太阳能电池及关键材料的研究进展
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Ｈｅｅｇｅｒ等ｎ７３发现，聚乙炔用Ｉｚ、ＡｓＦｓ掺杂后电导率明显 增高。目前Ｐ３ＨＴ／ＰＣＢＭ体系最高的光电转化效率为 ４．ｏ％ｔ柚］。李永舫等［‘们使带双噻嗯乙烯撑边链的二维共轭聚 噻吩与ＰＣＢＭ共混时，能量转换效率达３．１８％。虽然聚合物 电池有着众多优点，但性能无法与传统太阳能电池相比。使
第１１期
甄 第３６卷第１１期 ２００８年１１月
化丁新型材料 ＮＥＷ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ
Ｖ０１．３６ Ｎｏ．１１ ·１·
太阳能电池及关键材料的研究进展
李 丽１’２ 张责友１ 陈人杰１’２ 陈 实１’２ 吴 锋１’２’ （１．北京理工大学化工与环境学院，北京１０００８１；２．国家高技术绿色材料发展中心，北京１０００８１）
多晶硅薄膜在长波段具有高光敏性，能有效吸收可见光 且光照稳定性强，是目前公认的高效率、低能耗的理想材 料。驯。
目前，商品多晶硅薄膜太阳能电池的转换效率约为１２％ ～１４％，产量占硅太阳能电池的５０％左右［Ⅱ］。德国费莱堡太 阳能研究所采用区域再结晶技术在Ｓｉ衬底上制得的电池转换 效率为１９％Ｌ２引。日本京工陶瓷公司研制的１５ｃｒｕＸ １５ｃｍ的电
基金项目：国家８６３项目（２００７ＡＡ０３２２２６）；国家重点９７３计划（２００２ＣＢ２１１８００） 作者简介：李丽（１９７７～），女，博士，副教授．硕士生导师，从事绿色二次电池及相关材料研究。
张贵友（１９８３～），男，硕士研究生，从事太阳能电池及相关材料制备研究。 联系人：吴锋（１９５１～）．男，教授，博士生导师。
万方ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ据
池转换效率也达到了１７％［１ ３｜。澳大利亚新南威尔士大学，采 用热交换法生长的多晶硅制备的电池，转换效率达到 １８．２％［３…。可以看出，多晶硅薄膜太阳能电池的发展很快，将 来可望使得光伏发电的成本能够与常规能源相竞争Ｌ３。３２］。 ３．３化合物薄膜太阳能电池 ３．３．１碲化镉太阳能电池
碲化镉（ＣｄＴｅ）材料成本低、效率高，且光谱响应与太阳 光谱十分吻合［３ａ－ａｏ］。薄膜的生长工艺主要有：丝网印刷烧结 法、近空间升华法、真空蒸发法等。碲化镉半导体光伏材料理 论转换效率为３０％。ＣｄＴｅ电池实验室效率１６．４％，大规模 生产的商业化电池平均效率８％～１０％［。７｜。四川大学制备出 的电池转换效率达１１．６％［３０‘。以ＣｄＴｅ吸收层，ＣｄＳ作窗口
层的结构为：减反射膜／玻璃／Ｓ如：Ｆ／ＣｄＳ／Ｐ－ＣｄＴｅ／背电极，
这种电池转换效率达１６％Ｌ３引。 ３．３．２砷化镓太阳能电池
１９５４年，首次发现砷化镓材料具有光生伏特效应，１９７４ 年砷化镓电池效率的理论值达２２％～２５％［３引。实验室条件 下在ＧａＡｓ单结电池效率已超过２５％ｍ］。目前研究的砷化镓 系列太阳能电池有单晶砷化镓、多晶砷化镓、镓铝砷一砷化镓异 质结、金属一半导体砷化镓、金属一绝缘体一半导体砷化镓等。材 料的制备类似于硅半导体的制备，有晶体生长法、直接拉制 法、气相生长法、液相外延法等。另外，ＩＩＩ－Ｖ族三、四元化合物 （ＧａＩｎＰ、ＡＩＧａｌｎＰ、ＧａｌｎＡｓ等）半导体材料的技术日益成熟，可 通过设计电池结构来提高效率和降低成本。双结电池的效率 最高为３０％，三结电池为３８％，四结电池为４ｌ％［４１｜。目前， 国外已将砷化镓太阳能电池作为航天１ｓ行器空间主电源，而 且砷化镓组件所占比例逐渐增大，目前已占９０％［．引。 ３．３．３铜铟硒太阳能电池
摘要人类面ｌｌ盏着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力，己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。近年 来，光伏市场快速发展并取得可喜的成就。本文主要就太阳能电池及关键材料，以及对各类太阳能电池的原理及发展状 况进行详细阐述，并对太阳能电池及其关键材料的市场发展方向进行了展望。
关键词太阳能电池，转换效率，晶体硅，薄膜
年伞球市场容量将增加到４００亿欧元［５］。到２０５０年，可再生 能源占总一次能源的５４％，其中太阳能的比例约为１３％～ １５％；到２１００年，可再生能源将占８６％，太阳能占６７％［引。据 美国华盛顿Ｗｏｒｌｄ ｗａｔｃｈ研究院于２００７年５月下旬的评估： 多品硅太阳能工业的成本将快速下降，这将使其成为今后几 年内的主流发电方，至２０１０年，成本将下降４０％以上，多晶硅 太阳能行业极有可能在２００８～２００９年重新进入黄金发展 期Ｌ“。
