薄膜太陽能的研究進(jìn)展

1、薄膜太陽能電池的研究進(jìn)展 學(xué) 院 名 稱： 化學(xué)工程學(xué)院 專 業(yè) 名 稱： 應(yīng)用化學(xué) 學(xué) 生 姓 名： 孫洋洋 學(xué) 生 學(xué) 號(hào)： 201621509008 指 導(dǎo) 教 師： 韓恩山 2016年 11 月 08 日摘 要太陽能電池是一種綠色、高效的新型能源轉(zhuǎn)化設(shè)備，而薄膜太陽能電池則是其中研究前景較好、成本較低的新型光伏器件。相比于市面技術(shù)較成熟的單晶硅太陽能電池，薄膜太陽能電池有許多優(yōu)點(diǎn)。主要介紹了硅薄膜太陽能電池、有機(jī)薄膜太陽能電池和無機(jī)化合物薄膜太陽能電池和染料敏化（二氧化鈦、氧化鋅)等的研究現(xiàn)狀，比較他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)并展望了它們的前景。關(guān)鍵詞：薄膜太陽能電池；硅；有機(jī)；無機(jī)化合物Abst

2、ruct Solar cell is a kind of green and effect new energy conversion equipment,while the thin film solar cell is the one of good prospects for research and lower cost novel photovoltaic device.Compared with the mature silicon solar cells,which the technology is more mature,the thin solar cell have lo

3、ts of advantages.We mainly introduce the research status of Si thin solar cell,organic thin solar cell and inorganic thin solar cell,compared their respective advantages and disadvantages and also prospect their future.Key words：Thin solar cell ; Si ; organic; inorganic chemical compound1 引言目前，全球能源危

4、機(jī)和環(huán)境危機(jī)使人們迫切需要一種綠色、高效的可再生能源。太陽能作為清潔的可再生能源，具有其他能源不可比擬的優(yōu)勢(shì)。而太陽能電池是人們利用和轉(zhuǎn)化太陽能最直接和有效的形式，因此太陽能電池的研究受到更大的關(guān)注并得到了迅猛的發(fā)展。太陽能電池主要分為晶體硅電池和薄膜電池兩大類，晶體硅電池包括單晶硅電池和多晶硅電池，而薄膜電池包括非晶硅電池和合金薄膜電池。目前，太陽能電池已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用并得到商品化。商品化的太陽能電池以單晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。但美中不足的是其成本較高，對(duì)材料純度、制備工藝等都有很嚴(yán)格的要求，因此很難做到對(duì)單晶硅電池轉(zhuǎn)化率和成本的進(jìn)一步優(yōu)化。薄膜太陽能電池僅僅需要幾m的厚

5、度就能將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，具有晶體硅電池不可比擬的優(yōu)勢(shì)，主要包括：（1）材料消耗少，薄膜太陽能電池僅需要極薄的光電轉(zhuǎn)化材料；（2）制造能耗低，薄膜太陽能電池使用化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理化學(xué)氣相沉積（PCVD）等多種技術(shù)，與晶體硅電池的高耗能的晶體拉制、切割工藝相比較，制造能耗大大降低；（3）質(zhì)量輕，薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)換效率高、制備材料為軟性，便于折疊攜帶、應(yīng)用空間彈性大。本文通過對(duì)薄膜太陽能電池的研究現(xiàn)狀的綜述，主要介紹了硅薄膜太陽能電池、有機(jī)薄膜太陽能電池和無機(jī)化合物薄膜太陽能電池，對(duì)其前景和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。2 硅薄膜太陽能電池硅薄膜太陽能電池主要分為非晶硅、微晶硅和多晶硅薄

6、膜太陽能電池。薄膜硅太陽能電池的出現(xiàn)（硅膜厚度約50m），相比于晶體硅太陽能電池而言所用硅材料大幅度減少，很大程度上降低了晶體硅太陽能電池的應(yīng)用成本。2.1 非晶硅薄膜太陽能電池非晶硅薄膜成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，但光學(xué)帶隙（1.7eV）與太陽光光譜不匹配，轉(zhuǎn)化效率受到限制，并且光照效率隨著光照時(shí)間的增加而衰減，即所謂的光致衰退S-W效應(yīng)。1非晶硅薄膜太陽能電池是用非晶硅半導(dǎo)體材料在玻璃、特種塑料、陶瓷、不銹鋼等為襯底制備的一種薄膜電池，是目前公認(rèn)的環(huán)保性能最好的太陽能電池。非晶硅薄膜太陽能電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕且光吸收系數(shù)高，開路電壓高抗輻射性能好，耐高溫，制備工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單，能耗少，可以淀

