高效新型太阳能电池

第四节　高效新型太阳能电池

一、太阳能利用方式

太阳能利用的基本方式有光热利用、太阳能发电、光化利用、光生物利用等4种。

（一）光热利用

光热利用的基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过其与物质的相互作用将其转换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热器等3种。通常根据所能达到的温度和用途的不同，把太阳能光热利用分为低温利用（小于200摄氏度）、中温利用（200～800摄氏度）和高温利用（大于800摄氏度）。目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等，中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等，高温利用主要有高温太阳炉等。

（二）太阳能发电

未来太阳能的大规模利用方式是发电。利用太阳能发电的方式有多种。目前已实用的主要有以下两种。

1．光―热―电转换

美国的太阳能发电机

光―热―电转换是指利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换到蒸汽中，然后由蒸汽驱动汽轮机带动发电机发电。前一过程为光―热转换，后一过程为热―电转换。

2．光―电转换

光―电转换的基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。

（三）光化利用

光化利用是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光化学转换方式。

（四）光生物利用

光生物利用是通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成生物质的过程。目前主要有速生植物（如薪炭林）、油料作物和巨型海藻等。

二、高光电转换效率太阳能电池

目前市场上一般的单晶与多晶硅太阳能电池，平均光电转换效率在15%上下。也就是说，这样的太阳能电池只能将15%的入射太阳光能转换成可用电能，其余的85%都浪费成无用的热能。所以严格地说，现今的太阳能电池，也是某种形式的“浪费能源”。当然，理论上只要能有效地抑制太阳能电池内载子和声子的能量交换，即有效地抑制载子能带内或能带间的能量释放，就能有效地避免太阳能电池内无用的热能的产生，大幅提高太阳能电池的光电转换效率，甚至达到超高效率的运作。在实际的技术上，可以用不同的方法来执行这样的理论构想。高光电转换效率太阳能电池（第三代太阳能电池）除了通过运用新颖的元件结构设计，以突破其物理限制来实现外，也有可能通过新材料的引进，使光电转换效率大幅增加而达成。

（一）硅太阳能电池

硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

单晶硅太阳能电池光电转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的光电转换效率可超过24%，规模生产时的光电转换效率也可达15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位。但由于单晶硅成本高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜太阳能电池作为单晶硅太阳能电池的替代产品。

多晶硅薄膜太阳能电池

多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅太阳能电池相比，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜太阳能电池，其实验室最高光电转换效率约为18%，工业规模生产的光电转换效率可达10%。因此，多晶硅薄膜太阳能电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。

非晶硅薄膜太阳能电池成本低，重量轻，光电转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电转换效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题并提高其光电转换效率，那么非晶硅薄膜太阳能电池无疑将是太阳能电池的主要发展产品之一。

（二）仿生太阳能电池

1．利用纳米材料“再造”叶绿体，低成本实现光能发电

叶绿体是植物进行光合作用的场所，能将太阳的光能有效转化成化学能。科学家“再造”叶绿体，并非在植物体外“拷贝”了一个叶绿体，而是研制出一种与叶绿体结构相似的新型电池——染料敏化太阳能电池，尝试将光能转化成电能。染料敏化太阳能电池有类似三明治的结构——中空玻璃夹着一层纳米“夹心”。纳米“夹心”的“配方”十分独特：染料充当“捕光手”，纳米二氧化钛则是“光电转换器”。为了让染料尽可能多“吃”太阳光，科研人员还别出心裁地撒了点“佐料”——一种由纳米荧光材料制成的量子点，让不同波长的阳光都能对上“捕光手”的“胃口”。只要不断改进“配方”，纳米“夹心”的光电转换效率就能一次次提高。

染料敏化太阳能电池的最大吸引力在于廉价的原材料和简单的制作工艺。据估算，染料敏化太阳能电池的成本仅相当于硅太阳能电池的1/10。同时，它对光照条件要求不高，即便在阳光不太充足的室内，其光电转换效率也不会受到太大影响。另外，它还有许多有趣的用途。比如，用塑料替代玻璃“夹板”，就能制成可弯曲的柔性电池；将它做成显示器，就可一边发电，一边发光，实现能源自给自足。