２．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｈｉ—ｔｅｃｈ Ｇｒｅｅｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８ １）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｐｅｏｐｌｅ ａｒｅ ｆａｃｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｗｏ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ，ｎａｍｅｌｙ，ｌｉｍｉｔｅｄ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｓｅｒｉｏｕｓ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ。ｗ１１ｉｃｈ ｂｅｃｏｍｅ ｈｕｇｅ ｓｏｃｉａｌ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｂｌｅｍ ｃａｌｌｉｎｇ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎｓ．Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ， ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｒａｐｉｄｌｙ，ａｎｄ ｈａｓ ｏｂｓｔａｉｎｅｄ ｅｎｃｏｕｒａｇｉｎｇ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎＬ Ｔｈｅ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ ｋｅｙ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｏｌａｒ ｃｅｉｌｓ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｉｔ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ
ｆｕｒｔｈｅｒ ｏｕｔｌｏｏｋ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ ｋｅｙ ｍａｔｅｒｉａｌ ｍａｒｋｅｔｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ，ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ，ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ
由于人类对可再生能源的不断需求，促使人们致力于开 发新型能源。太阳在４０ｒａｉｎ内照射到地球表面的能虽町供全 球目前能源消费的速度使用１年，合理的利用好太阳能将是 人类解决能源问题的长期发展战略，是其中最受瞩门的研究 热点之一［１｜。本文主要就太阳能电池及关键材料，以及对各 类太阳能电池的原理及发展状况进行详细阐述，并对太阳能 电池及其关键材料的市场发展进行展望。
多晶硅太阳能电池材料多半是含有大量单品颗粒的集合 体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成，在结晶 的质量及纯度等方面较低，所以效率也较低【ｌ９｜。目前大规模 工业化生产的多晶硅太阳能电池的转换效率已达到了１２％～ １４％的水平，实验窜最高转换效率为１８％［２０］。到２０１０年，多 晶硅产最将增加ｌ倍，预计多晶硅太阳能电池在未来仍然会 很快的发展［２１－２２Ｊ。
日本［４］从１９９１年开始到２００１年在建筑屋顶安装光伏系 统累计３３３ＭＷ，平均每年增长２０ＭＷ。美国Ｌ８ｊ １９８０年正式将 光伏发电列入公共电力规划，累计投资达８亿多美元，１９９７年 宣布“百万屋顶光伏计划”，到２０１０年将安装１０００～３０００ＭＷ 太阳电池。德国［４３从１９９９年启动“屋顶光伏”计划，当年安装 ７ＭＷ，２０００年３９ＭＷ，２００１年７７ＭＷ，到２００３年达到 ４０５Ｍｗ。２００２年，我国国家计委启动了“西部省区无电乡通 电计划”，光伏用量达到１６．５ＭＷ。２００６年我国产量达到 ４６０ＭＷ，比２００５年增加２８０％，可再生能源发展空间巨大［９］。
