太陽能電池論文

太陽能電池材料研究進展能源是人類社會生存和開展的重要物質(zhì)根底，是現(xiàn)代文明的三大支柱之一。特別是在當今世界，人類社會開展日益加速，無論是在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，還是第三產(chǎn)業(yè)效勞業(yè)，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，都是處于人類歷史上空前開展最快的一個階段。社會的開展提高了人類的生活水平，大大加強了社會生產(chǎn)力，同時對能源〔如煤，石油〕的需求和使用也大幅提高，從汽車內(nèi)燃機到家用用電器，無不需要能源去運作。目前人類開發(fā)的主要能源是石油，煤炭和天然氣等化石能源，然而這些能源的一方面儲量有限，按照現(xiàn)在的開采速度，再有50年將瀕臨枯竭，另一方面，化石資源造成的全球生態(tài)環(huán)境破壞日益嚴重，間接上對人類的開展也造成了不良的影響。因此，開展新能源是一件迫在眉睫的事。新能源又稱非常規(guī)能源。是指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式。指剛開始開發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽能、地熱能、風能、海洋能、生物質(zhì)能和核聚變能等。新能源的各種形式都是直接或者間接地來自于太陽或地球內(nèi)部深處所產(chǎn)生的熱能，相對于傳統(tǒng)能源，新能源普遍具有污染少、儲量大的特點，對于解決當今世界嚴重的環(huán)境污染問題和資源〔特別是化石能源〕枯竭問題具有重要意義。太陽能作為一種干凈的可再生新能源，一直受到人們青睞，雖然太陽的輻射能量中只有約二十億分之一到達地球大氣層，但卻是地球光和熱的來源，因此，關(guān)于太陽能的應用研究一直受到科研人員和國家關(guān)注。太陽能電池的開展歷程太陽能的應用很主要的一項為哪一項利用太陽能發(fā)電，即太陽能電池。太陽能電池的研究在很早以前就已經(jīng)開始。光照射到材料上所引起的“光起電力〞行為，早在19世紀的時候就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了。1839年,光生伏特效應第一次由法國物理學家發(fā)現(xiàn)。1849年術(shù)語“光－伏〞才出現(xiàn)在英語中。1883年第一塊太陽電池由CharlesFritts制備成功。Charles用鍺半導體上覆上一層極薄的金層形成半導體金屬結(jié)，器件只有1%的效率。到了1930年代，照相機的曝光計廣泛地使用光起電力行為原理。1946年RussellOhl申請了現(xiàn)代太陽電池的制造專利。到了1950年代，隨著半導體物性的逐漸了解，以及加工技術(shù)的進步，1954年當美國的貝爾實驗室在用半導體做實驗發(fā)現(xiàn)在硅中摻入一定量的雜質(zhì)后對光更加敏感這一現(xiàn)象后，第一個太陽能電池在1954年誕生在貝爾實驗室。太陽電池技術(shù)的時代終于到來。1960年代開始，美國發(fā)射的人造衛(wèi)星就已經(jīng)利用太陽能電池作為能量的來源。1970年代能源危機時，讓世界各國發(fā)覺到能源開發(fā)的重要性。1973年發(fā)生了石油危機，人們開始把太陽能電池的應用轉(zhuǎn)移到一般的民生用途上。目前，在美國、日本和以色列等國家，已經(jīng)大量使用太陽能裝置，更朝商業(yè)化的目標前進。在這些國家中，美國于1983年在加州建立世界上最大的太陽能電廠，它的發(fā)電量可以高達16百萬瓦特。南非、博茨瓦納、納米比亞和非洲南部的其他國家也設立專案，鼓勵偏遠的鄉(xiāng)村地區(qū)安裝低本錢的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)。而推行太陽能發(fā)電最積極的國家首推日本。1994年日本實施補助獎勵方法，推廣每戶3,000瓦特的“市電并聯(lián)型太陽光電能系統(tǒng)〞。在第一年，政府補助49%的經(jīng)費，以后的補助再逐年遞減?！笆须姴⒙?lián)型太陽光電能系統(tǒng)〞是在日照充足的時候，由太陽能電池提供電能給自家的負載用，假設有多余的電力那么另行儲存。當發(fā)電量缺乏或者不發(fā)電的時候，所需要的電力再由電力公司提供。到了1996年，日本有2,600戶裝置太陽能發(fā)電系統(tǒng)，裝設總?cè)萘恳呀?jīng)有8百萬瓦特。一年后，已經(jīng)有9,400戶裝置，裝設的總?cè)萘恳驳竭_了32百萬瓦特。近年來由于環(huán)保意識的高漲和政府補助金的制度，預估日本住家用太陽能電池的需求量，也會急速增加。在中國，太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)亦得到政府的大力鼓勵和資助。2023年3月，財政部宣布擬對太陽能光電建筑等大型太陽能工程進行補貼。