竇海林 王 波 張靖宇 賈桂香

（中聯(lián)西北工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710082）

太陽能光伏發(fā)電材料研究進(jìn)展

竇海林 王 波 張靖宇 賈桂香

（中聯(lián)西北工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710082）

化石能源枯竭、生態(tài)環(huán)境惡化和資源快速消耗等問題給人類未來工業(yè)發(fā)展及生活帶來了巨大壓力，太陽能作為一種清潔能源已引起科學(xué)家的重點(diǎn)關(guān)注。不同材料體系和不同結(jié)構(gòu)的太陽能光伏發(fā)電材料近年來發(fā)展迅速，本文綜述傳統(tǒng)無機(jī)、有機(jī)光伏發(fā)電材料最新研究進(jìn)展，著重論述部分新興光伏發(fā)電材料的發(fā)展現(xiàn)狀，并分析當(dāng)前太陽能光伏發(fā)電材料存在問題及未來發(fā)展方向。

光電轉(zhuǎn)換效率 有機(jī)光伏發(fā)電材料 新興光伏發(fā)電材料 鈣鈦礦材料

引言

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和人類生活的能量主要來自于傳統(tǒng)化石能源，然而，化石能源的不斷開采利用卻造成能源危機(jī)、全球生態(tài)危機(jī)、能源供應(yīng)矛盾等不可避免的問題，加快對(duì)風(fēng)能、地?zé)崮?、核能和太陽能等新能源的開發(fā)利用勢(shì)在必行。在眾多新能源形式中，太陽能具有資源豐富、易于獲取、安全、潔凈無污染等突出優(yōu)勢(shì)，為人類解決能源危機(jī)提供了新的思路。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是太陽能開采利用最直接有效的方式，以光生伏特效應(yīng)為能量轉(zhuǎn)化原理，太陽能光伏發(fā)電材料為轉(zhuǎn)化媒介實(shí)現(xiàn)光能和電能的轉(zhuǎn)化利用，光伏發(fā)電材料的光電性能直接決定了光伏發(fā)電轉(zhuǎn)換效率，故光伏發(fā)電材料的研發(fā)占據(jù)重要地位。太陽能用光伏發(fā)電材料需要滿足如下條件：（1）半導(dǎo)體材料具有合理的禁帶寬度和極佳的光電轉(zhuǎn)換性；（2）生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單設(shè)備要求低，便于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)；（3）環(huán)境友好型材料，材料本身對(duì)全球生態(tài)不夠成威脅；（4）材料使用壽命長(zhǎng)且穩(wěn)定性高。隨著工業(yè)技術(shù)的快速更新和及研究人員的不斷努力，不斷出現(xiàn)一系列符合應(yīng)用要求的太陽能光伏發(fā)電材料。

1 無機(jī)太陽能光伏發(fā)電材料

1.1 硅系

單晶硅是目前工業(yè)生產(chǎn)和人類生活中大量推廣使用的光伏發(fā)電材料。高質(zhì)單晶硅光伏電池生產(chǎn)及加工技術(shù)已能滿足規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)應(yīng)用，利用單晶硅微納結(jié)構(gòu)處理和微區(qū)化學(xué)摻雜可有效改善其光電轉(zhuǎn)換性，有諸多研究者系統(tǒng)地研究了硅微納結(jié)構(gòu)提高光電轉(zhuǎn)換率對(duì)單晶硅光伏發(fā)電材料。王秀琴等[1]以單晶硅片表面為襯底利用金屬輔助催化無電刻蝕的方法（MCEE），制備出大面積的硅納米線陣列，研究結(jié)果表明硅微納結(jié)構(gòu)具備良好陷光效應(yīng)，當(dāng)納米線長(zhǎng)度為1.6μm時(shí)，具有優(yōu)異的光電性能。用單晶硅光伏材料生產(chǎn)的太陽能光伏器件具有運(yùn)行可靠、光電轉(zhuǎn)化性良好、性能穩(wěn)定和使用壽命長(zhǎng)等突出優(yōu)勢(shì)，但高純度單晶硅對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求極高、生產(chǎn)加工工藝較復(fù)雜，這直接導(dǎo)致單晶硅電池生產(chǎn)成本較高、價(jià)格昂貴、難以大規(guī)模推廣使用。為滿足光伏產(chǎn)業(yè)快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求和有效降低單晶硅光伏電池使用成本，多晶硅太陽能光伏電池被研發(fā)利用。在德國(guó)弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)人員的努力下，多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換率實(shí)現(xiàn)了20.3%的突破[2]。相對(duì)單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池晶界、晶格位錯(cuò)和晶粒取向等缺陷導(dǎo)致電池使用壽命大幅縮短和光電轉(zhuǎn)換效率急劇降低。非晶硅薄膜電池具有弱光效應(yīng)且吸光系數(shù)高，故其發(fā)電量和光電轉(zhuǎn)換效率比同量的多晶硅電池高。然而實(shí)際應(yīng)用中，非晶硅光伏電池存在運(yùn)行穩(wěn)定性差、光致衰減、光電轉(zhuǎn)化效率低下等問題，這嚴(yán)重制約非晶硅光伏材料的規(guī)模化應(yīng)用。