7、積在任何襯底上且淀積溫度低、時(shí)間短，適于大批量生產(chǎn)。但與此同時(shí)，非晶硅材料也存在著不足：光學(xué)禁帶寬度1.7eV，使得材料本身對(duì)太陽輻射光譜的長(zhǎng)波區(qū)域不敏感，從而限制了其光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)其光電轉(zhuǎn)換效率隨著光照時(shí)間的延長(zhǎng)而衰減，即所謂的光致衰退S-W效應(yīng)，使得電池性能很不穩(wěn)定。近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究主要在于提高光電轉(zhuǎn)換效率和光致穩(wěn)定性，并得到了一些改進(jìn)的方法，主要是：采用不同帶隙的多結(jié)疊層；降低表面光反射；使用更薄的i層等方法。經(jīng)過多年的研究和努力，使得非晶硅太陽能電池的光致衰減率從30%降到了15%，同時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率也得到了很大程度的提高。非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法主要包括反應(yīng)濺射法、低壓

8、化學(xué)氣相沉積法（LPCVD）、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD）和熱絲化學(xué)氣相沉積法（HWCVD）。為生產(chǎn)高質(zhì)量的非晶硅，對(duì)非晶硅的制備方法也進(jìn)行了研究和改善，等離子體化學(xué)氣相沉積法特別是RF輝光放點(diǎn)法已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，2并提出了H2稀釋PECVD法。非晶硅薄膜的成本低，所以是一種很好的太陽能電池材料，同時(shí)也存在上述的不足之處，但通過反應(yīng)原料氣H2稀釋SiH4在不同襯底上制成的非晶硅薄膜經(jīng)過不同電池工藝，分別得到單結(jié)電池和層疊電池可以得到解決。Sang-Kyun Kim等3利用H2稀釋PECVD法在低純度硅片上制備出a-SiH/c-Si異結(jié)質(zhì)太陽能電池，其轉(zhuǎn)化效率達(dá)到12.5%。非晶硅太

9、陽能電池具有高的光電轉(zhuǎn)換效率，但光疲勞效應(yīng)嚴(yán)重制約了其發(fā)展。西班牙巴塞羅那大學(xué)的Villar.F等3在溫度低于150的條件下利用HWCVD方法準(zhǔn)備出轉(zhuǎn)換效率為4.6%的非晶硅薄膜光電池。日本MHI制成了世界上面積最大的高效非晶硅薄膜太陽能電池，其轉(zhuǎn)換率達(dá)到8%。4目前，穩(wěn)定的單結(jié)非晶硅薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)9.5%。5如果能解決非晶硅薄膜太陽能電池的穩(wěn)定性差和轉(zhuǎn)換效率低等問題，則其將在未來光伏產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。2.2 微晶硅薄膜太陽能電池微晶硅薄膜太陽能電池的制備技術(shù)能與現(xiàn)有的非晶硅薄膜太陽能電池的制備技術(shù)兼容，而且微晶硅薄膜太陽能電池幾乎不存在光致衰退效應(yīng)。但微晶硅薄膜太陽

10、能電池的吸收系數(shù)低、沉積速率較慢、帶隙較窄。6微晶硅薄膜太陽能電池具有過渡層結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)化效率高，S-W效應(yīng)相對(duì)較弱。Y.Sobajima等7在高壓沉積的條件下是的微晶硅的沉積速率達(dá)到8.1nm/s，光電轉(zhuǎn)化效率也達(dá)到了8.3%。德國(guó)的T.Chen等8采用HWCVD法制備了厚度僅為1m、轉(zhuǎn)換效率到達(dá)8.0%的微晶硅薄膜太陽能電池。V.Smirnov等9使串聯(lián)的微晶硅薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率提高到了11.3%。Finger等10采用熱絲化學(xué)氣相沉淀（HWCVD）技術(shù)制備微晶硅單質(zhì)結(jié)太陽能電池的過渡層，其轉(zhuǎn)換效率到達(dá)10.3%。目前，微晶硅薄膜太陽能電池的沉積速率都還不是很快。因此，提高微晶