太陽能電池的原理既有這么長時間的開展，太陽能電池的根本原理也已經(jīng)有了很深的研究，太陽能電池也叫光伏電池，這也是根據(jù)其原理取的名字，太陽能電池的原理是基于光伏效應，光伏效應是一種光與電子之間相互作用產(chǎn)生的效應。太陽能電池的主要成分是硅，硅原子含有14個電子，排列在三個不同的核外電子層中。距離原子核最近的頭兩個電子層完全填滿。而最外層電子那么處于半滿狀態(tài)，只有四個電子。硅原子始終會想方設法填滿最外面的電子層，為此，它會與相鄰硅原子的四個電子共享自身的電子，這就形成了晶體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對于這種類型的光伏電池具有重要的意義。純硅是一種性能很差的導體，因為它的電子不能像銅這樣的導體中的電子那樣自由移動。硅中的電子被全部鎖在晶體結(jié)構(gòu)中。太陽能電池中的硅結(jié)構(gòu)已經(jīng)過稍稍調(diào)整，以便它能作為太陽能電池來工作。太陽能電池使用的硅混有雜質(zhì)——其他原子與硅原子混在一起，這樣會稍稍改變硅的工作方式?？紤]硅與一個位置不定的磷原子在一起的情況，也許每一百萬個硅原子配上一個磷原子。磷原子的外電子層有五個電子，而不是四個。它仍然要與硅周圍的原子結(jié)合，但從某種意義上講，磷原子有一個電子是不與任何原子共用的。它沒有成為鍵的一局部，但是磷原子核中的正質(zhì)子會使其保持在原位上。當把能量加到純硅中時〔比方以熱的形式〕，它會導致幾個電子脫離其共價鍵并離開原子。每有一個電子離開，就會留下一個空穴。然后，這些電子會在晶格周圍四處游蕩，尋找另一個空穴。這些電子即為自由載流子，它們可以運載電流。不過，留在純硅中的電子數(shù)量極少，因此沒有太大的用處。而將純硅與磷原子混合起來，情況就完全不同了。此時，只需很少的能量即可使磷原子的某個“多余〞的電子逸出，因為這些電子沒有結(jié)合到共價鍵中。因此，大多數(shù)這類電子會成為自由電子，這樣，我們就得到了比純硅中多得多的自由載流子。有意添加雜質(zhì)的過程被稱為摻雜，當利用磷原子摻雜時，得到的硅被成為N型〔“n〞表示負電〕，因為硅里面有很多自由電子。與純硅相比，N型摻雜硅是一種性能好得多的導體。實際上，太陽能電池只有一局部是N型。另一局部硅摻雜的是硼，硼的最外電子層只有三個而不是四個電子，這樣可得到P型硅。P型硅中沒有自由電子〔“p〞表示正電〕，但是有自由空穴?？昭▽嶋H是電子離開造成的，因此它們帶有相反〔正〕的電荷。它們像電子一樣四處移動。在將N型硅與P型硅放到一起時，N側(cè)的自由電子〔它們一直在尋找空穴〕會跑向P側(cè)的空穴，將空穴填滿。以前，從電的角度來看，我們所用的硅都是中性的。多余的電子被磷中多余的質(zhì)子所中和。缺失電子〔空穴〕由硼中缺失質(zhì)子所中和。當空穴和電子在N型硅和P型硅的交界處混合時，中性就被破壞了，在交界處，它們會混合形成一道屏障，使得N側(cè)的電子越來越難以抵達P側(cè)。最終會到達平衡狀態(tài)，這樣我們就有了一個將兩側(cè)分開的電場。這個電場相當于一個二極管，允許電子從P側(cè)流向N側(cè)，而不是相反。它就像一座山——電子可以輕松地滑下山頭〔到達N側(cè)〕，卻不能向上攀升〔到達P側(cè)〕。光伏電池中的電場效應這樣，我們就得到了一個作用相當于二極管的電場，其中的電子只能向一個方向運動。當光以光子的形式撞擊太陽能電池時，其能量會使電子空穴對釋放出來。每個攜帶足夠能量的光子通常會正好釋放一個電子，從而產(chǎn)生一個自由的空穴。如果這發(fā)生在離電場足夠近的位置，或者自由電子和自由空穴正好在它的影響范圍之內(nèi)，那么電場會將電子送到N側(cè)，將空穴送到P側(cè)。這會導致電中性進一步被破壞，如果我們提供一個外部電流通路，那么電子會經(jīng)過該通路，流向它們的原始側(cè)〔P側(cè)〕，在那里與電場發(fā)送的空穴合并，并在流動的過程中做功。電子流動提供電流，電池的電場產(chǎn)生電壓。有了電流和電壓，我們就有了功率，它是二者的乘積。

太陽能電池的工作原理下列圖是單晶硅pn結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)，其包含上部電極，無反射覆蓋層，n型半導體，p型半導體以及下部電極和基板。單晶硅太陽能電池太陽能電池材料太陽能電池在現(xiàn)在擁有著很多優(yōu)勢，首先太陽能是取之不盡用之不竭的，而且使用過程中不會造成環(huán)境污染，然而在使用過程中存在效率低本錢高等問題，硅作為研究最早應用也最多的一類太陽能電池材料，擁有很高的效率，但也只到達了15%，而且本錢也是很高的，于是人們還研究了其他的太陽能電池材料。目前，根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為：1、硅太陽能電池；2、以無機鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池；3、功能高分子材料制備的大陽能電池；4、納米晶太陽能電池等。