侯雯文 杜 娟 張萬(wàn)輝

（青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)分公司，青海 西寧 810007）

1 現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)階段已經(jīng)相對(duì)成熟的幾種太陽(yáng)能電池材料主要有以下5種，鈣鈦礦、有機(jī)材料、染料敏化材料、晶硅以及量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)改進(jìn)，這些電池在制造成本上已有了明顯的降低，并且各種器件的制作難度也明顯下降，在這些材料制作的太陽(yáng)能電池之中，這些材料與晶硅材料相比都具有明顯的優(yōu)勢(shì)[1]，不僅如此，在技術(shù)的不斷革新下，這些電池的制備已經(jīng)有了很大的突破，例如現(xiàn)階段制造的量子點(diǎn)敏化電池，其轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到了13%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了制造之初的轉(zhuǎn)化效率，不僅如此，在轉(zhuǎn)化效率上鈣鈦礦電池更是達(dá)到了驚人的22.1%，并且相關(guān)技術(shù)還有很大的突破前景，成了現(xiàn)階段發(fā)展態(tài)勢(shì)最好的太陽(yáng)能電池。光伏材料產(chǎn)生的主要目的是為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，有相關(guān)數(shù)據(jù)表明，太陽(yáng)每一個(gè)小時(shí)輻射到地球的太陽(yáng)能所具有的能量可以滿足全地球一年的能源供給，由此可見太陽(yáng)能的發(fā)展?jié)摿κ嵌嗝淳薮蟮腫2]。對(duì)于太陽(yáng)能的運(yùn)用主要發(fā)展歷程如下：太陽(yáng)能發(fā)電是在1839年被法國(guó)科學(xué)家貝克雷爾發(fā)現(xiàn)的，起初是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差，后來(lái)稱這一現(xiàn)象為“光生伏特效應(yīng)”，簡(jiǎn)稱“光伏效應(yīng)”。

2 新型光伏材料與器件

2.1 有機(jī)太陽(yáng)電池

有機(jī)太陽(yáng)能電池相比于其他的太陽(yáng)能技術(shù)來(lái)說(shuō)，這一項(xiàng)技術(shù)發(fā)展是較早的，不僅如此，這項(xiàng)技術(shù)相對(duì)于其他的技術(shù)來(lái)說(shuō)有很多優(yōu)良的特性，并且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展后，這項(xiàng)技術(shù)正在逐漸成熟，有可能替代無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池。有機(jī)太陽(yáng)電池具有更好的電子特性、成分多功能性，制備成本和安裝成本較低，能夠?qū)崿F(xiàn)更大面積的制備，并且其材料也可以用于柔性基底，從有機(jī)太陽(yáng)電池的發(fā)展來(lái)看，實(shí)現(xiàn)器件的進(jìn)步和光吸收材料的改進(jìn)具有密不可分的關(guān)系。

有機(jī)太陽(yáng)能電池的工作原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是光電效應(yīng)+pn結(jié)[1]。即通過(guò)太陽(yáng)照射在半導(dǎo)體pn結(jié)上，從而形成了新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生空穴流向p區(qū)，光生電子流向n區(qū)，接通電路后就產(chǎn)生電流。具體來(lái)說(shuō)，它不具有導(dǎo)電性，是通過(guò)在原本不導(dǎo)電的半導(dǎo)體中摻入了不同的雜質(zhì)，將其做成P型（雜質(zhì)為硼等）與N型（雜質(zhì)為磷等）半導(dǎo)體，再利用P型半導(dǎo)體有個(gè)空穴（P型半導(dǎo)體少了一個(gè)帶負(fù)電荷的電子，可視為多了一個(gè)正電荷），與N型半導(dǎo)體多了一個(gè)自由電子的電位差來(lái)產(chǎn)生電，當(dāng)太陽(yáng)光照射時(shí)，光能將硅原子中的電子激發(fā)出來(lái)（光電效應(yīng)），而產(chǎn)生電子和空穴的對(duì)流，這些電子和空穴都會(huì)受到內(nèi)建電位的影響，分別聚集在N型及P型半導(dǎo)體兩段，此時(shí)，外部如果用電極連接起來(lái)，就能形成一個(gè)回路，這就是目前主流的太陽(yáng)能電池原理，如圖1所示。