11、硅薄膜太陽能電池的沉積速率將是未來的一個(gè)研究方向。2.3 多晶硅薄膜太陽能電池多晶硅薄膜太陽能電池在長(zhǎng)波段具有高的光敏性，能有效吸收可見光，且具有與硅晶體薄膜太陽能電池相同的穩(wěn)定性。一般商用多晶硅薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率在12%-14%。同時(shí)，材料制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，無S-W效應(yīng)，但成本依然很高。為了獲得大尺寸的多晶硅薄膜，人們一直在研究，并提出了很多方法，如PECVD、LPCVD、HWCVD、快速熱化學(xué)氣相沉積法（RTCVD）、液相外延法（LPE）、濺射沉積法、金屬誘導(dǎo)晶體法等SONY公司用多孔硅分離技術(shù)制備的多晶硅薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到12.5%；11德國(guó)Gall.S等12認(rèn)為以玻

12、璃為襯底制備出來的多晶硅薄膜太陽能電池具備光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到15%的潛力。北京太陽能研究所在重?fù)诫s拋光單晶硅襯底上制備出的多晶硅薄膜電池的效率達(dá)到13.6%。13德國(guó)費(fèi)來堡太陽能研究所采用區(qū)熔再結(jié)晶技術(shù)制得的多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)19%。13多晶硅薄膜太陽能電池是將多晶硅薄膜生長(zhǎng)在低成本材料襯底上，用相對(duì)薄的晶體硅層作為太陽能電池的激活層，不僅保持了晶體硅太陽能電池的高性能和穩(wěn)定性，而且材料的用量大幅度下降，成本明顯降低。3 有機(jī)薄膜太陽能電池有機(jī)薄膜太陽能電池是把兩層有機(jī)半導(dǎo)體薄膜結(jié)合在一起制成的，具有面積大14、易加工15、毒性小、成本低16的特點(diǎn)。到目前為止聚合物半導(dǎo)體材料主要是P3HT:

13、PCBM，因?yàn)樗瘜W(xué)穩(wěn)定性、結(jié)晶度、吸光能力和載流子遷移性很適合于制作太陽能電池。此種電池的結(jié)構(gòu)一般是在涂覆透明導(dǎo)電電極ITO的PET上涂覆ZnO電子運(yùn)輸層，銀作為背電極。P3HT:PCBM聚合物太陽能電池被認(rèn)為是低成本獲得太陽能電力的器件，它可以采用非真空全溶液制備法，在柔性襯底上大面積印刷電池，因此電池的成本得到大幅度降低。盡管聚合物電池的轉(zhuǎn)換效率較低，但具有很大的發(fā)展?jié)摿?。有機(jī)薄膜太陽能電池的工作過程包括：（1）光激發(fā)產(chǎn)生光激子；（2）激子在給/受體（D/T）界面分裂；（3）電子和空穴的漂移及其在各自電極上的收集。17有機(jī)薄膜太陽能電池質(zhì)量輕、柔韌易加工、成本低并可大面積制備。在實(shí)驗(yàn)特定

14、研究條件下有機(jī)薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到9.5%。18Hunag等19合成了水溶性啉-二噻吩并噻吩共聚物I、IIa和IIb。薄膜態(tài) I 在 563619nm有兩個(gè)弱的 Q 帶吸收，而薄膜態(tài)b在760nm有一個(gè)強(qiáng)的 Q帶吸收。b的場(chǎng)效應(yīng)空穴遷移率高達(dá)2.1×104cm2·V1·s1。王藜等20以PC70BM取代PC60BM作為電子受體材料，以MEH-PPV為電子給體材料，制成了本體異質(zhì)結(jié)(BHJ)聚合物太陽能電池。其轉(zhuǎn)換效率為3.4%。Kitazawa 等21合成了光學(xué)帶隙和HOMO能級(jí)分別為1.95和5.37eV的喹啉基 共軛給體聚合物NP7，并以其為給體，以P