不管以何種材料來制作電池，對太陽能電池材料一般的要求有：1、半導體材料的禁帶不能太寬；②要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率：3、材料本身對環(huán)境不造成污染；4、材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定?；谝陨蠋讉€方面考慮，硅是最理想的太陽能電池材料，這也是太陽能電池以硅材料為主的主要原因。但隨著新材料的不斷開發(fā)和相關(guān)技術(shù)的開展，以其它村料為根底的太陽能電池也愈來愈顯示出誘人的前景。1硅系太陽能電池單晶硅太陽能電池硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的成熱的加工處理工藝根底上的?，F(xiàn)在單晶硅的電地工藝己近成熟，在電池制作中，一般都采用外表織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù)，開發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。提高轉(zhuǎn)化效率主要是靠單晶硅外表微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。在此方面，德國夫朗霍費費萊堡太陽能系統(tǒng)研究所保持著世界領(lǐng)先水平。該研究所采用光刻照相技術(shù)將電池外表織構(gòu)化，制成倒金字塔結(jié)構(gòu)。并在外表把一13nm。厚的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結(jié)合．通過改良了的電鍍過程增加柵極的寬度和高度的比率：通過以上制得的電池轉(zhuǎn)化效率超過23%，是大值可達23.3％。Kyocera公司制備的大面積〔225cm2〕單電晶太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為19.44%，國內(nèi)北京太陽能研究所也積極進行高效晶體硅太陽能電池的研究和開發(fā)，研制的平面高效單晶硅電池〔2cmX2cm〕轉(zhuǎn)換效率到達19.79%，刻槽埋柵電極晶體硅電池〔5cmX5cm〕轉(zhuǎn)換效率達8.6%。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的，在大規(guī)模應用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導地位，但由于受單晶硅材料價格及相應的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅本錢價格居高不下，要想大幅度降低其本錢是非常困難的。為了節(jié)省高質(zhì)量材料，尋找單晶硅電池的替代產(chǎn)品，現(xiàn)在開展了薄膜太陽能電池，其中多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池就是典型代表。多晶硅薄膜太陽能電池通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350～450μm的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。因此實際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料，人們從70年代中期就開始在廉價襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長的硅膜晶粒大小，未能制成有價值的太陽能電池。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜，人們一直沒有停止過研究，并提出了很多方法。目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學氣相沉積法，包括低壓化學氣相沉積〔LPCVD〕和等離子增強化學氣相沉積〔PECVD〕工藝。此外，液相外延法〔LPPE〕和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池?；瘜W氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,為反響氣體,在一定的保護氣氛下反響生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發(fā)現(xiàn)，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒,并且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題方法是先用LPCVD在襯底上沉熾一層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜，因此，再結(jié)晶技術(shù)無疑是很重要的一個環(huán)節(jié)，目前采用的技術(shù)主要有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結(jié)晶工藝外，另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽能電池的技術(shù)，這樣制得的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率明顯提高。