黃劍峰

摘要：本文首先介紹了太陽能光伏發(fā)電的基本原理，然后簡述了用于太陽能光伏發(fā)電的各種常用材料的原理和特點(diǎn)以及在實(shí)驗(yàn)室中的最高轉(zhuǎn)換效率，并介紹了研究前沿的幾種新材料和結(jié)構(gòu)，最后就太陽能光伏發(fā)電的前景做了分析總結(jié)。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電材料轉(zhuǎn)換效率新進(jìn)展規(guī)?；瘧?yīng)用

中圖分類號：TK514 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）08（b）-0002-01

隨著太陽能尤其是太陽能光伏發(fā)電（簡稱“光伏發(fā)電”）的應(yīng)用越來越廣泛，更多新材料和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。本文將著重介紹近期光伏發(fā)電材料技術(shù)的進(jìn)展，并簡述規(guī)?；瘧?yīng)用趨勢。

1太陽能光伏效應(yīng)

光伏材料將光能轉(zhuǎn)換為電能，這個過程叫做光伏效應(yīng)。光伏效應(yīng)的過程即半導(dǎo)體材料吸收光子能量，使到半導(dǎo)體中的原子發(fā)生原子能級躍遷，然后釋放電子并形成電壓的過程。入射光子的能量e=hν，（h為普朗克常數(shù)，ν為入射光子的頻率），只有當(dāng)入射光子的頻率達(dá)到一定數(shù)值，使到入射光子的能量e大于半導(dǎo)體能級躍遷并釋放電子所需要的最小能量—— 禁帶寬度，才能使原子能級躍遷并產(chǎn)生電子。

2太陽能光伏應(yīng)用常見材料特性

根據(jù)NREL的最新光伏轉(zhuǎn)換效率統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)[1]，近年來，光伏轉(zhuǎn)換效率在全世界的各個實(shí)驗(yàn)室不斷被刷新，為光伏發(fā)電的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.1 多重結(jié)和單重結(jié)III-V族材料

多重結(jié)和單重結(jié)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率最高，在多重太陽聚焦下，單重結(jié)的效率可達(dá)20%～30%，而三重結(jié)材料的光伏轉(zhuǎn)換效率，可達(dá)到40%。2011年在美國Solar-Junction公司的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示最高的轉(zhuǎn)換效率為43.5%[1]。在2006年，Emcore公司推出了有效面積為108mm2的三重結(jié)太陽能電池，其在200余倍聚焦數(shù)下能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到37%[2]。多重結(jié)材料生長制備一般采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積，這需要精密的材料配比控制和生長速率控制，成本較高，加上重結(jié)III-V族材料如Ga、As和Ge在地殼中的含量還不到10%～5%，綜合考慮下更適用于高密度輻照下的光電轉(zhuǎn)換。

2.2 單晶硅和多晶硅

在硅系太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)最成熟。UNSW大學(xué)在2000年以前就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)25%的單晶硅材料的轉(zhuǎn)換效率。多晶硅太陽電池的出現(xiàn)主要是為了降低成本，其優(yōu)點(diǎn)是能直接制備出適于規(guī)模化生產(chǎn)的大尺寸方型硅錠，制造過程簡單、省電、節(jié)約硅材料，對材質(zhì)要求也較低。弗勞恩霍夫研究所的太陽能系統(tǒng)在2005年前發(fā)表的最高的多晶硅轉(zhuǎn)換效率為20.4%。在實(shí)規(guī)模化應(yīng)用中，多為單晶硅產(chǎn)品，其效率在13%～16%左右。

2.3 薄膜技術(shù)