15、CBM為受體組裝了BHJ太陽能電池，其轉(zhuǎn)換效率高達(dá)5.5%。Shibano 等22將各種電子給體氨基引入到苝四羧酸衍生物( PTCs )的苝核中，研究其在有機(jī)太陽能電池中的潛在應(yīng)用。有機(jī)薄膜太陽能電池主要有單層結(jié)構(gòu)的肖特基電池、雙層p-n異質(zhì)結(jié)電池以及P型和N型半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)的體相異質(zhì)結(jié)電池。目前制作有機(jī)半導(dǎo)體層材料主要采取的方法有真空技術(shù)(真空鍍膜濺射和分子束外延生長(zhǎng)技術(shù))、溶液處理成膜技術(shù)(電化學(xué)沉積技術(shù)、鑄膜技術(shù)、分子組裝技術(shù)、印刷技術(shù)等)和單晶技術(shù)(電化學(xué)法、氣相法和擴(kuò)散法)。雖然有機(jī)薄膜太陽能電池有著很多優(yōu)點(diǎn),但由于處于研發(fā)初期,再加上激子結(jié)合能大、電子遷移率低,從而導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)化

16、效率低且壽命短等缺點(diǎn)。所以以后的研究方向是提高材料的電導(dǎo)率、成膜技術(shù)、器件工藝制作水平和開發(fā)新的材料等。4 無機(jī)化合物薄膜太陽能電池新型無機(jī)多元化合物薄膜太陽能電池材料主要包括砷化鎵( GaAs )III-V族化合物、硫化鎘(CdS)、碲化鎘(CdTe)及銅銦硒（CIS）薄膜電池等。4.1 砷化鎵薄膜太陽能電池GaAs化合物具有理想的光學(xué)帶隙及較高的吸收效率，抗輻照能力強(qiáng)，對(duì)熱不敏感，適合加工高效單結(jié)電池，但其材料價(jià)格不菲，在很大程度上限制了GaAs電池的普及。研究發(fā)現(xiàn)其表面復(fù)合速率很高，嚴(yán)重影響了短波響應(yīng)，制約了其太陽能電池效率的提高。IBM公司采用LPE技術(shù),引入GaAlAs異質(zhì)窗口層,降

17、低了GaAs表面復(fù)合速率，使得其轉(zhuǎn)換效率達(dá)16%。22HRL改進(jìn)了LPE技術(shù),實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn),使電池的平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了18%。盡管LPE技術(shù)使得GaAs太陽能電池的效率達(dá)到了很高的水平,但難以實(shí)現(xiàn)淺結(jié)，因此不能有效地解決抗輻照問題,同時(shí)GaAs單晶機(jī)械強(qiáng)度低、易碎，難以制成大而薄的電池。為此，20世紀(jì)80年代中后期,美國(guó)的ASEC放棄了LPE技術(shù)，改用MOVPE技術(shù)制備GaAs/GaAs太陽能電池，并于1987年成功地用Ge單晶代替GaAs作為外延襯底,制備出GaAs/Ge太陽能電池。目前，其最高的效率超過20%,生產(chǎn)水平已經(jīng)達(dá)到了19%20%。2009年荷蘭的G.J.Bauhuis等使Ga

18、As單結(jié)電池轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到26.1%。23制備GaAs薄膜太陽能電池的方法有晶體生長(zhǎng)法、直接拉制法、氣相生長(zhǎng)法、液相外延法等。由于Ga比較稀缺，而As有毒，且制造成本又高,所以其發(fā)展受到了限制,不適合于大規(guī)模的民用化生產(chǎn)，多用于空間,目前國(guó)際上已將GaAs太陽能電池作為航天飛行空間主電源，而且GaAs組件所占的比重也在逐漸增加。4.2 CdTe/CdS薄膜太陽能電池 CdTe薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，但CdTe存在自補(bǔ)償效應(yīng)，制備高電導(dǎo)率同質(zhì)結(jié)很困難，實(shí)用電池多為異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。CdS的結(jié)構(gòu)與CdTe相同，晶格常數(shù)差異小，是CdTe基電池最佳的窗口材料。典型CdTe電池結(jié)構(gòu)的主體是由厚