德國費萊堡太陽能研究所采用區(qū)館再結(jié)晶技術(shù)在FZSi襯底上制得的多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率為19％，日本三菱公司用該法制備電池，效率達16.42%。液相外延〔LPE〕法的原理是通過將硅熔融在母體里，降低溫度析出硅膜。美國Astropower公司采用LPE制備的電池效率達12．2％。中國光電開展技術(shù)中心的陳哲良采用液相外延法在冶金級硅片上生長出硅晶粒，并設計了一種類似于晶體硅薄膜太陽能電池的新型太陽能電池，稱之為“硅粒〞太陽能電池，但有關(guān)性能方面的報道還未見到。多晶硅薄膜電池由于所使用的硅遠較單晶硅少，又無效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備，其本錢遠低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池，因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電地市場上占據(jù)主導地位。非晶硅薄膜太陽能電池開發(fā)太陽能電池的兩個關(guān)鍵問題就是：提高轉(zhuǎn)換效率和降低本錢。由于非晶硅薄膜太陽能電池的本錢低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并得到迅速開展，其實早在70年代初，Carlson等就已經(jīng)開始了對非晶硅電池的研制工作,近幾年它的研制工作得到了迅速開展,目前世界上己有許多家公司在生產(chǎn)該種電池產(chǎn)品。非晶硅作為太陽能材料盡管是一種很好的電池材料，但由于其光學帶隙為1.7eV,使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外，其光電效率會隨著光照時間的延續(xù)而衰減，即所謂的光致衰退S一W效應，使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問題的這徑就是制備疊層太陽能電池，疊層太陽能電池是由在制備的p、i、n層單結(jié)太陽能電池上再沉積一個或多個P-i-n子電池制得的。疊層太陽能電池提高轉(zhuǎn)換效率、解決單結(jié)電池不穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題在于：①它把不同禁帶寬度的材科組臺在一起，提高了光譜的響應范圍；②頂電池的i層較薄，光照產(chǎn)生的電場強度變化不大，保證i層中的光生載流子抽出；③底電池產(chǎn)生的載流子約為單電池的一半，光致衰退效應減??；④疊層太陽能電池各子電池是串聯(lián)在一起的。非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法有很多，其中包括反響濺射法、PECVD法、LPCVD法等，反響原料氣體為H2稀釋的SiH4，襯底主要為玻璃及不銹鋼片，制成的非晶硅薄膜經(jīng)過不同的電池工藝過程可分別制得單結(jié)電池和疊層太陽能電池。目前非晶硅太陽能電池的研究取得兩大進展：第一、三疊層結(jié)構(gòu)非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率到達13％，創(chuàng)下新的記錄；第二.三疊層太陽能電池年生產(chǎn)能力達5MW。美國聯(lián)合太陽能公司〔VSSC〕制得的單結(jié)太陽能電池最高轉(zhuǎn)換效率為9．3%，三帶隙三疊層電池最高轉(zhuǎn)換效率為13％.上述最高轉(zhuǎn)換效率是在小面積〔0．25cm2〕電池上取得的。曾有文獻報道單結(jié)非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率超過12．5％，日本中央研究院采用一系列新措施，制得的非晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率為13．2％。國內(nèi)關(guān)于非晶硅薄膜電池特別是疊層太陽能電池的研究并不多，南開大學的耿新華等采用工業(yè)用材料，以鋁背電極制備出面積為20X20cm2、轉(zhuǎn)換效率為8．28％的a－Si/a－Si疊層太陽能電池。非晶硅太陽能電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的本錢及重量輕等特點，有著極大的潛力。