染料敏化电池的研究最早可以追溯到19世纪早期的照相术。1887年，科学家将染料敏化效应用到卤化银电极上，从而将染料敏化的概念从照相术领域延伸到光电化学领域。1991年，瑞士科学家使用了比表面积很大的纳米二氧化钛颗粒，使电池的光电转换效率一举达到7．1%，取得了染料敏化太阳能电池领域的重大突破。

最近，研究人员合成了一种新的光敏染料，能大大增强太阳能电池和氢燃料电池的能量转换效率。

该染料产生电力的方式是，当太阳光照射到染料时，太阳光蕴含的能量会“敲击”染料中松散的电子，这些电子通过太阳能电池并形成电流。

科学家已在实验室测试中证明，该染料能够更好地吸收太阳光，同时更有效地运送电子。

这种染料一旦商业化生产，将成为一项物美价廉的基础性技术，有助于研发出更好的商业技术来制备太阳能电池。

2．模仿大黄蜂吸收太阳能

以色列特拉维夫大学的研究人员证实，植物并不是唯一可利用太阳光能源的生物有机体，东方大黄蜂也可以做到。东方大黄蜂在下午较为活跃，在黄蜂和蜜蜂中，这种行为并不寻常，它们通常在太阳升起时最为活跃。东方大黄蜂在太阳光最猛烈的时候暴露在紫外线下，而且工作得特别勤快。东方大黄蜂腹部的黄色和褐色条纹，让它能够吸收太阳光的能量。它的外骨骼由褐色的微型沟槽构成，可将阳光变为发散光束。黄色条纹凹陷的小孔可以吸收太阳光，并将它存储于色素中。

东方大黄蜂还拥有发达的热泵系统，原理类似冰箱、冰柜和空调，当它吸收太阳能时可令其体温比外面的温度低。但科学家同时表示，模仿此过程并不容易。研究人员试图按东方大黄蜂身体结构造一个副本，以模仿其吸取太阳能的过程，但未能达到像东方大黄蜂那样的高太阳能吸收率。科学家将进一步改善模型，以确定是否可从东方大黄蜂身上获得新的可再生能源获取方法。

东方大黄蜂腹部的黄色和褐色条纹，让它可吸收太阳光能

（三）有机薄膜太阳能电池

有机薄膜太阳能电池是使用有机半导体的PN结型太阳能电池。它使用N型和P型有机半导体，利用光照射PN结产生电位差。

有机薄膜太阳能电池使用的有机半导体既有高分子类又有低分子类，制膜方法有蒸镀法和涂布法。其中，可行性最高的是使用高分子有机半导体的涂布法。涂布法可采用卷对卷等大量生产方式，有利于降低成本和缩短加工时间。

1．相关研究愈发活跃

近年来，使用涂布型高分子有机半导体的有机薄膜太阳能电池的研发愈发活跃。比如，日本的产业技术综合研究所已经宣布，试制出了使用高分子有机半导体的有机薄膜太阳能电池，光电转换效率达到3．8%。日本三菱化学公司等开发出了用四苯基卟啉作P型有机半导体、用富勒烯诱导体作N型半导体的涂布转换型有机薄膜太阳能电池。四苯基卟啉的前驱体可以溶于溶剂制成墨水，涂布后加热可转换成具有半导体特性的结构。通过使用四苯基卟啉前驱体和富勒烯诱导体，制成了不同于低分子蒸镀和高分子涂布的全球首款涂布转换型有机薄膜太阳能电池。

提高转换效率的研究成果也不断涌现。世界各国的研究机构一直在积极致力于提高有机薄膜太阳能电池光电转换效率的研究。2007年7月，美国加利福尼亚大学在《科学》杂志上发表文章，称其单元光电转换效率全球最高，达6．5%。日本住友化学公司也于2009年2月宣布，该公司的有机薄膜太阳能电池的光电转换效率达到了6．5%。科学家预计，2015年前后，光电转换效率可达到7%。

2．新的碳材料可降低电池成本

美国马萨诸塞理工学院的研究人员提出了一种可在有机薄膜太阳能电池上使用的新材料，由此可让这种电池更加实用，并且价格低廉。有机薄膜太阳能电池被视为是硅太阳能电池费用低廉的替代产品，这是因为其使用含碳化合物，而不是高纯度的硅。