19、約2m的p型(CdTe)層與0.1m的n型(CdS)層組成，光子吸收主要發(fā)生在CdTe層。目前，CdTe/CdS薄膜太陽能電池制備技術(shù)主要有真空蒸鍍法、濺射法、電化學(xué)沉積法等24，實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率達(dá)到16.5%25。美國(guó)South Florida大學(xué)S.Erra等26報(bào)道向CdTe薄膜太陽能電池的制備材料中摻Cu可以大大提高太陽能電池組件的穩(wěn)定性能。2009年M.Hädrich等27采用CSS技術(shù)使得CdTe薄膜太陽能電池的吸收層厚度從11m降到4m而轉(zhuǎn)換效率卻從9.0%提高到了10%。近期四川大學(xué)采用CSS技術(shù)制備的CdTe薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)13.3%。28雖然20世紀(jì)90

20、年代CdTe薄膜太陽能電池就已實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn),但市場(chǎng)發(fā)展的速度緩慢,所占的市場(chǎng)份額一直不大。影響CdTe薄膜太陽能電池發(fā)展的原因是Cd有劇毒、Te為稀有元素。由于CdTe有劇毒這一致命缺點(diǎn),直接影響了CdTe薄膜材料類太陽能電池的研發(fā)價(jià)值和應(yīng)用范圍。4.3 銅銦硒類薄膜電池銅銦硒(CuInSe2，簡(jiǎn)稱CIS)和銅銦鎵硒（CIGS）薄膜是在玻璃或其它廉價(jià)襯底上沉積的半導(dǎo)體薄膜，其厚度為23m，具有成本低、性能穩(wěn)定、無光誘導(dǎo)衰變且抗輻射能力強(qiáng)等特性。其具有近似最佳的光學(xué)能隙，吸收率（吸收與入射光通量之比）高(105cm1)，抗輻射能力強(qiáng)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。其能隙還可以通過Ga和Al部分取

21、代In，或S部分取代Se進(jìn)行調(diào)節(jié)。制備的方法有多元共蒸鍍法、濺射法、噴涂法、電沉積等。目前報(bào)道的 CIGS 無鎘薄膜太陽能電池有效面積的最高轉(zhuǎn)換效率是16.9%。John 等29以In2S3薄膜作為CuInS2電池的窗口材料，制備結(jié)構(gòu)為CuInS2/In2S3的電池的轉(zhuǎn)換效率為9.5%。2009年日本昭和石油公司開發(fā)出了面積為800cm2、轉(zhuǎn)換效率為15%的CIS薄膜太陽能電池30。目前，CIS薄膜太陽能電池的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率接近20%31，大面積集成組件的效率超過13%。德國(guó)的S.Spiering等32利用MOCVD工藝在300的條件下制備出的CIGS光電池，其轉(zhuǎn)換效率為12.3%。美國(guó)NRE

22、L33采用真空蒸鍍法制備的CIGS薄膜太陽能電池,其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)19.5%。與此同時(shí)，德國(guó)、和日本已經(jīng)進(jìn)行了一定規(guī)模的民用產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，電池模塊的轉(zhuǎn)換效率達(dá)13%14%。ZnO的禁帶寬度為3.2eV，短波透過率高，以ZnO作為窗口材料可使更多的光入射到吸收層，增加光生載流子數(shù)目。但它們的禁帶寬度相差太大，ZnO 作窗口材料直接與CuInS2層構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，導(dǎo)致界面失配，由此帶來的缺陷態(tài)較多，制約了光電轉(zhuǎn)化率的提高?？梢栽贑uInS2/ZnO之間增加一層很薄的緩沖層，如 CuInS2/In2S/ZnO34、Zn(S,O)/ZnS/CuInS35和ZnO/p-CuI/n-CuInS236結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)