德国费莱堡太阳能研究所制得的电池转化效率超过 ２３％。ＢＰ Ｓｏｌａｒ公司采用ＵＮＳＷ开发的激光刻槽埋栅技术生 产出的电池平均效率达到１７％。印度物理研究所提出一种内 部光陷作用的高效硅太阳电池模型可将转换效率提高到 ２８．６％［１７－１８］。北京太阳能研究所研制的刻槽埋栅电极２ｃｒｕｘ ２ｅｍ晶体硅电池的转换效率达到１９．７９％【１｜。单品硅太阳能 电池转换效率最高，但对硅的纯度要求高，且复杂工艺和材料 价格等肉素致使成本较高。 ２．２多晶硅太阳能电池
万方数据
·２·
化工新型材料
第３６卷
我国政府规划目标是２０２０年太阳能电池安装要达到 １８００ＭＷ［１０］。．
２晶体硅太阳能电池
２．１单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电
池，以高纯的单品硅棒为原料，纯度要求９９．９９９％，其结构和 生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面［１卜１ ６｜。
铜铟硒太阳能电池是以铜、铟、硒三元化合物半导体为基 本材料制成的太阳能电池，是在玻璃或其它廉价衬底上沉积 若干层金属化合物的半导体薄膜，其厚度大约为２～３ｔａｎ，具 有成本低、性能稳定、抗辐射能力强等特性［４¨引。
日本昭和石油公司开发的面积为８６４ｃｒｎ２的电池转换效 率为１４．３％［３…。美国能源部可再生能源实验室研制出的 ＣＩＧＳ电池转换效率已达１９．２％［３”。尽管化合物半导体材料 的太阳能电池具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，但 是其所用的材料中大多有毒，且有的是稀元素，所以其发展已 受到很大限制。 ３．４聚合物薄膜太阳能电池
３薄膜太阳能电池
３．１非晶硅薄膜太阳能电池 ２０世纪７０年代Ｃａｒｌｓｏｎ等就已开始对非晶硅电池的研
制，相对于单晶硅太阳能电池，材料消耗少、电耗低、成本低。 非晶硅的光学带隙为１．７ｅＶ，对太阳辐射的长波区域不敏感， 还存在光致衰退Ｓｗ效应，可通过制备叠层太阳能电池缓解 这些问题Ｌ强２４］。
目前单结非晶硅太阳能电池转换效率已经超过 １２．５ｊｊ［２引。Ｓａｎｙｏ公司利用非晶硅沉积在绒面单晶硅片的两 面上，制备出１００ｍｍＸ １００ｍｍ的电池效率可达２１％，８００ｍｍ Ｘ１２００ｍｍ的电池效率可达１８．４％。日本钟渊化学工业公司 开发薄膜多晶硅与薄膜非晶硅叠合的混合型薄膜硅太阳能电 池，稳定效率为１１．５％Ｌ２引。国内耿新华等采用工业材料，制 备出面积为２０ｃｍＸ ２０ｃｍ的ａ－Ｓｉ／ａ－Ｓｉ叠层太阳能电池，转换 效率为８．２８％［２ ７｜。如能解决其稳定性等问题，则将在光伏产 业中占有越来越鼋要的地位。 ３．２多晶硅薄膜太阳能电池
Ｒ＆Ｄ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ ｋｅｙ ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｌｉ Ｌｉｌ·２ Ｚｈａｎｇ Ｏｕｉｙｏｕｌ Ｃｈｅｎ Ｒｅｎｊｉｅｌ·２ Ｃｈｅｎ Ｓｈｉｌ’２ Ｗｕ Ｆｅｎ９１，２
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１；
以聚合物为材料的太阳能电池是近些年开始的研究方 向，具有分子结构自行设计合成、易加工、毒性小、成本低等特 点“洲］。目前制作聚合物半导体层主要是：真空技术，主要包 括真空镀膜溅射和分子束外延牛长技术；溶液处理成膜技术， 主要有电化学沉积技术、铸膜技术、分子组装技术、印刷技术 等；单晶技术，主要有电化学法、扩散法和气相法［１８］。
１太阳能电池的发展概况
自１９５４年在美国贝尔实验室［２］成功研制出来第１块单 晶硅太阳能电池以来，开启了人类对太阳能在发电方面使用 的一扇大门。１ ９５８年太阳电池首先在航天器上得到应用。２０ 世纪７０年代初，硅太阳电池开始在地面应用。从８０年代起， 太阳能电池效率大幅度提高，生产成本进一步降低［３］。从 １９９０年到２０００年，光伏组件的销售每年平均以２０％的速率 增长，特别是从１９９７年以来，年增长速度上升到３０％ｎ］。近５ 年期间，世界光伏市场以平均每年４０％的幅度增加，到２０１０
李丽等：太阳能电池及关键材料的研究进展
·３·