电极的标准材料是铟锡氧化物，其价格非常昂贵并且稀少。因此，马萨诸塞理工学院的研究人员提出了一种由石墨薄膜制成的替代产品。

石墨是碳的一种单质。在石墨薄膜的构造中，原子经过排列形成一个原子厚度的薄膜。

石墨薄膜电极与铟锡氧化物电极在太阳能电池的总体性能上是非常相似的。但石墨薄膜是透明的，因此由这种材料制成的电极可应用于透明太阳能电池，在这种情况下，就不会阻挡太阳光。它也是柔性的，因此能够让有机薄膜太阳能电池紧贴建筑结构的外形，实现太阳能电池建筑一体化。

石墨薄膜是原子经过排列形成一个原子厚度的薄膜

3．物理学家发现结晶红荧烯可大幅提高光电转换效率

美国物理学家们在一种有机半导体材料中发现了可能导向高效低价的塑料太阳能电池的新属性——在结晶红荧烯中激子的运行距离要比在其他有机半导体中大1000倍。激子是由一个电子和一个电子空穴组成的，是在半导体材料吸收了光子或光电子时形成的。它们撞击半导体边界或半导体结时会生成光电压，这就是太阳能装备发电的原理。

一般来说，激子在有机半导体中只能运行不到20纳米，这使有机半导体与硅或镓砷化物之类的无机太阳能电池材料相比，处于不利地位。如果激子只能传播几十纳米，那么仅最接近边界的激子才能生成光电压，造成目前有机薄膜太阳能电池的光电转换效率较低。

然而，结晶红荧烯中的激子能够运行得更远，因此能生成更多的光电压，从而得到更高的光电转换效率。由于激子不带电，所以用传统的方法很难衡量。研究者们开发了一种基于光谱学的技术手段，称为偏振解析光电流波谱，以此来分离红荧烯表面的激子，以显示大的光电流。

（四）多带型太阳能电池

据报道，美国劳伦斯伯克利国家实验室一个研究小组，用一种镓氮砷合金和简单的组合方法，使他们制造的多带型太阳能电池光电转换效率达到40%以上。

在标准半导体太阳能电池中，带隙将电池分成导带和价带，靠光子激发带隙两边的电子—空穴对来产生电流。只有能量超过带隙的光子能产生电流，这导致了太阳能能量转化的门槛：小的带隙能吸收更多光子，产生更大电流但电压不足；而大的带隙能产生更大电压，但大部分太阳光子不能被吸收，因此电流有限。

这一门槛意味着，要让太阳能电池更高效，必须在不同的板层用不同的带隙进行复杂的叠装，让电池不同部分吸收不同的太阳光谱。研究人员称，其他高效太阳能电池形成不同带隙时用了多种半导体材料，而他们开发的半导体非常简单，只含有一种镓氮砷合金材料，却形成了多种带隙。

研究人员表示，用镓氮砷合金制造的太阳能电池比目前能达到40%光电转换效率的其他电池更加简单，更容易制造，应用前景更为广阔，在成本上也更低廉。该合金可通过有机金属化学气相沉积而成。这是一种常见的半导体生产过程，其中的原子薄层沉积为半导体晶片。

这种新的合金，还可利用整个太阳的频谱辐射，包括低能量的红外线和高能量的紫外线。

合金中具有对整个太阳光谱敏感的第三中间带。中间带必须不具电荷，以防止短路。

（五）微型发光光伏太阳能电池板

美国桑迪亚国家实验室的科学家已经开发出微型发光光伏太阳能电池板，该电池板如果附着到服装上，可以将穿着该衣服的人变成行走的太阳能充电器。

14至20微米厚微型太阳能电池板

人的头发的直径大约是70微米，而这种电池板的厚度仅为14至20微米。这使得该电池板比传统的太阳能电池板要薄很多。有意思的是，微型发光光伏电池板的光电转换效率很高，甚至比目前一般厚度的太阳能电池板性能更出众。更重要的是，该电池板预计售价将低于通常的太阳能电池板，故有望应用到新的领域，如卫星和遥感等领域。

