0  引言

當代工業(yè)化生產(chǎn)與人類生存的主要能量由傳統(tǒng)化石能源供應，但是對化石能源的持續(xù)開采導致了能源危機的產(chǎn)生,，開發(fā)無污染,、可再生的新能源成為了全球大多數(shù)國家的共識。對風能,，地熱能,，核能和太陽能等新能源的開發(fā)和利用成為國際前沿科學的研究熱點。其中,，太陽能有著多種優(yōu)點,，如獲取容易、安全無害,、不產(chǎn)生污染等特點,，為人們處理能源危機提供了新的方式，從而受到了研究者與市場的青睞,。在1954年,，美國科學家皮爾松在貝爾實驗室首次制成了光電轉(zhuǎn)化效率為6%，能夠?qū)嶋H使用的單晶硅太陽能電池,，這意味著將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的能夠面向市場的光伏發(fā)電技術(shù)正式產(chǎn)生,。光伏發(fā)電材料的光電性能是光伏發(fā)電轉(zhuǎn)換效率的直接影響因素，所以,，對光伏發(fā)電材料的研發(fā)在整個光伏領(lǐng)域,，占據(jù)由極其重要的地位。

隨著光伏發(fā)電的市場擴大,，及對光伏發(fā)電材料的逐漸研究,，無論何種材料，其光電轉(zhuǎn)換效率都在穩(wěn)步提升,，同步伴隨著生產(chǎn)成本的明顯減少,，可以預見，太陽能光伏發(fā)電市場將會越來越廣闊,，光伏發(fā)電這一技術(shù)越發(fā)顯現(xiàn)其優(yōu)越性,。太陽能用光伏發(fā)電材料需要滿足如下條件：

（1）半導體材料具有合理的禁帶寬度和極好的光電轉(zhuǎn)換性；

（2）生產(chǎn)工藝簡單,，對生產(chǎn)設備要求低,，有利于工業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)；

（3）使用材料應綠色環(huán)保，對生態(tài)環(huán)境應盡可能產(chǎn)生小的影響,；

（4）光伏發(fā)電材料應有較長的使用時間且使用過程中穩(wěn)定性高,。[1]

1  不同光伏發(fā)電材料的研究進展

1.1  硅系

硅系光伏發(fā)電材料包括單晶硅與多晶硅。

1.1.1  單晶硅

單晶硅是當前光伏市場使用最為廣泛的光伏發(fā)電材料,，單晶硅太陽電池及其組件的制備技術(shù)在光伏發(fā)電材料中發(fā)展時間最長,，其工業(yè)化制備工業(yè)相比較最為成熟。

半導體的禁帶寬度決定著太陽電池的轉(zhuǎn)換效率,，目前研究就所得的單晶硅太陽電池效率的理論轉(zhuǎn)換效率極限值為28%,。

新南威爾士大學報導了用液相外延法制備的高效漂移場單晶硅電池，4.11cm2電池轉(zhuǎn)換效率為16.4%,，經(jīng)減薄襯底,，加強陷光等技術(shù)加工，在標準狀況下其轉(zhuǎn)換效率可達24.7%,。北京市太陽能研究所研制的單晶硅太陽電池綜合利用了各種先進技術(shù),，將光電轉(zhuǎn)換效率提升到了19.8%。[2]

1.1.2  多晶硅

近年來,，澆鑄技術(shù)實現(xiàn)了較大的技術(shù)跨越,，并且伴隨著制作多晶硅光伏電池工藝的逐步改良。在光伏產(chǎn)業(yè)高水平快速度的市場需求增長下,，不滿足于單晶硅高昂的生產(chǎn)成本，多晶硅光伏發(fā)電材料漸漸被研究人員重視,。

通過理論推算得到,，多晶硅光伏電池的光電效率的極限值為23%。在德國弗勞恩霍夫協(xié)會科學技術(shù)人員的努力下,，多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換率實現(xiàn)了20.3%的突破,，這也是目前多晶硅光電效率的最高紀錄。