其性能降低的因素很多，如水和氧对光敏层组分的氧化作用、 共轭聚合物和铝电极之间所起的光致还原反应、光辐照所引 起的聚合物降解等［５…。需要解决的问题：迁移率低、吸光率 低，给体与受体材料界面的合适度等。未来研究应该是：提高 材料的电导率，提高成膜技术、器件制作工艺水平和开发新型 的材料等［５“。 ３．５染料敏化纳米晶太阳能电池
第１１期
甄 第３６卷第１１期 ２００８年１１月
化丁新型材料 ＮＥＷ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ
Ｖ０１．３６ Ｎｏ．１１ ·１·
太阳能电池及关键材料的研究进展
李 丽１’２ 张责友１ 陈人杰１’２ 陈 实１’２ 吴 锋１’２’ （１．北京理工大学化工与环境学院，北京１０００８１；２．国家高技术绿色材料发展中心，北京１０００８１）
多晶硅薄膜在长波段具有高光敏性，能有效吸收可见光 且光照稳定性强，是目前公认的高效率、低能耗的理想材 料。驯。
目前，商品多晶硅薄膜太阳能电池的转换效率约为１２％ ～１４％，产量占硅太阳能电池的５０％左右［Ⅱ］。德国费莱堡太 阳能研究所采用区域再结晶技术在Ｓｉ衬底上制得的电池转换 效率为１９％Ｌ２引。日本京工陶瓷公司研制的１５ｃｒｕＸ １５ｃｍ的电
基金项目：国家８６３项目（２００７ＡＡ０３２２２６）；国家重点９７３计划（２００２ＣＢ２１１８００） 作者简介：李丽（１９７７～），女，博士，副教授．硕士生导师，从事绿色二次电池及相关材料研究。
张贵友（１９８３～），男，硕士研究生，从事太阳能电池及相关材料制备研究。 联系人：吴锋（１９５１～）．男，教授，博士生导师。
万方ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ据
池转换效率也达到了１７％［１ ３｜。澳大利亚新南威尔士大学，采 用热交换法生长的多晶硅制备的电池，转换效率达到 １８．２％［３…。可以看出，多晶硅薄膜太阳能电池的发展很快，将 来可望使得光伏发电的成本能够与常规能源相竞争Ｌ３。３２］。 ３．３化合物薄膜太阳能电池 ３．３．１碲化镉太阳能电池
碲化镉（ＣｄＴｅ）材料成本低、效率高，且光谱响应与太阳 光谱十分吻合［３ａ－ａｏ］。薄膜的生长工艺主要有：丝网印刷烧结 法、近空间升华法、真空蒸发法等。碲化镉半导体光伏材料理 论转换效率为３０％。ＣｄＴｅ电池实验室效率１６．４％，大规模 生产的商业化电池平均效率８％～１０％［。７｜。四川大学制备出 的电池转换效率达１１．６％［３０‘。以ＣｄＴｅ吸收层，ＣｄＳ作窗口
层的结构为：减反射膜／玻璃／Ｓ如：Ｆ／ＣｄＳ／Ｐ－ＣｄＴｅ／背电极，
这种电池转换效率达１６％Ｌ３引。 ３．３．２砷化镓太阳能电池
１９５４年，首次发现砷化镓材料具有光生伏特效应，１９７４ 年砷化镓电池效率的理论值达２２％～２５％［３引。实验室条件 下在ＧａＡｓ单结电池效率已超过２５％ｍ］。目前研究的砷化镓 系列太阳能电池有单晶砷化镓、多晶砷化镓、镓铝砷一砷化镓异 质结、金属一半导体砷化镓、金属一绝缘体一半导体砷化镓等。材 料的制备类似于硅半导体的制备，有晶体生长法、直接拉制 法、气相生长法、液相外延法等。另外，ＩＩＩ－Ｖ族三、四元化合物 （ＧａＩｎＰ、ＡＩＧａｌｎＰ、ＧａｌｎＡｓ等）半导体材料的技术日益成熟，可 通过设计电池结构来提高效率和降低成本。双结电池的效率 最高为３０％，三结电池为３８％，四结电池为４ｌ％［４１｜。目前， 国外已将砷化镓太阳能电池作为航天１ｓ行器空间主电源，而 且砷化镓组件所占比例逐渐增大，目前已占９０％［．引。 ３．３．３铜铟硒太阳能电池
摘要人类面ｌｌ盏着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力，己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。近年 来，光伏市场快速发展并取得可喜的成就。本文主要就太阳能电池及关键材料，以及对各类太阳能电池的原理及发展状 况进行详细阐述，并对太阳能电池及其关键材料的市场发展方向进行了展望。
关键词太阳能电池，转换效率，晶体硅，薄膜
年伞球市场容量将增加到４００亿欧元［５］。到２０５０年，可再生 能源占总一次能源的５４％，其中太阳能的比例约为１３％～ １５％；到２１００年，可再生能源将占８６％，太阳能占６７％［引。据 美国华盛顿Ｗｏｒｌｄ ｗａｔｃｈ研究院于２００７年５月下旬的评估： 多品硅太阳能工业的成本将快速下降，这将使其成为今后几 年内的主流发电方，至２０１０年，成本将下降４０％以上，多晶硅 太阳能行业极有可能在２００８～２００９年重新进入黄金发展 期Ｌ“。