23、電池及用導(dǎo)電聚合物作為CuInS2電池窗口材料37。銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池除了其自身的優(yōu)點(diǎn)外，還存在一些不足之處：(1)材料的性質(zhì)易變；(2)目前常用的制備方法是真空蒸發(fā)法和濺射法，這2種方法都易造成原材料的浪費(fèi)；(3)In為稀有元素。為獲得高性能的電池和組件，理想的CIGS電池的生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)選擇合適的沉積CIS薄膜的技術(shù)路線和解決柔性CIGS組件的防潮問題。在產(chǎn)業(yè)化組件轉(zhuǎn)換效率方面，2012年10月，CIGS薄膜太陽能電池板制造商MiaSal研發(fā)的大面積生產(chǎn)組件(面積為1m2)效率達(dá)到15.7%，是商業(yè)規(guī)模薄膜組件中已證實(shí)的最高效率.采用柔性襯底也是CIGS薄膜電池的發(fā)展趨勢(shì)之一。

24、38有文獻(xiàn)報(bào)道稱以金屬箔為襯底制造的CIGS電池最高效率達(dá)到17.7%。39Islam M M等人研究了AZO(Al:ZnO)薄膜窗口層厚度對(duì)CIGS太陽能電池光電性能的影響，研究表明：當(dāng)AZO窗口層厚度為400nm時(shí)CIGS太陽能電池光電性能達(dá)到最優(yōu)，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)17.2%。405 染料敏化薄膜太陽能電池染料敏化薄膜太陽能電池(DSSC)實(shí)際上是模仿光合作用原理而研制出的一種新型的光電化學(xué)電池,是人們?cè)谔剿麟姵刂苽湫鹿に?、新材料和電池薄膜化過程中發(fā)展起來的一種新型光伏器件。染料敏化太陽能電池的工作原理：以染料分子作為吸光的主要材料,在吸收到太陽光時(shí),電子被激發(fā)到高能隙層,但激發(fā)態(tài)是一個(gè)不穩(wěn)定

25、態(tài)，所以電子必須以最快速度傳輸?shù)骄o鄰的染料分子的導(dǎo)電層內(nèi),同時(shí)染料分子所失去的電子也能在第一時(shí)間從電解質(zhì)中得到回饋。在染料分子導(dǎo)帶中的電子最終經(jīng)過電極而傳送到外部回路從而產(chǎn)生光生電流。5.1 染料敏化TiO2薄膜太陽能電池DSSC一直被認(rèn)為是新型太陽能電池最有力的競(jìng)爭(zhēng)者。2005年M.Grätzel等41使其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到11.04%。2009年G.N.Jung等42利用絲網(wǎng)印刷法和化學(xué)氣相沉積技術(shù)成功地把碳納米管應(yīng)用到DSSC的電極中。目前這種電池的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為12%。面積約為100cm2的染料敏化TiO2薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率已超過6.3%。已制備成功效率接近6%的

26、15cm×20cm的電池組件,并組裝成45cm×80cm的電池板以及500W小型示范站,充分顯示了其成為具有廣闊應(yīng)用前景的低價(jià)太陽能電池的一個(gè)新的選擇。染料敏化TiO2薄膜太陽能電池最吸引人的特點(diǎn)是原材料廉價(jià)、制作工藝簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、性能相對(duì)穩(wěn)定和衰減少。如何進(jìn)一步提高其光電轉(zhuǎn)換效率和電池的實(shí)用化是目前面臨的主要研究問題。今后需對(duì)其進(jìn)行4個(gè)方面的研究：(1)納米TiO2薄膜的制備；(2)敏化染料的研究；(3)固態(tài)電解質(zhì)的選擇；(4)對(duì)電子注入和傳輸?shù)膬?nèi)在機(jī)理進(jìn)行更深入的探討。5.2 染料敏化ZnO薄膜太陽能電池TiO2薄膜中存在著大量的表面態(tài),表面態(tài)能級(jí)位于禁帶之中，這些表面

27、態(tài)構(gòu)成的陷阱束縛了電子在薄膜中的運(yùn)動(dòng)，使得電子在薄膜中的傳輸時(shí)間延長(zhǎng),大大增加了電解質(zhì)復(fù)合的概率，導(dǎo)致暗電流增加，從而降低了TiO2電池的光電轉(zhuǎn)換效率，因此有必要尋找新的半導(dǎo)體材料。ZnO是最有希望取代TiO2的氧化物之一，它們均為寬禁帶半導(dǎo)體，導(dǎo)帶電位相差很小43。與TiO2相比，ZnO具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)電子在ZnO中的遷移率大；(2)ZnO的制備方法更加多樣化。目前,ZnO薄膜太陽能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率為4.1%是由日本的Fujihara等44實(shí)現(xiàn)的。目前，ZnO薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性都不如TiO2，原因在于：(1)ZnO晶體顆粒粒徑比TiO2大，使得ZnO薄膜的比表面積偏小