（六）聚合物太阳能电池

聚合物太阳能电池，迄今为止以原料价格低廉、生产工艺相对简单、可以大面积制造等为特点。同时，各种各样日臻成熟的制备聚合物薄膜的方法的出现，亦为电池的制备提供了有力的支撑。这就使得聚合物太阳能电池研究成为目前太阳能电池研究领域的热点之一。

科学家对聚合物太阳能电池，从理论和实验两方面进行了有益的探索。在理论上，科学家利用光学干涉效应、电荷漂移和扩散理论，建立了等效电路模型、光子吸收模型、载流子输运模型和输出特性仿真系统；在实验上，科学家系统研究了电池材料给体受体的混合比例、成膜选择的溶剂，以及对复合体膜进行热处理和增加缓冲层等对有机太阳能电池光电转换效率的影响，得到了具有实际指导意义和理论参考价值的结果。

1．中国科学院化学研究所取得新突破

聚合物太阳能电池一般由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的共混膜夹在ITO透明正极和金属负极之间而成，具有结构和制备过程简单、成本低、重量轻、可制备成柔性器件等突出优点，近年来成为国内外研究热点。结构规整的聚3己基噻吩（P3HT）和可溶性富勒烯衍生物PCBM是最具代表性的给体和受体光伏材料。基于P3HT/PCBM的光伏器件光电转换效率能稳定达到3．5%～4．0%，使这一体系成为聚合物太阳能电池研究的标准体系。但P3HT/PCBM体系也存在电子能级匹配性不好（P3HT的HOMO能级太高或者说PCBM的LUMO能级太低）的问题，这导致了器件的开路电压较低，只有0．6伏左右，限制了其光电转换效率的进一步提高。

中国科学院化学研究所的科研人员从2009年开始开展新型富勒烯衍生物受体光伏材料的研究。他们首先研究了PCBM取代基上中间碳链长度对光伏性能的影响，发现中间碳链短一个碳或长两个碳的富勒烯衍生物的光伏性能比PCBM稍优。接着他们合成了一种茚双加成富勒烯衍生物ICBA，其LUMO能级较PCBM上移0．17电子伏。为了改进富勒烯衍生物可见光区吸收较弱的缺点，他们又合成了在可见光区具有较强吸收的茚双加成富勒烯衍生物IC70BA，IC70BA的LUMO能级较PCBM上移0．19电子伏，基于P3HT/IC70BA的光伏器件光电转换效率达到5．64%。

最近，他们对以P3HT为给体、ICBA为受体的光伏器件进行了进一步的优化，在给体与受体质量比为1∶1、150摄氏度热处理10分钟的器件制

富勒烯

备条件下，聚合物太阳能电池光电转换效率达到6．48%，而开路电压、填充因子也都是基于P3HT的聚合物太阳能电池文献报道中的最高值。

另外，通过合作，他们制备了以P3HT/ICBA为活性层的反向结构的聚合物太阳能电池，通过使用一种可交联的富勒烯衍生物作为负极修饰层，器件的光电转换效率也超过了6%，达到6．22%，这是反向结构聚合物太阳能电池光电转换效率的最高值。

由于P3HT具有易合成、成本低以及反向结构器件稳定性高等突出优点，这一结果对于聚合物太阳能电池的实际应用具有重要意义。

2．电池结构问题导致光电转换效率偏低

美国和英国的研究人员指出了太阳能电池的结构是聚合物太阳能电池所固有的光电转换效率低的原因。

聚合物太阳能电池由来自两种不同的导电塑料的互相穿透的薄层结构构成。它们是通过在聚合物基上沉积或印刷半导体材料生产出来的。然而，这些电池还没有很好的成本效益，因为它们的光电转换效率只有约3%，而现有的太阳能电池的光电转换效率在15%～20%。太阳能电池要有足够的厚度以吸收来自太阳的光子，但同时结构也要求足够小，以使捕获到的能量——激子——能够运动到电荷分离并转换成电能的位置。然而，在聚合物太阳能电池中，激子须运动的路程太远，两种不同塑料之间的接口太粗糙，无法有效地分离电荷，能量就这样丢失了。为了让聚合物太阳能电池的光电转换效率最高，吸收光子的那一层的厚度必须为150纳米到200纳米。同时，所产生的激子在电荷分离前的移动距离应不超过10纳米。