２．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｈｉ—ｔｅｃｈ Ｇｒｅｅｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８ １）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｐｅｏｐｌｅ ａｒｅ ｆａｃｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｗｏ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ，ｎａｍｅｌｙ，ｌｉｍｉｔｅｄ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｓｅｒｉｏｕｓ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ。ｗ１１ｉｃｈ ｂｅｃｏｍｅ ｈｕｇｅ ｓｏｃｉａｌ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｂｌｅｍ ｃａｌｌｉｎｇ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎｓ．Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ， ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｒａｐｉｄｌｙ，ａｎｄ ｈａｓ ｏｂｓｔａｉｎｅｄ ｅｎｃｏｕｒａｇｉｎｇ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎＬ Ｔｈｅ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ ｋｅｙ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｏｌａｒ ｃｅｉｌｓ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｉｔ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ
ｆｕｒｔｈｅｒ ｏｕｔｌｏｏｋ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ ｋｅｙ ｍａｔｅｒｉａｌ ｍａｒｋｅｔｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ，ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ，ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ
由于人类对可再生能源的不断需求，促使人们致力于开 发新型能源。太阳在４０ｒａｉｎ内照射到地球表面的能虽町供全 球目前能源消费的速度使用１年，合理的利用好太阳能将是 人类解决能源问题的长期发展战略，是其中最受瞩门的研究 热点之一［１｜。本文主要就太阳能电池及关键材料，以及对各 类太阳能电池的原理及发展状况进行详细阐述，并对太阳能 电池及其关键材料的市场发展进行展望。
多晶硅太阳能电池材料多半是含有大量单品颗粒的集合 体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成，在结晶 的质量及纯度等方面较低，所以效率也较低【ｌ９｜。目前大规模 工业化生产的多晶硅太阳能电池的转换效率已达到了１２％～ １４％的水平，实验窜最高转换效率为１８％［２０］。到２０１０年，多 晶硅产最将增加ｌ倍，预计多晶硅太阳能电池在未来仍然会 很快的发展［２１－２２Ｊ。
日本［４］从１９９１年开始到２００１年在建筑屋顶安装光伏系 统累计３３３ＭＷ，平均每年增长２０ＭＷ。美国Ｌ８ｊ １９８０年正式将 光伏发电列入公共电力规划，累计投资达８亿多美元，１９９７年 宣布“百万屋顶光伏计划”，到２０１０年将安装１０００～３０００ＭＷ 太阳电池。德国［４３从１９９９年启动“屋顶光伏”计划，当年安装 ７ＭＷ，２０００年３９ＭＷ，２００１年７７ＭＷ，到２００３年达到 ４０５Ｍｗ。２００２年，我国国家计委启动了“西部省区无电乡通 电计划”，光伏用量达到１６．５ＭＷ。２００６年我国产量达到 ４６０ＭＷ，比２００５年增加２８０％，可再生能源发展空间巨大［９］。