28、，吸附染料的量減少；(2)TiO2分子的3d軌道和染料配合物的電子激發(fā)態(tài)軌道有很好的電子耦合，有利于光激發(fā)下的電子向TiO2的導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移，而ZnO電池沒有類似耦合現(xiàn)象。所以要提高染料敏化ZnO薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，必須開發(fā)新的制備高比表面積的ZnO電極技術(shù)，選擇具有寬吸收光譜和性能匹配的染料并改善染料在ZnO電池中的吸收方式。目前制備染料敏化ZnO薄膜電極的方法有手術(shù)刀法、絲網(wǎng)印刷法、機(jī)械擠壓法、化學(xué)液相沉積法、化學(xué)氣相沉積、低溫水熱法和電沉積自組裝法。只有對(duì)ZnO薄膜太陽能電池的理論和應(yīng)用研究進(jìn)行不、斷探索，才能提高其光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。6 結(jié)語目前，太陽能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸主要有兩方面

29、：第（1）個(gè)是價(jià)格問題，首先要研制穩(wěn)定的、高效率且低成本的半導(dǎo)體材料，并用低成本的工藝路線量化生產(chǎn)太陽能電池；第（2）個(gè)問題就是效率問題，減少材料消耗與能耗、降低成本、提高轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性將是太陽能電池研究及制備工藝的研究重點(diǎn)?；谌祟悓?duì)新能源材料的需求和科技的不斷進(jìn)步，太陽能電池在替代常規(guī)能源方面將顯示出愈來愈強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。參考文獻(xiàn)1 Staebler D L,Wronski C R.Reversible conductivity changes in discharge-producrd amorphous Si.Appl Phys Lett,1997,31(4):292-294.2 鐘迪生

30、. 硅薄膜太陽能電池研究進(jìn)展，應(yīng)用光學(xué)，2001,22（3）：34-40.3 Villar F,et al.Amorphoussilicon thin film solar cells deposited entirely by hot-wire chemical vapor deposition at low temperature(<150).Thin Solid Films,2009,517(12):3575.4 Takatsuka H,et al.Worlds largest amorphous silicon photovoltaic module.Thin Solid Fil

31、ms,2006,506-507:13.5 Green M A,Emery K,et al.Research short communication solar cell efficiency tables(version31).Progress in Photovoltaics:Res Appl,2008(16):61.6 Mai Y,Klein S,et al.Microcyrstalline silicon solar cells deposited at high rates. J Appl Phys,2005,97(11):114913.7 Yasushi S,et al.Solar

32、cell of 6.3% efficiency employing high deposition rate(8nm/s) microcrystalline silicon photovoltaic layer.Solar Energy Mater Solar Cells,2009,93:980.8 Chen T,Huang Y L,et al.Microcrystalline silicon carbide thin films grown by HWCVD at different filament temperatures adn their application in n-i-p m

33、icrocyrstalliine silicon solar cells.Thin Solid Films,2009,517:3515.9 Smirnov V,Das C,et al.Improved homogeneict of microcrytalline absorber ayer in thin-film silicon tandem solar cells.Mater Sci Eng B,1009,159-160:44.10Finger F,Geng X,Sfiebig H,et al.Stability of microcrystalline silicon solar cell

34、s with HWCVD buffer layer.Thin Solid Films,2008,516(5):733-735.11蘇孫慶.多晶硅薄膜太陽能電池的研究進(jìn)展.技術(shù)物理教學(xué)，2007,15（2）:45-47.12Gall S,et al.Polycrystalline silicon thin-film solar cells on glass.Solar Energy Mater Solar Cells,2009,93(6-7):1004.13蘇孫慶.多晶硅薄膜太陽能電池的研究進(jìn)展.技術(shù)物理教學(xué)，2007,15（2）:45-47.14Tipis R,Bernokopf L,et a