然而，聚合物太阳能电池目前的构造方式阻碍了这一进程。在目前的全聚合物系统中，激子必须移动的最小距离为80纳米。这就要求科学家必须找到可以提供更小的结构和更清晰的接口的新的制造方法。

3．柔性聚合物太阳能电池

美国加利福尼亚大学伯克利分校的科学家发明了一种新型柔性聚合物太阳能电池，它可广泛应用于各种电子仪器。

据悉，这种新型电池用直径仅为7纳米的硒化镉纳米棒将吸收的太阳光转变成电子。实验中，科学家将长度为60纳米的纳米棒放在聚合物半导体薄层里，聚合物放在电极之间，整个装置厚度为200纳米，只有传统硅太阳能电池厚度的1/10。

目前使用的高性能太阳能电池需要复杂的生产工艺才能制造出来，因此，生产成本十分高昂，而柔性聚合物太阳能电池可直接将太阳能收集到聚合物材料中，从而使生产成本大幅度下降。科学家十分看好这种柔性聚合物太阳能电池的应用前景。

这种新型太阳能电池仍处于研制初期，其光电转换效率只有1.7%，另外，产生的电压也还太小。科学家打算通过改善纳米棒和聚合物特性的方法，进一步完善新型柔性聚合物太阳能电池的性能。

（七）串叠型电池

串叠型电池是一种采用新颖原件结构的电池，通过设计多层不同能隙的太阳能电池来达到吸收效率最大化的结构设计。目前由理论计算可知，如果在结构中放入的电池层数越多，电池光电转换效率也将越高，甚至可达到50%。

（八）球形太阳能电池

日本科学家早在2007年就研发出了一种球形太阳能电池。据悉，球形太阳能电池其实是直径为1.8毫米的固体硅单元，高度透明，可安置在不同的节能设备上。独特的外观设计使它可以接收来自不同角度的光线。反射光、散射光都会被最大程度吸收，这也使得它比平板太阳能面板更加高效。据介绍，球形太阳能电池的生产成本只是传统平板太阳能面板的一半。

这种球形太阳能电池可用于各种弯曲表面，其高透明度使它成为太阳能窗户、屋顶的好材料，既能发电又能作为装饰用，真是一举两得。

弯曲太阳能电池

（九）可印在纸上的太阳能电池

马萨诸塞理工学院研究人员展示了一种新型印刷技术，该技术能将太阳能电池印制到薄薄的、柔软的材料（如普通卫生纸）上。尽管用卫生纸做基底不像实际的太阳能设备那么高效，但该技术是低成本印制技术，可广泛用于各种材料的多元化体现。

该技术被称为氧化化学气相淀积，该技术将原料单体和氧化剂汽化后喷在基底材料上，单体和氧化剂相遇后聚合形成一种PEDOT薄膜。PEDOT薄膜能导电，通过控制基底温度，形成很小的纳米微孔，能紧密固定导电性能更高的银粒子，可将PEDOT薄膜的导电性能提高1000倍。

研究人员在各种柔软脆弱的材料上展示了这种太阳能电池印制技术。比如餐馆里用来做春卷的糯米纸，湿润时容易损坏，而新技术是免溶剂的干燥法，印制后糯米纸也能保持完整无缺。他们还在塑料纱纶包上演示了新的印制技术，这种材料不吸水，采用一般工艺很难在上面涂写印刷。

印制太阳能电池能对抗大幅度弯曲拉伸。研究人员在实验中将一片塑料基底材料弯曲到半径不到5毫米，发现其光电转换效率仍能达到未弯曲时的99%。电极也能在弯曲拉伸中保持导电性。

为进一步显示该技术的坚固性，研究人员将一张印制好的太阳能电池纸折成了纸飞机，即使这样，纸飞机仍能产生电流。

研究人员指出，因不透明，纸并非最理想的光电基底材料。但对于广泛制造太阳能电池来说，寻找一种低成本、柔软灵活、有弹性的材料非常有意义。