三大類薄膜太陽能電池最新研究進展

    鋰電世界  隨著不可再生能源減少，環境污染日益嚴重，人們逐漸加大了對可再生能源的需求。太陽能屬于可再生能源的一種，具有資源豐富、環保清潔的優勢，使得太陽能電池研究成為重點。而薄膜太陽能電池以其生產成本低、輕型化、耗材少、弱光響應良好等特點倍受研究者關注，其中主要有硅基類、化合物類以及染料敏化三種薄膜太陽能電池。接下來本文將對這三種薄膜太陽能電池的特點進行綜合評述，并對其發展前景進行展望。

    一、硅基類薄膜太陽能電池

    硅基類薄膜太陽能電池根據材料具體可以分為非晶硅、多晶硅以及微晶硅薄膜太陽能電池。其中，非晶硅薄膜太陽能電池因以玻璃、不銹鋼等為襯底而研制出來的，所以被認為是現階段環保性能最好的電池。它的研究開始于1976年，隨后在全世界范圍內引起了重要影響。

    非晶硅薄膜太陽能電池具有質量輕，光吸收好，耐高溫等特點，其中， Villar.F等通過 HWCVD方法制備了效率為4.6%的非晶硅薄膜電池；日本三菱重工也研制出面積達到1.4米*1.1米、效率為8%的高效太陽能電池；現階段，非晶硅薄膜太陽能光電效率最高可達9.5%。國內對其進行研究則開始于上世紀八十年代，研制出面積分別為0.01米*0.01米與0.3米*0.3米的單結非晶硅薄膜太陽能電池。但非晶硅材料也存在一些不足，如轉換效率低、光照穩定性差等，經研究發現可通過采用多帶隙多結疊層、減少 i層厚度以及減少光反射率等方法，來提高了光照穩定性及轉換效率。

    多晶硅薄膜太陽能電池不僅具有晶體硅太陽能電池的高效率及穩定性，而且具有材料用量少，生產成本低的優勢。日本 Kaneka公司利用 PECVD工藝在玻璃基板上制備了厚約2μm的 p-i-n型多晶硅太陽能電池，效率為12%；日本京工陶瓷公司在后來研制出面積為0.15米*0.15米的電池，效率達到17%。國內對其研究開始于1996年，效率目前達到了13.6%。

    微晶硅薄膜太陽能電池具有制備工藝與非晶硅薄膜電池兼容、光譜響應寬及基本沒有光致衰退的特點。1994年 Meier等通過 VHFPECVD工藝研制出厚約1.7μm、面積約0.25cm2的微晶硅電池，效率達到4.6%。國內南開大學通過 VHF-PECVD技術，研制出沉積速率為1.2nm/s的電池，效率可達6.3%。但目前微晶硅薄膜太陽能電池的沉積速率較低，因此需要作進一步研究。

    二、化合物類薄膜太陽能電池

    化合物半導體材料大多為直接帶隙，而且禁帶寬度大，因此采用化合物制備的薄膜太陽能電池具有光吸收系數大、抗輻射性能良好以及溫度系數小等特點。化合物類薄膜太陽能電池主要包括砷化鎵、碲化鎘以及銅銦硒三種薄膜太陽能電池。其中以銅銦硒薄膜太陽能電池最具代表性，對其研究開始于上世紀70年代，波音公司通過真空蒸發研制出銅銦硒薄膜太陽能電池，效率達到9%。研究發現，往銅銦硒薄膜太陽能電池里摻入鎵、硫等材料，能調節禁帶寬度，從而提高轉換效率。美國 NREL基于三步共蒸發法，獲得了19.9%的效率，并一直保持世界紀錄；直到2010年，德國 ZSW基于蒸發法，將效率提高到20.3%。國內南開大學通過蒸發硒化法也獲得了14%的效率。但是，所用的銦和硒均是稀有元素，難以滿足大規模生產，因此尋找廉價的替代元素成為了研究熱點。

    三、染料敏化薄膜太陽能電池

    染料敏化薄膜太陽能電池是模仿光合作用所研制出的光電化學電池，具有成本低、工藝簡單、質量輕及效率高等特點。1991年，M.Gr?tzel的研究小組研制出了效率為7.1%的染料敏化電池；在2005年， M.Gr?tzel等人又將效率提高到12.3%。國內在染料敏化薄膜太陽能電池上的研究也已接近世界先進水平，小面積電池效率為11%，同時，長春應化所開發出的 C101染料可獲得9%的效率。但是在轉換效率、耐久性及穩定性方面還有很大的發展空間，因此，尋找低成本、性能好的染料仍然為當前研究重點。

    四、總結

    綜上所述，以上三種薄膜太陽能電池都有各自的特點，相信隨著研究的廣泛開展，在不久的將來，這些薄膜太陽能電池都會有新的技術突破，獲得更高的轉換效率，并被廣泛應用到人們日常生活中，減少環境污染的同時也減少不可再生能源的消耗。