35、l.Large-area organic photovoltaic module-fabrication and performance. Solar Energy mater Solar Cells,2009,93(4):442.15Blankenburg L,Schultheis K,Schache H,et al.Reel-to reel wet coating as an efficient up-scaling technique for the production of bulk-heterojunction polymer solar cells.Solar Energy ma

36、ter Solar Cells,2009,93(4):476.16Krebs K C,Norrman K,et al.A complete progress for production of flexible large area polmer solar cells for production of flexible large area polymer solar cells entirely using screen pringting-first public demonstartion.Solar Energy mater Solar Cells,2009,93:442.17Dj

37、ara V,Bemede J C,et al.Effect of the interface morphology on the fill factor of plastic solar cells.Thin Solid Films,2005,493:273-277.18Shaheen S E,Brabec C J,et al.2.5% efficient organic plastic solar cells.Appl Phys Lett,2001,78:841-843.19HUANG X B, ZHU C L,ZHANG S M,et al.Porphyrin-dithienothioph

38、ene -conjugated copolymers:synthesis and their applications in field-effect transistors and solar cells.Macromolecules, 2008, 41(19): 6895-6902. 20王藜,徐苗,應(yīng)磊,等.以C70衍生物為電子受體的高效聚合物固體薄膜太陽能電池.高分子學(xué)報(bào), 2008, (10): 994-998. 21KITAZAWA D,WATANABE N,YAMAMOTO S,et al.Quinoxaline-based -conjugated donor polymer f

39、or highly efficient organic thin-film solar cells. Appl Phys Lett,2009,95(5):053701/1-053701/3. 22SHIBANO Y,IMAHORI H,ADACHI C.Organic thin-film solar cells using electron-donating perylene tetracarboxylic acid derivatives.J Phys Chem C, 2009, 113(34): 15454-15466. 23Bauhuis G J,Mulder P,et al.26.1%

40、 thin-film GaAs solar cell using epitaxial lift-off.Solar Energy Mater SolarCells,2009,93(3):332.24Takatsuka H,et al.World,s largest amorphous silicon photovoltaic module.Thin Solid Films,2006,506-507:13.25Green M A,Emery K,et al.Research short communication solar cell efficiency tables(version 31).

41、Progress in Photovoltaics:Res Appl,2008(16):61.26Erra S,Shivakumar C,et al.An effective method of Cu incorporation in CdTe solar cells f Hädrich M,Kraft C,et al.Pathways to thin absorbers in CdTe solar cells.Thin Solid Films,2009,517:2282or improved stability.Thin Solid Films,2007,515(15):5833.

42、27Contreras M A.Diode characteristics in state-of-the-art ZnO/CdS/Cu(In1-xCax)solar cells.Progress in Photovoltaics:Res Appl,2005,13(3):20928Wei C,Lianghuan F,et al.Produce technology of CdTe thin film modules and design of manufacture line.PhotovoltaicEnergy Conversion,2006,585.29John T T, Mathew M

43、,Kartha C S,et al.CuInS2/In2S3 thin film solar cell using spray pyrolysis technique having 9.5% efficiency.Sol Energy Mater Sol Cells, 2005, 89(1): 27-36. 30 Kushiya K,Tanaka Y,et al.Interface control to enhance the sill factor over 0.70 in a large-area CIS-based thin-film PV technology.Thin Film Ch

44、alogenide Photovoltaic Mater,2009,517(7):210831Contreras M A.Diode characteristics in state-of-the-art ZnO/CdS/Cu(In1-xCax)solar cells.Progress in Photovoltaics:Res Appl,2005,13(3):20932 Spiering S,Brkert L,et,al.MOCVD indium sulphide for application as a buffer layer in CIGS solar cells.Thin Solid

45、Films,2009,517(7):232833Contreras M A.Diode characteristics in state-of-the-art ZnO/CdS/Cu(In1-xCax)solar cells.Progress in Photovoltaics:Res Appl,2005,13(3):20934Asenjo B,Chaparro A M,et al.Influence of In2S3 film properties on the behavior of CuInS2/In2S3/ZnO type solar cells.Sol Energy Mater Sol Cells, 2005, 87(1/2/3/4): 647-656. 35Barr M, Enna