圖1 PN結(jié)的原理示意圖

2.2 染料敏化電池

染料敏化電池是對(duì)有機(jī)太陽(yáng)電池的一種衍生，并且是量子點(diǎn)敏化電池的一種早期形式，染料敏化太陽(yáng)電池主要是通過(guò)模仿光合作用原理，研制出來(lái)的一種新型太陽(yáng)能電池，染料敏化太陽(yáng)能電池以低成本的納米二氧化鈦和光敏染料為主要原料，模擬自然界中植物利用太陽(yáng)能進(jìn)行光合作用，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。納米多孔半導(dǎo)體薄膜通常為金屬氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明導(dǎo)電膜的玻璃板上作為DSC的陰極。將電極作為還原催化劑，通常在帶有透明導(dǎo)電膜的玻璃上鍍上鉑。敏化染料吸附在納米多孔二氧化鈦膜面上。正負(fù)極間填充的是含有氧化還原電對(duì)的電解質(zhì)，最常用的是KCl（氯化鉀）。

主要原理如下：染料分子受太陽(yáng)光照射后由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)（D*），然后將處于激發(fā)態(tài)的染料分子將電子注入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中，電子擴(kuò)散至導(dǎo)電基底，后流入外電路中處于氧化態(tài)的染料被還原態(tài)的電解質(zhì)還原再生，最后氧化態(tài)的電解質(zhì)在對(duì)電極接受電子后被還原，從而完成一個(gè)循環(huán)[3]，如圖2所示。

圖2 染料敏化太陽(yáng)能電池 - 結(jié)構(gòu)組成

2.3 量子點(diǎn)敏化電池

量子點(diǎn)敏化電池是通過(guò)對(duì)料敏化太陽(yáng)能電池的改進(jìn)而逐漸發(fā)展出來(lái)的，在對(duì)料敏化太陽(yáng)能電池進(jìn)行不斷的技術(shù)研究時(shí)，各種問(wèn)題接踵而至，并且其轉(zhuǎn)化效率始終無(wú)法得到有效的提升，隨著各種材料價(jià)格的上升，對(duì)于料敏化太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)度也逐漸放緩，為了能夠更好地取代有機(jī)染料，從而研究出了量子點(diǎn)，利用量子點(diǎn)不僅能夠有效地節(jié)約成本，并且還具有有機(jī)染料無(wú)法替代的優(yōu)良特性[4]。其主要的工作原理如下。首先量子點(diǎn)受到光激發(fā)由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生電子-空對(duì)穴，激發(fā)的量子點(diǎn)將電子注入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中，然后半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子在納米晶格中傳輸?shù)胶蠼佑|面，從而流入外電路中，氧化態(tài)的電解質(zhì)擴(kuò)散到對(duì)電極上得到電子而再生，最后還原態(tài)的電解質(zhì)將氧化態(tài)的量子點(diǎn)還原，實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的再生。

3 氧化物基底制備

無(wú)論是量子點(diǎn)敏化電池還是鈣鈦礦電池，氧化物基底都是作為電池中的ETL對(duì)電子的手機(jī)傳輸和支架起到了重要作用，是這2種電池中的重要組成部分，要想實(shí)現(xiàn)氧化物基底的制備，就必須要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解，該文介紹的是零維的納米顆粒和一維的納米棒材料，在進(jìn)行氧化鋅的制備時(shí)，主要使用的方法是水熱法，將水作為溶劑在密閉的容器中施加一定的溫度與壓強(qiáng)來(lái)促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生[5-6]。這一方法是現(xiàn)階段制備氧化鋅納米棒最有效的方法，主要是由于其具有很好的可控性，并且成本低效率高。要想形成致密的氧化物基底材料，可以通過(guò)多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，常用的有溶膠-凝膠法和磁控濺射法2種，前者是通過(guò)將前驅(qū)體在溶劑中分散，并經(jīng)過(guò)水解反應(yīng)最終形成活性單體，這些活性單體在聚合之后就會(huì)形成溶膠，然后進(jìn)一步反應(yīng)形成了具有一定的空間結(jié)構(gòu)的凝膠，最后對(duì)形成的凝膠進(jìn)行進(jìn)一步的處理就得到了想要的納米粒子與所需要的材料。而后者則是通過(guò)物理氣相沉積法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，需要利用粒子轟擊與濺射，最后形成氧化物基底。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)階段發(fā)展迅速的幾種以氧化物為基底材料新型太陽(yáng)能電池的探索，并且對(duì)這幾種技術(shù)的深入研究，在成本、制作方法和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)的論述，要想實(shí)現(xiàn)電池的全面推廣與應(yīng)用，就需要對(duì)電池的器件效率和穩(wěn)定性進(jìn)行全方位的衡量，只有不斷地提高效率和穩(wěn)定性才能更好地實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的全面推廣，充分發(fā)揮新型太陽(yáng)能電池的成本與效率優(yōu)勢(shì)，提高其穩(wěn)定性，讓這些新型太陽(yáng)能電池早日取代傳統(tǒng)的硅晶電池，降低成本。