2006年日本京瓷制成了電池效率達18.5%的15×15cm2的大面積多晶硅電池,，PECVD-SiN技術(shù)的應用達到了減反和鈍化雙重效果,。可以認為提高多晶硅光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵問題就是表面鈍化,、絨面結(jié)構(gòu)和晶粒邊界,。[2]

1.2  無機型

III-IV族化合物半導體光伏材料具有直接帶隙和擁有較寬的太陽光吸收波段等優(yōu)點，非常適合用于光伏發(fā)電材料,。此外,，地球礦物中上富含的Cu，In,，Se和Zn等元素,，可用材料來源廣，能夠有效控制生產(chǎn)成本,，加工效益高,。 基于這些因素,，太陽能電池主要研究人員和工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)開始關(guān)注無機型光伏發(fā)電材料。

銅銦硒太陽電池（CIS）作為一種多晶薄膜電池在20世紀80年代逐漸發(fā)展起來,。鑒于CIS電池其成本低,、效率高、非常類似于單晶硅太陽電池的穩(wěn)定性與空間抗輻射性等多種優(yōu)異特點,，受到了全世界光伏工作者普遍關(guān)注,。

德國太陽能技術(shù)研究所經(jīng)過10余年的研究，開發(fā)出了一種新技術(shù),，即新型薄膜太陽能電池,，該技術(shù)采用電沉積連續(xù)制備工藝，在銅箔上制作出了用于薄膜太陽能電池的帶卷,，再通過一種非常特別的封裝工藝組裝成具有柔軟特性的太陽能電池,。

日本研究所發(fā)明了一種低成本，安全耐用的復合物半導體薄膜作為吸收層,，替代原來的稀有金屬材料的CIS電池基,，利用太陽光譜頻寬提高轉(zhuǎn)換效率。[3]

此外,，以納米TiO2為主的薄膜太陽電池,，因為其工作原理獨特，生產(chǎn)成本低廉而引起了世界廣泛關(guān)注,。

1.3  有機型

在光伏領(lǐng)域,，出現(xiàn)了一種以有機材料為基礎的新的太陽能電池，被稱為“有機光伏”,。有機小分子太陽能光伏材料具有重量輕,、低成本、化學穩(wěn)定性好且制備方便等優(yōu)勢,，但其遷移率較低,。提高有機小分子光電材料的轉(zhuǎn)換效率是研究的重點。[6]

Janssen等首次將苝酰亞胺衍生物作為N型半導體材料,，以低聚亞苯基亞乙烯基(OPV)作為P型半導體材料,，制備了一類P-N交替的共聚物，然而該類材料的電荷傳輸速率低,。雖然苝二酰亞胺類材料具有在可見光區(qū)吸收強,、電子親和能較高、廉價,、光和熱穩(wěn)定性較高等優(yōu)點,，但其電荷傳輸效率低限制了其在聚合物太陽能電池方面的廣泛使用。

Zhang等將聚合物芳雜環(huán)受體EHH-PPyPzV與MEH-PPV共混制成本體異質(zhì)結(jié)電池，其光電轉(zhuǎn)換效率為0.03%,。由于載荷的傳輸能力較低,，器件的能量轉(zhuǎn)換效率還有待提高。[4]

1.4  新型光伏發(fā)電材料

1.4.1  石墨烯

石墨烯作為黑金材料在航天,、能源,、材料學等方面有著廣泛的應用前景，被視為未來的革命性材料,。石墨烯特有的二維結(jié)構(gòu)使其具有絕佳的導電性,、良好的的熱導率、極高的載流子遷移率以及極具發(fā)展前景的柔韌性,，使得石墨烯在光伏發(fā)電材料中成為了新一代的熱門研究方向,。

例如，新加坡國立大學的研究人員報道了一種采用石墨烯透明導電電極的有機太陽能電池,，系統(tǒng)地研究石墨烯的層數(shù)以及石墨烯摻雜對太陽能電池光伏性能的影響,。