1.2 無機(jī)化合物型

Ⅲ～Ⅳ族化合物半導(dǎo)體光伏材料因具有直接帶隙且太陽光吸收波段寬而廣泛應(yīng)用于太陽能光伏發(fā)電。GaAs化合物禁帶寬度與太陽光譜匹配，是較為理想的太陽能電池材料。Liang等[3]以金屬基板為襯底與GaAs納米晶層復(fù)合，制備了具有良好吸光性、較高載流子收集率、較高光電轉(zhuǎn)換率且呈納米狀的太陽能光伏發(fā)電材料。此外，Cu、In、Se、Zn等元素在地球上含量豐富、易于提取、生產(chǎn)加工成本低，以這些元素為基制備的太陽能電池受到研究人員和工業(yè)生產(chǎn)的重點(diǎn)關(guān)注。陶加華[4]利用電沉積法制備了高效Cu2ZnSnS4薄膜材料，轉(zhuǎn)化效率達(dá)7.23%。然而，此類材料大多有毒，極大地限制其應(yīng)用。此外，可采用低成本化學(xué)方法可控制備不同納米結(jié)構(gòu)的TiO2材料，對(duì)TiO2納米結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行染料或量子點(diǎn)敏化處理，制備的電池不但成本較低且轉(zhuǎn)化效率較高，是具有競(jìng)爭(zhēng)力的太陽能光伏材料。

2 有機(jī)太陽能光伏發(fā)電材料

2.1 有機(jī)小分子型

有機(jī)小分子太陽能光伏材料具有重量輕、低成本、化學(xué)穩(wěn)定性好且制備方便等優(yōu)勢(shì)，但其遷移率較低。提高有機(jī)小分子光電材料的轉(zhuǎn)換效率是研究的重點(diǎn)。張昱等[5]成功設(shè)計(jì)并制備了結(jié)構(gòu)為D-π-A-π-D有機(jī)小分子光伏材料，包括以苯并噻二唑（dFBT）為吸電子單元的BT系列，和以苯駢三氮唑（dFBTA）為吸電子單元的BTAO系列和BTAH系列，它們都以三苯胺（TPA）為供電子單元，π鍵橋分別由氰基乙烯基（CN）、碳碳三鍵（T）、碳碳雙鍵（E）和碳碳單鍵（S）構(gòu)成，且獲得了較高的光電轉(zhuǎn)換效率。

2.2 C60及其衍生物

C60獨(dú)特的材料結(jié)構(gòu)使其具有8～14nm的電子擴(kuò)散距離，其特殊的電學(xué)特性使電荷的傳輸更方便，同時(shí)也提高了電荷收集率，所以相對(duì)其他有機(jī)光伏材料，C60的電荷引出效率更高。相比硅系、無機(jī)化合物光伏材料，聚合物/富勒烯太陽能電池因其重量較輕、工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉、優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性和易于生產(chǎn)大面積柔性器件等鮮明優(yōu)勢(shì)，從而受到科研人員和工業(yè)生產(chǎn)的高度關(guān)注。近年來，聚合物-富勒烯類聚合物太陽能電池光電轉(zhuǎn)化率實(shí)現(xiàn)11%的突破，尤其是以PCBM為典型的富勒烯類電子受體材料。一些研究人員利用溶劑揮發(fā)法、自組裝法等方法制備出P3BT-nw/C61-PCBM和P3BT-nw/C71-PCBM納米線，研究結(jié)果表明：在太陽光照射條件下，這些C60衍生物納米材料具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性、較好的熱穩(wěn)定性和理想的延展性[6]。C60及其衍生物太陽能光伏材料已成為新一代具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ墓夥l(fā)電材料。然而C60及衍生物在可見-近紅外光區(qū)光子吸收率低下，應(yīng)用于受體材料器件時(shí)必須增強(qiáng)材料自身對(duì)太陽光的吸收率。

3 新一代太陽能光伏發(fā)電材料

3.1 石墨烯

石墨烯特有的單原子結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、較高的熱導(dǎo)率、極高的載流子遷移率、極佳的柔韌性，是具有良好發(fā)展前景的新一代太陽能光伏材料。然而，完整狀態(tài)下的石墨烯組織表面化學(xué)性能較穩(wěn)定，同時(shí)與常用介質(zhì)親和性較低，并且石墨烯片間范德華力的存在會(huì)引起石墨烯片團(tuán)聚，這在很大程度上增加了石墨烯的研究難度并限制其應(yīng)用范圍。為克服材料組織帶來的困難并充分發(fā)揮其優(yōu)良特性，需要對(duì)石墨烯進(jìn)行系列處理，常用的處理有功能化、化學(xué)摻雜和石墨烯結(jié)構(gòu)改性。例如，卟啉對(duì)石墨烯的共價(jià)鍵功能化促使電子及能量在石墨烯與卟啉之間發(fā)生轉(zhuǎn)移；同時(shí)，雜化處理的材料具有優(yōu)良的非線性光學(xué)性質(zhì)[7]。為有效提高其光電性能。Bi等[8]利用化學(xué)氣相沉積法制備PMMA-石墨烯-泡沫鎳復(fù)合材料，將該材料用于CdTe太陽能電池的工作電極，結(jié)果表明該新型復(fù)合光伏材料具備較高的電子傳輸率，且光伏發(fā)電效率顯著提高至9.1%。目前，三維石墨烯及石墨烯衍生物的應(yīng)用研究已成為國(guó)際學(xué)者和各大生產(chǎn)廠商重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象之一，期待能在能源、環(huán)境和電子等諸多領(lǐng)域發(fā)揮更大的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 鈣鈦礦型