薄膜技術(shù)可采用的材料包括無定型硅、多晶硅、微晶硅以及碲化鎘（CdTe）和銅銦硒（CIS）等，其電池的轉(zhuǎn)換效率從12%～20%不等。薄膜技術(shù)電池可通過薄膜制備方法如射頻建設(shè)、真空蒸發(fā)等將這些材料沉積到玻璃基板甚至柔軟的基板上制作。其制備簡單，轉(zhuǎn)換效率也不低，據(jù)報(bào)道，CuInGaSe電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到19.2%[3]。由于銅、銦和硒材料資源相對豐富，薄膜技術(shù)制備簡單，其成本低很多，適合大規(guī)模應(yīng)用。

2.4 有機(jī)聚合物、無機(jī)聚合物和燃料敏化物太陽能電池

目前，這幾種材料仍然在研究、開發(fā)和探索之中。目前實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)為有機(jī)聚合物的效率為10.6%、無機(jī)聚合物的效率為10.1%和染料敏化物的效率為11.4%[1]。這些材料制成的太陽能電池成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于半導(dǎo)體材料，而且可以制備柔軟底板的大面積電池。因其制作成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于半導(dǎo)體材料，而且可以制備柔底板的大面積電池，適合用于建筑物上。

2.5 新興材料

基于薄膜技術(shù)的表面等離子材料，一般用玻璃、塑料或者鋼材來做襯底，這樣可以降低成本。目前的一種方法是通過在薄膜太陽能面板上放置金屬納米粒子，光入射后，金屬納米粒子實(shí)現(xiàn)等離子共振然后對光進(jìn)行散射，這樣增加光吸收而無需增加更多的薄膜電池層，從而實(shí)現(xiàn)效率的提高，其效率可預(yù)計(jì)能達(dá)到40%～60%。

另外一種新型材料是由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的石墨烯。這是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。這種材料的太陽能電池，目前最新研究得到的效率為8.6%[4]。

2.6 其他

基于納米科技的量子點(diǎn)、量子阱和超晶格材料也有不少機(jī)構(gòu)在研究。此類型材料的優(yōu)勢一般是可更好地匹配太陽能光譜，但其研究還比較少，目前的效率不高，離穩(wěn)定性和量產(chǎn)化還有一段距離。研究指出[5]，相對于常規(guī)的塊狀太陽能電池，多量子阱、超晶格以及量子點(diǎn)用于光伏設(shè)備可大大提高理論上的最大效率，可實(shí)現(xiàn)光伏轉(zhuǎn)換效率達(dá)40%甚至更高。

3結(jié)語

隨著光伏發(fā)電材料的不斷深入研究和試驗(yàn)，可以預(yù)測在未來的5～10年，將會有越來越多新型和改進(jìn)型材料的出現(xiàn)，逐步解決材料的吸收問題，效率問題，穩(wěn)定性問題，工藝規(guī)?；a(chǎn)的成本問題。從規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用的角度看，硅技術(shù)、薄膜技術(shù)和聚合物電池仍為主導(dǎo)，量子點(diǎn)和納米技術(shù)將給傳統(tǒng)技術(shù)帶來新的生命。

參考文獻(xiàn)

[1] National Renewable Energy Laboratory （NREL）， Best Research-Cell Efficiencies （revision 2012.04.04）， http：//en.wikipedia.org/wiki/File：PVeff（rev120404）.jpg.

[2] EMCORE T1000 Cell-Triple-Junction High-Efficiency Solar Cells for Terrestrial Concentrated Photovoltaic Applications[R].Http：//www.emcore.com/assets/photovoltaics/T1000%20Data%20Sheet%20March%2007.pdf.

[3] 方祖捷，陳高庭，葉青.太陽能發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展[J].中國激光，2009，1，36（1）：5-14.

[4] Xiaochang Miao，Sefaattin Tongay， Maureen K.Petterson et al，Nano Letter， High Efficiency Graphene Solar Cells by Chemical Doping，Nano Lett.，Publication Date （Web）：May 3，2012 （Letter）

[5] Seung Y.Myong*，Recent Progress in Inorganic Solar Cells Using Quantum Structures，Recent Patents on Nanotechnology，2007，1：67-73.