但同時由于它的穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實際應用。如果能進一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅大陽能電池無疑是太陽能電池的主要開展產(chǎn)品之一。2多元化合物薄膜太陽能電池為了尋找單晶硅電池的替代品,人們除開發(fā)了多晶硅、非晶硅薄膜太陽能電池外，又不斷研制其它材料的太陽能電池。其中主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。上述電池中，盡管硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，本錢較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會對環(huán)境造成嚴重的污染，因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代砷化鎵III-V化合物及銅銦硒薄膜電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率受到人們的普遍重視。GaAs屬于III-V族化合物半導體材料，其能隙為1．4eV，正好為高吸收率太陽光的值，因此，是很理想的電池材料。GaAs等III-V化合物薄膜電池的制備主要采用MOVPE和LPE技術(shù)，其中MOVPE方法制備GaAs薄膜電池受襯底位錯、反響壓力、III-V比率、總流量等諸多參數(shù)的影響。除GaAs外，其它III-V化合物如Gasb、GaInP等電池材料也得到了開發(fā)。1998年德國費萊堡太陽能系統(tǒng)研究所制得的GaAs太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為24．2％，為歐洲記錄。首次制備的GaInP電池轉(zhuǎn)換效率為14．7％．見表2。另外，該研究所還采用堆疊結(jié)構(gòu)制備GaAs，Gasb電池，該電池是將兩個獨立的電池堆疊在一起，GaAs作為上電池，下電池用的是Gasb,所得到的電池效率到達31．1％。銅銦硒CuInSe2簡稱CIC。CIS材料的能降為1．leV，適于太陽光的光電轉(zhuǎn)換,另外，CIS薄膜太陽電池不存在光致衰退問題。因此，CIS用作高轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽能電池材料也引起了人們的注目。CIS電池薄膜的制備主要有真空蒸鍍法和硒化法。真空蒸鍍法是采用各自的蒸發(fā)源蒸鍍銅、銦和硒，硒化法是使用H2Se疊層膜硒化，但該法難以得到組成均勻的CIS。CIS薄膜電池從80年代最初8％的轉(zhuǎn)換效率開展到目前的15％左右。日本松下電氣工業(yè)公司開發(fā)的摻鎵的CIS電池，其光電轉(zhuǎn)換效率為15．3％〔面積1cm2〕。1995年美國可再生能源研究室研制出轉(zhuǎn)換效率為17．l％的CIS太陽能電池，這是迄今為止世界上該電池的最高轉(zhuǎn)換效率。預計到2000年CIS電池的轉(zhuǎn)換效率將到達20％，相當于多晶硅太陽能電池。CIS作為太陽能電池的半導體材料，具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點，將成為今后開展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比擬稀有的元素，因此，這類電池的開展又必然受到限制。3聚合物多層修飾電極型太陽能電池在太陽能電池中以聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電池制爸的研究方向。其原理是利用不同氧化復原型聚合物的不同氧化復原電勢，在導電材料〔電極〕外表進行多層復合，制成類似無機P－N結(jié)的單向?qū)щ娧b置。其中一個電極的內(nèi)層由復原電位較低的聚合物修飾，外層聚合物的復原電位較高，電子轉(zhuǎn)移方向只能由內(nèi)層向外層轉(zhuǎn)移；另一個電極的修飾正好相反，并且第一個電極上兩種聚合物的復原電位均高于后者的兩種聚合物的復原電位。當兩個修飾電極放入含有光敏化劑的電解波中時．光敏化劑吸光后產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移到復原電位較低的電極上，復原電位較低電極上積累的電子不能向外層聚合物轉(zhuǎn)移，只能通過外電路通過復原電位較高的電極回到電解液，因此外電路中有光電流產(chǎn)生。由于有機材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，本錢底等優(yōu)勢，從而對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。但以有機材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不管是使用壽命，還是電池效率都不能和無機材料特別是硅電池相比。