长。硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23％，而规模生产的单晶硅太阳能电池，其效率为15％，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熟的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅 的电池工艺已近成熟，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。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％。单晶硅具有完整的金刚石结构。通过掺杂得到n，P型单晶硅，进而制备出p／n结、二极管及晶体管，从而使硅材料有了真正的用途。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。 多晶硅众所周知，利用太阳能有许多优点，光伏发电将为人类提供主要的能源，但 目前来讲，要使太阳能发电具有较大的市场，被广大的消费者接受，提高太阳电池的光 电转换效率，降低生产成本应该是我们追求的最大目标，从目前国际太阳电池的发展过 程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料(包括微晶硅基薄膜、化合 1
浅谈太阳能电池的发展与应用
浅谈太阳能电池的基本原理与应用 摘要：人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力。特别是煤、石油、天然气等不可再生能源的逐渐枯竭，能源问题已经成为制约社会经济发展的重大问题，研究新能源的开发利用已是当务之急。太阳能作为一种清洁、高效、取用不尽的能源已有尽半个世纪的发展历程。并成为当前各国争相开发利用的一种新能源。太阳能光伏发电的最核心的器件是太阳能电池，太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。为全面的了解太阳能电池的相关知识，本文通过查阅大量资料与新闻信息，综述太阳能电池的发展历程与当前应用情况。重点研究太阳能电池的工作原理，基本结构，主要类型，发展现状及趋势。 关键词：太阳能电池;基本原理;材料; 晶体硅;薄膜太阳能电池;转换效率 引言：由于人类对可再生能源的不断需求。促使人们致力于开发新型能源。太阳在40min内照射带地球表面的能量可供全球目前能源消费的速度使用1年。合理的利用好太阳能将是人类解决能源问题的长期发展战略，是其中最受瞩目的研究热点之一。在太阳能的有效利用中, 太阳能的光电利用是近些年来发展最快、最具活力的研究领域. 太阳能电池的研制和开发日益得到重视. 太阳能电池是利用光电材料吸收光能后发生的光电子转移反应而进行工作的. 根据所用材料的不同, 太阳能电池主要可分为四种类型: ( 1) 硅太阳能电池; ( 2) 多元化合物薄膜太阳能电池; ( 3) 有机物太阳能电池; ( 4) 纳米晶太阳能电池.太阳能电池以硅材料为主的主要原因是其对电池材料的要求: ( 1) 半导体材料的禁带宽度不能太宽; ( 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. 随着新材料的不断开发和相关技术的发展, 以其他材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景. 本文简要地综述了太阳能电池的原理、种类及其研究现状, 并讨论了太阳能电池的发展趋势. 1 基本原理 太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。 1.1 半导体的简单介绍 半导体材料指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料，这种材料在某个温度范围内随温度升高而增加电荷载流子的浓度，电阻率下降。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。 在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。 1.1.1关于半导体的基本概念 共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。 空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。 载流子：运载电荷的粒子称为载流子，包括电子与空穴。 杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。 P型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三