德国费莱堡太阳能研究所制得的电池转化效率超过 ２３％。ＢＰ Ｓｏｌａｒ公司采用ＵＮＳＷ开发的激光刻槽埋栅技术生 产出的电池平均效率达到１７％。印度物理研究所提出一种内 部光陷作用的高效硅太阳电池模型可将转换效率提高到 ２８．６％［１７－１８］。北京太阳能研究所研制的刻槽埋栅电极２ｃｒｕｘ ２ｅｍ晶体硅电池的转换效率达到１９．７９％【１｜。单品硅太阳能 电池转换效率最高，但对硅的纯度要求高，且复杂工艺和材料 价格等肉素致使成本较高。 ２．２多晶硅太阳能电池
万方数据
·２·
化工新型材料
第３６卷
我国政府规划目标是２０２０年太阳能电池安装要达到 １８００ＭＷ［１０］。．
２晶体硅太阳能电池
２．１单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电
池，以高纯的单品硅棒为原料，纯度要求９９．９９９％，其结构和 生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面［１卜１ ６｜。
铜铟硒太阳能电池是以铜、铟、硒三元化合物半导体为基 本材料制成的太阳能电池，是在玻璃或其它廉价衬底上沉积 若干层金属化合物的半导体薄膜，其厚度大约为２～３ｔａｎ，具 有成本低、性能稳定、抗辐射能力强等特性［４¨引。
日本昭和石油公司开发的面积为８６４ｃｒｎ２的电池转换效 率为１４．３％［３…。美国能源部可再生能源实验室研制出的 ＣＩＧＳ电池转换效率已达１９．２％［３”。尽管化合物半导体材料 的太阳能电池具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，但 是其所用的材料中大多有毒，且有的是稀元素，所以其发展已 受到很大限制。 ３．４聚合物薄膜太阳能电池
３薄膜太阳能电池
３．１非晶硅薄膜太阳能电池 ２０世纪７０年代Ｃａｒｌｓｏｎ等就已开始对非晶硅电池的研
制，相对于单晶硅太阳能电池，材料消耗少、电耗低、成本低。 非晶硅的光学带隙为１．７ｅＶ，对太阳辐射的长波区域不敏感， 还存在光致衰退Ｓｗ效应，可通过制备叠层太阳能电池缓解 这些问题Ｌ强２４］。
目前单结非晶硅太阳能电池转换效率已经超过 １２．５ｊｊ［２引。Ｓａｎｙｏ公司利用非晶硅沉积在绒面单晶硅片的两 面上，制备出１００ｍｍＸ １００ｍｍ的电池效率可达２１％，８００ｍｍ Ｘ１２００ｍｍ的电池效率可达１８．４％。日本钟渊化学工业公司 开发薄膜多晶硅与薄膜非晶硅叠合的混合型薄膜硅太阳能电 池，稳定效率为１１．５％Ｌ２引。国内耿新华等采用工业材料，制 备出面积为２０ｃｍＸ ２０ｃｍ的ａ－Ｓｉ／ａ－Ｓｉ叠层太阳能电池，转换 效率为８．２８％［２ ７｜。如能解决其稳定性等问题，则将在光伏产 业中占有越来越鼋要的地位。 ３．２多晶硅薄膜太阳能电池
Ｒ＆Ｄ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ ｋｅｙ ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｌｉ Ｌｉｌ·２ Ｚｈａｎｇ Ｏｕｉｙｏｕｌ Ｃｈｅｎ Ｒｅｎｊｉｅｌ·２ Ｃｈｅｎ Ｓｈｉｌ’２ Ｗｕ Ｆｅｎ９１，２
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１；
以聚合物为材料的太阳能电池是近些年开始的研究方 向，具有分子结构自行设计合成、易加工、毒性小、成本低等特 点“洲］。目前制作聚合物半导体层主要是：真空技术，主要包 括真空镀膜溅射和分子束外延牛长技术；溶液处理成膜技术， 主要有电化学沉积技术、铸膜技术、分子组装技术、印刷技术 等；单晶技术，主要有电化学法、扩散法和气相法［１８］。
１太阳能电池的发展概况
自１９５４年在美国贝尔实验室［２］成功研制出来第１块单 晶硅太阳能电池以来，开启了人类对太阳能在发电方面使用 的一扇大门。１ ９５８年太阳电池首先在航天器上得到应用。２０ 世纪７０年代初，硅太阳电池开始在地面应用。从８０年代起， 太阳能电池效率大幅度提高，生产成本进一步降低［３］。从 １９９０年到２０００年，光伏组件的销售每年平均以２０％的速率 增长，特别是从１９９７年以来，年增长速度上升到３０％ｎ］。近５ 年期间，世界光伏市场以平均每年４０％的幅度增加，到２０１０
李丽等：太阳能电池及关键材料的研究进展
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其性能降低的因素很多，如水和氧对光敏层组分的氧化作用、 共轭聚合物和铝电极之间所起的光致还原反应、光辐照所引 起的聚合物降解等［５…。需要解决的问题：迁移率低、吸光率 低，给体与受体材料界面的合适度等。未来研究应该是：提高 材料的电导率，提高成膜技术、器件制作工艺水平和开发新型 的材料等［５“。 ３．５染料敏化纳米晶太阳能电池