能否開展成為具有實用意義的產(chǎn)品，還有待于進一步研究探索。4納米晶化學太陽能電池在太陽能電池中硅系太陽能電池無疑是開展最成熟的，但由于本錢居高不下，遠不能滿足大規(guī)模推廣應用的要求。為此，人們一直不斷在工藝、新材料、電池薄膜化等方面進行探索，而這當中新近開展的納米TiO2晶體化學能太陽能電池受到國內(nèi)外科學家的重視。自瑞士Gratzel教授研制成功納米TiO2化學大陽能電池以來，國內(nèi)一些單位也正在進行這方面的研究。納米晶化學太陽能電池〔簡稱NPC電池〕是由一種在禁帶半導體材料修飾、組裝到另一種大能隙半導體材料上形成的，窄禁帶半導體材料采用過渡金屬Ru以及Os等的有機化合物敏化染料，大能隙半導體材料為納米多晶TiO2并制成電極，此外NPC電池還選用適當?shù)难趸粡驮娊赓|(zhì)。納米晶TiO2工作原理：染料分子吸收太陽光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的TiO2導帶，染料中失去的電子那么很快從電解質(zhì)中得到補償，進入TiO2導帶中的電于最終進入導電膜,然后通過外回路產(chǎn)生光電流。納米晶TiO2太陽能電池的優(yōu)點在于它廉價的本錢和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10％以上，制作本錢僅為硅太陽電池的1/5～1/10．壽命能到達2O年以上。但由于此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，估計不久的將來會逐步走上市場。太陽能電池的應用照射在地球上的太陽能非常巨大，大約４０分鐘照射在地球上的太陽能，便足以供全球人類一年的能量消費?？梢哉f，太陽能是真正取之不盡，用之不竭的能源。而且太陽能發(fā)電絕對干凈，不產(chǎn)生公害。所以太陽能發(fā)電被譽為最理想的能源。從太陽能獲得電力，需通過太陽能電池進行光電變換來實現(xiàn)。它同以往其他電源發(fā)電原理完全不同，具有以下特點：①無枯竭危險；②絕對干凈；③不受資源分布地域的限制；④可在用電處就近發(fā)電；⑤能源質(zhì)量高；⑥使用者從感情上容易接受；⑦獲取能源花費的時間短。要使太陽能發(fā)電真正到達實用水平，一是要提高太陽能光電變換效率并降低本錢；二是要實現(xiàn)太陽能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。目前，太陽能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶態(tài)硅三種。單晶硅太陽能電池變換效率最高，已達２０％以上，但價格也最貴。非晶態(tài)硅太陽電池變換效率最低，但價格最廉價，今后最有希望用于一般發(fā)電的將是這種電池。一旦它的大面積組件光電變換效率到達１０％，每瓦發(fā)電設備價格降到１－－２美元時，便足以同現(xiàn)在的發(fā)電方式競爭。當然，特殊用途和實驗室中用的太陽電池效率要高得多。如美國波音公司開發(fā)的由砷化鎵半導體同銻化鎵半導體重疊而成的太陽能電池，光電變換效率可達３６％，快趕上了燃煤發(fā)電的效率，但是由于它太貴，目前只能限于在衛(wèi)星上使用。日本在太陽能電池的研究、開發(fā)方面一直居世界領(lǐng)先地位，近年來，日本將研究開發(fā)的重點放在低本錢大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)方面，以促進太陽能發(fā)電實用化進程。目前研究的重點主要集中在大面積薄膜非晶硅、ＣｄＴｅ電池、ＣＩＳ電池的制造技術(shù)，Ⅲ－－Ⅴ族化合物半導體高效光電池，非晶硅及結(jié)晶硅混合型薄膜光電池，多晶硅低本錢精煉技術(shù)開發(fā)等方面?，F(xiàn)在在日常的生活中，到處可以見到太陽能電池的影子，比方說太陽能熱水器等等，在一些對于未來太陽能開展的報告中，我們可以預見，在不久的將來，太陽能電池的應用將會更廣。比方，可以設計全部用太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)提供能量的房子，供以家用電器運行等等。還有很多很多技術(shù)是已經(jīng)實現(xiàn)或即將實現(xiàn)的。即便有如此多的優(yōu)勢與應用前景，但就目前技術(shù)而言，仍然有一些問題擺在我們面前。它的主要缺點有以下幾個方面。1.光電轉(zhuǎn)化率很低。我們大家都知道，太陽光電池主要功能在將光能轉(zhuǎn)換成電能，這個現(xiàn)象稱之為光伏效應。但是這就使得我們在選取太陽能電池板原材料的時候，產(chǎn)生了眾多不便的因素。要求我們必須考慮到材料的光導效應及如何產(chǎn)生內(nèi)部電場。不僅要吸光效果，還需要看它的光導效果。所以材料的選取對于光伏發(fā)電來說是一項很大的約束。必須充足了解太陽光的成分及其能量分布狀況，從目前太陽能開展的情況來看，材料的選取仍舊是個待提高的突破點。