太阳能电池极板材料的研究方向及性能对比
太阳能电池极板材料的研究方向及性能对比 摘要：对于太阳能电池的两大类材料的一些新兴研究成果进行了总结归纳，具体介绍一些热门材料的生产加工工艺以及性能评估，并做出横向对比与评价，并由此对于太阳能电池的发展方向做出展望。 关键词：多晶硅薄膜太阳能电池；碲化镉；铜-铟硒化物/硫化物；染料敏化太阳能电池；有机太阳能电池；转换效率。 1引言 尽管地球上的能源危机以及环境问题在新世纪中已经被一而再再而三的提及，并在一定程度上得到了重视，但人类真正能够改变这一困境的方法和能力还在进一步摸索与加强中。太阳能电池的研究，正是在这方面努力中不可忽视的一部分。 与传统矿石燃料相比，太阳能的优势显而易见：取之不尽用之不竭；清洁无污染；可利用范围广泛；适宜采用新兴的分布式发电进行配送，保证电能的充分利用。遗憾的是，从目前看，太阳能发电（即光伏发电）的成本依旧难以得到有效削减，导致其应用领域局限于一些特定场合，如卫星供电，以及在光能充足的地区集中发电以提高效率。成本在很大程度上取决于极板材料的价格，而研发新型高效低价的极板材料正是光伏发电领域最重要的课题。 目前研究领域最主流的两类光伏材料是：1.无机材料，包括单晶、多晶、无定形硅材料，碲化镉材料，CuInSe铜铟硒化物，以及GaAs砷化镓等半导体材料；2.有机材料，即塑料类的高分子有机物材料及染料敏化材料，主体为在二氧化钛涂层中渗透的化学染料。下面就详细介绍这三大类材料的研究进展。 2 光伏效应 当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集。由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载。 太阳能电池将太阳光转换为自然光中的量子光子。当光照射太阳电池时，将产生一个由n区到p区的光生电流Ipn。同时,由于pn结二极管的特性，存在正向二极管电流ID ,此电流方
浅析无机材料在有机太阳能电池中的应用
浅析无机材料在有机太阳能电池中的应用 发表时间：2018-11-19T17:32:32.533Z 来源：《中国经济社会论坛》学术版2018年第1期作者：吴涛熊磊梁溪凯徐龙 [导读] 现阶段伴随着我国科技水平的不断快速发展，我国的无机材料在有机太阳能电池中的应用范围越来越广泛，其中无机材料的迁移效率比较高，光谱效应和太阳能光谱相匹配，而相对于有机材料来说价格便宜，合成方法较简单。 吴涛熊磊梁溪凯徐龙 湖南工业大学冶金学院湖南省株洲市 412007 摘要：现阶段伴随着我国科技水平的不断快速发展，我国的无机材料在有机太阳能电池中的应用范围越来越广泛，其中无机材料的迁移效率比较高，光谱效应和太阳能光谱相匹配，而相对于有机材料来说价格便宜，合成方法较简单。就目前情况来看，无机材料的迁移效率较差，所以导致光电转换效率比较低，并且阻碍了有机太阳能电池的应用。假使能够将无机材料和有机材料相融合在一起，可以大大的提高太阳能电池的光电转换效率。本文主要阐述了无机材料和有机太阳能电池的概述与优点分析，无机材料在OSCs中的应用原理以及目前无机材料在有机太阳能电池中的应用。 关键词：无机材料；有机材料；有机太阳能；效率；电池；应用 一、无机材料和有机太阳能电池的概述与优点分析 无机材料就是指由无机物单独或者是和混合其他物质制成的材料，通常其中包括硅酸盐和铝酸盐以及硼酸盐等原料经一定的工艺制备而成的材料。无机材料的优点具有技术含量高、产品更新换代快以及经济效益明显的特点。 有机太阳能电池就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，并且用光伏效应产生的电压而形成电流，才能够实现太阳能发电的效果。有机太阳能的优点具有价格便宜，有机高分子半导体材料的合成工艺比较简单。