鈣鈦礦太陽能光伏材料不僅具有良好的吸光性和電荷傳輸速率，而且還能通過不同的結(jié)構(gòu)提升其光電轉(zhuǎn)化效率。因其高達(dá)50%的光電轉(zhuǎn)換效率而引起國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)人員和生產(chǎn)廠家的高度關(guān)注。鈣鈦礦太陽能光伏材料主要包括鈣鈦礦吸光材料、空穴傳輸材料、電子傳輸材料。

鈣鈦礦吸光材料實(shí)質(zhì)上是一種有機(jī)-無機(jī)的雜化材料，其晶胞結(jié)構(gòu)是典型的鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)通式為ABX3，其中A為有機(jī)陽離子，B為金屬離子，X為鹵素基團(tuán)。在該晶體結(jié)構(gòu)中，金屬原子B被嵌入立方晶胞體心內(nèi)，鹵素原子X位于立方體面心處，有機(jī)陽離子A位于立方體頂點(diǎn)位置。和以共棱、共面形式連接的結(jié)構(gòu)相比，鈣鈦礦太陽能材料比較穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)更有利于缺陷的擴(kuò)散和遷移。同時(shí)，鈣鈦礦太陽能光伏材料的光吸收層電致發(fā)光與光致發(fā)光特性決定其具有直接帶隙、較高的光吸收系數(shù)、截流子輸運(yùn)性能和較高的缺陷容忍度。為有效調(diào)節(jié)ABX3鈣鈦礦光伏材料能帶帶隙，可以通過能帶工程改變ABX33種組分的組合。空穴傳輸材料用于空穴快速有效傳輸，其基本要求是材料能級(jí)與鈣鈦礦材料最高已占軌道具有較高匹配度和較高的空穴遷移率。空穴傳輸材料按材料性質(zhì)分為無機(jī)空穴傳輸材料和有機(jī)空穴傳輸材料，其中市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的有機(jī)空穴傳輸材料是Spiro-OMETAD[9]，盡管其具有一般空穴傳輸材料不可企及的光電轉(zhuǎn)換性能，但其制備難度較大、生產(chǎn)成本過高，不利于大范圍生產(chǎn)使用。電子傳輸材料的作用是阻擋空穴與電子互相運(yùn)動(dòng)復(fù)合且有利于電子高效穩(wěn)定傳輸。電子傳輸材料需要具備較高的電子遷移率和良好的透光性，并且其能級(jí)與電極的導(dǎo)帶位置互相匹配。鈣鈦礦太陽光伏材料在快速發(fā)展的同時(shí)也存在一些亟需突破的問題，如何在提高穩(wěn)定性的同時(shí)還具有較高轉(zhuǎn)換效率是目前的一個(gè)難點(diǎn)。

4 結(jié)語

太陽能光伏發(fā)電材料的不斷研究改進(jìn)對(duì)太陽能資源高效、深度開發(fā)利用起著至關(guān)重要的作用。隨著市場(chǎng)對(duì)不同光伏發(fā)電新技術(shù)需求的增加，與之相應(yīng)的太陽能光伏發(fā)電材料的研究需解決以下問題：（1）重點(diǎn)發(fā)展新興高效太陽能光伏發(fā)電材料和環(huán)境友好型光伏發(fā)電材料，不斷提高轉(zhuǎn)換效率，降低光伏材料對(duì)環(huán)境的污染；（2）不斷改進(jìn)和簡(jiǎn)化光伏發(fā)電材料生產(chǎn)工藝，降低對(duì)材料生產(chǎn)設(shè)備的要求，提高材料使用穩(wěn)定性；（3）降低材料開發(fā)及生產(chǎn)成本、尋找原料來源豐富且用量少的新型材料。

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Research Progress of Solar Photovoltaic Power Generation Materials

DOU Hailin, WANG Bo, ZHANG Jingyu, JIA Guixiang
(Northwest China Engineering Design Institute Co. Ltd., Xi’an 710082)

The problem of rapid consumption of fossil energy depletion, deterioration of the ecological environment and human resources for future industrial development and life has brought great pressure, solar energy as a clean energy has caused the focus of scientists. Different material system and different structure of solar photovoltaic materials has developed rapidly in recent years, the latest research progress of traditional inorganic and organic photovoltaic materials, discusses the development status of some emerging photovoltaic materials and the analysis of the current problems and future development direction of solar photovoltaic materials.

photoelectric conversion efficiency, organic photovoltaic materials, emerging photovoltaic power generation materials, perovskite materials