清華大學的研究人員首次報道了將石墨烯薄膜覆蓋到n型硅片上制備了基于石墨烯的肖特基結(jié)太陽能電池，該器件具有明顯的光伏特性,，經(jīng)過測試,，其光電轉(zhuǎn)換效率達到了1.65%。

香港理工大學的研究人員將石墨烯薄膜覆蓋到n型砷化鎵基底上也構(gòu)建了基于石墨烯的肖特基結(jié)太陽能電池,。[5]

1.4.2  鈣鈦礦

在新概念太陽能電池中,，鈣鈦礦太陽能電池以其工藝簡單、質(zhì)量小,、價格低廉,、可彎曲性能好以及大面積制備等特點，成為目前研究的熱點,。因其理論極限高達50%的光電轉(zhuǎn)換效率而引起國內(nèi)外學術(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。[7]

在2009年,，日本的Miyasaka等研究人員首次報道了具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機-鉛鹵化物的光電轉(zhuǎn)化材料,。由該種材料制備而成的敏化太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率達到了3.81%,。

在2013年,，身為英國牛津大學教授的Snaith研發(fā)出一種新型的全固態(tài)鈣鈦礦太陽能電池中，在這種電池中,，其太陽能電池的吸光材料由有機金屬鹵化物鈣鈦礦結(jié)構(gòu)組成,。該項發(fā)明被認為是鈣鈦礦光伏發(fā)電材料領(lǐng)域的突破性新進展。

近年來，以有機-無機復合鈣鈦礦材料為代表的太陽能發(fā)電技術(shù)展現(xiàn)出了非常光明的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景,。[8]

2  光伏發(fā)電材料的發(fā)展前景

在目前太陽能發(fā)電市場,，電池材料是以硅材料為主的單晶、多晶硅占據(jù)主流市場份額,，但是硅材料本身在光伏發(fā)電領(lǐng)域仍舊存在許多問題,，因此一方面要尋找更為方便易行的硅材料提純技術(shù)，改進硅系光伏發(fā)電生產(chǎn)工藝,，另一方面應該發(fā)展非硅材料應用于光伏發(fā)電領(lǐng)域,。

太陽能材料研究對太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展起著決定性的作用。每一種新材料的出現(xiàn),，都給太陽電池及太陽能光電利用帶來一次變革,。因此，對于光伏發(fā)電材料,，應著重于解決以下問題：

（1）不斷改良與提升單晶,、多晶硅制備工藝，降低雜質(zhì)影響,，提升光電轉(zhuǎn)換效率,；

（2）發(fā)展新型光伏發(fā)電材料，如石墨烯,、鈣鈦礦及富勒烯等,，盡可能提升其光電轉(zhuǎn)換效率，達到工業(yè)化水平,，以補充當前太陽能市場硅材料的缺失,；

（3）電池的制作工藝、電池的使用壽命和穩(wěn)定性等有待進一步研究和提高,。

參考文獻

[1] 竇海林,，王波，張靖宇,，etal.太陽能光伏發(fā)電材料研究進展[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,，2016(12).

[2] 王英連.晶硅太陽電池的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].科技創(chuàng)新與應用，2018,，No.245(25):68-69+72.

[3] 殷志剛,，YINZhi-gang.太陽能光伏發(fā)電材料的發(fā)展現(xiàn)狀[J].可再生能源，2008,，26(5):17-20.

[4] 田娜,，馬曉燕，王毅霏,，etal.聚合物太陽能電池光伏材料的研究進展[J].高分子通報,，2011(2):85-91.

[5] 謝超. 基于石墨烯與硅納米結(jié)構(gòu)高性能光伏器件的構(gòu)造與光電性能研究[D].合肥工業(yè)大學,2014.

[6] 李彥芳.有機太陽能電池的性能優(yōu)化研究[D].天津理工大學,，2013.

[7] 楊東問.鈣鈦礦型光伏材料的優(yōu)化設計與物性研究[D].吉林大學，2018.

[8]李萌.高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池的研究[D].蘇州大學,，2018.

（中國粉體網(wǎng)編輯/漫道）

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