比如说酞菁类染料已经实现了工业化的生产，所以它的成本低。还有就是有机太阳能电池可以降解，从而减少对环境的污染。 二、无机材料在OSCs中的应用原理 现如今无机材料在OSCs中的原理是利用有机材料产生的光伏特效应，从而实现的光电能量之间的转化。以下就是无机材料在OSCs中的应用原理过程：先是通过光照射到0SCs上，其中具有能量大于有机材料的光子后被激活，并且产生激子，进而激子在浓度梯度的作用下扩散到异质结处，此时在界面形成孪生的电子空穴；再是由于激子不能够自动解离，所以需要工种不同的最高己占轨道和最低未占轨道的材料相连接，才能够结合到受体LUMO的能极差值作用下分解成自由移动的电子和空穴，那就是电载流子；最后是通过阴阳两极之间的作用存在着功函差，使得电子和空穴在内部的电场作用下产生电流。 三、目前无机材料在有机太阳能电池中的应用 1.无机材料在太阳能电池中阴极缓冲材料的应用。有机太阳能电池器件是稳定性一般的产品，如何提高稳定性就要在阴极与有机层之间添加一层缓冲的材料，这种材料必须使得有机层与电极间接触良好，又不得增加接触的电阻，而且有机层也不能够受到破坏。比如说化合物LiF 常用在电致发光中，但它也可以用于OSCs。何况TiO 2不仅在OSCs 中作为受体，还可以作为阴极缓冲层，阻挡空穴流向阴极，保护了有机层。 2.无机材料在太阳能电池中阳极缓冲材料的应用。有机太阳能电池发光器中的金属氧化物空穴材料在OSCs 中可以作为阳极修饰层，比如说NiO 和WO 3都可以作为阳极修饰层。何况金属氧化物的厚度对于有机太阳能电池器件有明显的影响作用，可以用MoO 3做阳极的修饰层，有机太阳能电池能够在红外区的光吸收能量。从而采取WO 3做阳极修饰，有机太阳能电池器件的效率可以达到 3.1%，主要原因是由于降低了有机太阳能器件中载流子的复合几率。其中NiO 做阳极修饰层，可以有效的调节活性层能级，阳极更容易接纳空穴，从而使得效率不断的提高。过渡金属氧化物与阳极形成良好的能级匹配，有效的阻止了有机层和电极发生电化学反应，进而有利于载流子收集大幅度提高，所以才能够使的有机太阳能电池器件的稳定性提高。 3. 无机材料在太阳能电池中活性层的应用。无机材料在太阳能电池中活性层的应用主要包括铬化合物、硅和低能的纳米粒子以及金属氧化物这四部分构成。 铬化合是指人们常用到的无机受体材料CdS 和CdTe等，铬化合物应用在有机太阳能电池OCSCs 中，首先报道了球形CdSe 与MEH-PPV 结合的有机太阳能电池器件。但是球形粒子表面的绝缘层限制了电荷传输。Huynh 制作了氧化铟锡/聚3-乙基噻吩：CdSe/Al 的有机太阳能电池器件。所以使得纳米棒状CdSe 电子传输有效的提高。 硅是由纳米硅材料制成，具有无毒和对光强吸收以及电子迁移率高的活性层应用。硅不仅可以用作受体材料与有机材料结合制备成了有机太阳能电池，还可以利用蚀刻法形成的硅纳米线阵列可以增加OSCs 在可见和近红外的吸收，从而增大迁移效率。我们可以将硅作为受体串联到有机太阳能电池器件中，能够使得内部电场增大，可以使得电子和空穴转移更加容易，这就充分解决了传输的问题。 低能的纳米粒子主要是为了提高有机太阳能电池的能量转换效率。才能够将波长带隙窄的无机受体与有机受体相融合起来。其中Cui 等制作的有机太阳能电池器件吸收在可见光和近红外区域内。在Tan 改进之后，，不仅减少了活性区载流子的复合数量，并且也保证了光吸收。 金属氧化物其中有TiO 2，它化学稳定性高，可见光区透光良好，有金红石、板钛矿和锐钛矿三种晶型。金红石型TiO 2在热力学上稳定性是最高的，而且光散射性优异。锐钛矿型TiO 2带隙较宽，而且导带能级较高。锐钛矿型TiO 2因为有较高的电子迁移效率，而且在有机太阳能中应用广泛。有一种ZnO 的能级结构和锐钛矿型TiO 2基本相同，也是n 型半导体。ZnO 的缺点是化学稳定性不好，在酸碱环境中都不能稳定很长时间，比较易溶解。 四、结束语 由上可知，目前的无机材料和有机材料能够相融合在一起，他们可以各自发挥各自的优点，但也弥补了材料组成的太阳能电池不足，所以对有机太阳能电池器件有很大的帮助。有机材料的结合，不仅价格便宜，而且工艺简单，并且具有很好的稳定性，可以大大的提高了有机太阳能电池的迁移效率，同时光吸收和太阳能光谱更加匹配。至于有机太阳能电池是否能够实现产业化和居民化，这些都和有机太阳能电池的应用发展有着密切的关联。因为正是有机太阳能电池的这些明显优点——轻快，便宜，原材料容易得，并且可以大面积的制备，用来满足实现产业化、居民化的条件。因此，我们攻克了有机太阳能电池能量转换效率问题，世界的能源界必将迎来有机太阳能电池的时
太阳能电池及材料研究和发展现状
第１９卷第５期２００６年９月 浙江万里学院学报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｈｅｊｉａｎｇＷａｎｌｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖ０１．１９Ｎｏ．５ Ｓｅｐ．２００６太阳能电池及材料研究和发展现状 汪建军，刘金霞 （浙江万里学院，宁波３１５１０１） 摘要：文章介绍了不同材料的太阳能电池，如单晶硅、多晶硅、多晶硅薄膜、非晶硅薄膜、ＣｕｌｎＳｅ２、 ＣｄＴｅ、染料敏化等太阳电池主要制各工艺、典型结构与特性．简要说明不同电池商品化生产情况及光伏产业 发展趋势． 关键词：太阳能电池；高效电池；光伏产业 中图分类号：ＴＫ５１２文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－－２２５０（２００６）０５一００７３—０５ 收稿日期：２００６－－０１一ｌｌ 作者简介：汪建军，浙江万里学院基础学院实验师；刘金霞，浙江万里学院基础学院副教授． 太阳能是人类取之不尽，用之不竭的可再生能源，它不产生任何环境污染，是清洁能源．太阳光辐射能转化电能是近些年来发展最快，最具活力的研究，人们研制和开发了不同类型的太阳能电池．太阳能电池其独特优势，超过风能、水能、地热能、核能等资源，有望成为未来电力供应主要支柱．制造太阳能电池材料的禁带宽度＆应在１．１ｅＶ．１．７ｅＶ之间，以１．５ｅＶ左右为佳，最好采用直接迁移型半导体，较高的光电转换效率（以下简称“效率”），材料性能稳定，对环境不产生污染，易大面积制造和工业化生产．１９５４年美国贝尔实验室研制了世界上第一块实用半导体太阳能电池，不久后用于人造卫星．经近半个世纪努力，人们为太阳电池的研究、发展与产业化做出巨大努力．硅太阳电池于１９５８年首先在航天器上得到应用．在随后ｌＯ多年里，空间应用不断扩大，工艺不断改进．２０世纪７０年代初，硅太阳电池开始在地面应用，到７０年代末地面用太阳电池产量已经超过空间电池产量，并促使成本不断降低．８０年代初，硅太阳电池进入快速发展，开发的电池效率大幅度提高，商业化生产成本进一步降低，应用不断扩大．２０世纪８０年代中至今，薄膜太阳能电池研究迅速发展，薄膜电池被认为大幅度降低成本的根本出路，成为今后太阳能电池研究的热点和主流，并逐步向商业化生产过渡． １不同材料太阳电池分类及特性简介 太阳能电池按材料可分为品体硅太阳电池、硅基薄膜太阳电池、化合物半导体薄膜太阳电池和光电化学太阳电池等几大类．开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高效率和降低成本． １．１晶体硅太阳电池晶体硅太阳电池是ＰＶ（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）市场上的主导产品，优点是技术、工艺最成熟，电池转换效率高，性能稳定，是过去２０多年太阳电池研究、开发和生产主体材料．缺点是生产成本高．在硅电池研究中人们探索各种各样的电池结构和技术来改进电池性能，进一步提高效率．如发射极钝化、背面局部扩散、激光刻槽埋栅和双层减反射膜等，高效电池在这些实验和理论基础上发展起来的…．１．２硅基薄膜太阳电池多晶硅（ｐｌｏｙ．Ｓｉ）薄膜和非晶硅（ａ．Ｓｉ）薄膜太阳电池可以大幅度降低太阳电池价格．多晶硅薄膜电池优点是可在廉价的衬底材料上制备，其成本远低于晶体硅电池，效率相对较高，不久将会在ＰＶ市场上占据主导地位．非晶硅是硅和氢（约１０％）的一种合金，具有以下优点：它对阳光的吸收系数高，活性层只有ｌｌａｍ厚，材料的需求量大大减少，沉积温度低（约２００℃），可直接沉积在玻璃、不锈钢和塑料膜等廉价的衬底材料上，生产成本低，单片电池面积大，便于工业化大规模生产．缺点是由于非晶硅材料光学禁带宽度为１．７ｅＶ，对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，限制了非晶硅电池的效率，且其效率会随着光照时间的延续而衰减（即光致衰退），使电池性能不稳定．