梁啟超，喬 芬，楊 健，姜言森，徐 謙，王 謙

(1.江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)(2.山東力諾光伏集團(tuán)，山東 濟(jì)南 250103)(3.江蘇大學(xué)能源研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

1 前 言

由于化石能源的日益枯竭，急需尋找替代能源來滿足社會發(fā)展需求。在此背景下進(jìn)行可再生能源的開發(fā)和利用則顯得尤為重要。通常在評判可再生能源時所參考的依據(jù)為：一是要求能源來源廣泛且易于獲?。欢且忻黠@的安全和技術(shù)保障。太陽能來源廣泛且發(fā)電技術(shù)與現(xiàn)有的電力技術(shù)完全兼容，同時又呈現(xiàn)很高的安全保障，與其他可再生能源相比在技術(shù)和安全應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大的潛力。從發(fā)現(xiàn)光生伏打效應(yīng)起，人們就試圖利用一些半導(dǎo)體材料將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。迄今為止，科學(xué)家們也發(fā)現(xiàn)了許多材料都能將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能。美國可再生能源實驗室(NREL)[1]對各類太陽能電池的發(fā)展做了深入的探討和總結(jié)分析。

美國貝爾實驗室皮爾森發(fā)現(xiàn)單晶硅p-n結(jié)能產(chǎn)生電壓，從而開啟了結(jié)型太陽能電池的時代。隨著科技的進(jìn)步，科學(xué)家們研發(fā)出許多種類的太陽能電池。Green教授[2]將太陽能電池發(fā)展劃分為三代。第一代是以單晶硅、多晶硅為代表的硅晶太陽能電池。以晶硅為材料的第一代太陽能電池技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟且應(yīng)用最為廣泛。但由于單晶硅太陽能電池對原料要求過高以及多晶硅太陽能電池復(fù)雜的生產(chǎn)工藝等缺點，促使人們開始研發(fā)第二代薄膜太陽能電池，其中以碲化鎘(CdTe)、砷化鎵(GaAs)及銅銦鎵硒化合物(CIGS)為代表的太陽能電池開始成為研究熱點。與晶硅電池相比，薄膜太陽能電池所需材料較少且容易大面積生產(chǎn)，故在降低成本方面顯現(xiàn)優(yōu)勢，其效率也在逐步提高。第三代則是基于高效、綠色環(huán)保和先進(jìn)納米技術(shù)的新型太陽能電池，如染料敏化太陽能電池(DSSCs)、鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)和量子點太陽能電池(QDSCs)等。目前，各類太陽能電池都取得較大的發(fā)展，形成了以晶硅太陽能電池為基礎(chǔ)，薄膜太陽能電池為發(fā)展對象及以DSSCs、PSCs和QDSCs為前沿的太陽能電池發(fā)展格局。

2 第一類太陽能電池

2.1 單晶硅太陽能電池

從美國貝爾實驗室研發(fā)出第一塊實用型單晶硅太陽能電池以來，單晶硅是所有晶硅太陽能電池中制造工藝及技術(shù)最成熟和穩(wěn)定性最高的一類太陽能電池。理論上，光伏響應(yīng)材料的最佳禁帶寬度在1.4 eV左右，而單晶硅的禁帶寬度為1.12 eV，是已知自然界中存在的和最佳禁帶寬度最為接近的單質(zhì)材料。單晶硅太陽能電池主要通過硅片的清洗和制絨、擴(kuò)散制結(jié)、邊緣刻蝕、去磷硅玻璃、制備減反射膜、制作電極、燒結(jié)等工藝制備而成。經(jīng)過多年的發(fā)展，單晶硅太陽能電池的制造工藝和效率都有了很大的改進(jìn)和提升。早期Zhao等[3]利用鈍化發(fā)射極和背部點擴(kuò)散(PERD)使單晶硅太陽能電池效率達(dá)到23.7%，之后課題組又在MCZ和FZ硅基底上制備的PERD結(jié)構(gòu)硅太陽能電池效率分別達(dá)到24.5%和24.7%[4]。Masuko等[5]采用叉指背接觸與非晶硅層鈍化晶體硅的異質(zhì)結(jié)技術(shù)降低了前柵電極、透明導(dǎo)電氧化層(TCO)以及非晶硅層的光損耗，使得太陽能電池的效率升至25.6%。2017年，Yoshikawa等[6]在此技術(shù)的基礎(chǔ)上，整合P+和N+異質(zhì)觸點到背面，使得電池的受光面具有良好的光學(xué)和鈍化特性，最終制造的大面積硅太陽能電池(180 cm2)的效率達(dá)到26.3%，進(jìn)一步縮小了與理論效率的差距。除了對稱和摻雜型單晶硅太陽能電池之外，研究人員還制備出無摻雜不對稱的硅太陽能電池，其效率也達(dá)到20%[7]。

單晶硅太陽能電池以其高效率和穩(wěn)定性，在光伏行業(yè)占有統(tǒng)治地位，而且還會維持很長一段時間。但是由于硅電池所需硅材料的純度需達(dá)到99.9999%，造成單晶硅的價格居高不下，另外，復(fù)雜的制造工藝也導(dǎo)致其難以大范圍推廣使用。因此在后續(xù)的單晶硅太陽能電池發(fā)展歷程中，主要的方向應(yīng)該是簡化其生產(chǎn)過程和所需硅材料的提純工藝以期降低單晶硅太陽能電池的生產(chǎn)成本，加快其普及化進(jìn)程。

2.2 多晶硅太陽能電池

相比單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池對原材料的純度要求較低，原料來源也較廣泛，因此成本要比單晶硅太陽能電池低很多。多晶硅太陽能電池的制備方法也很廣泛，如西門子法、硅烷法、流化床法、鈉還原法、定向凝固法以及真空蒸發(fā)除雜法等，并可選用單晶硅處理技術(shù)，如腐蝕發(fā)射結(jié)、金屬吸雜、腐蝕絨面、表面和體鈍化、細(xì)化金屬柵電極等。Rohatgi等[8]采用雙層減反射膜技術(shù)制出效率為18.6%的多晶硅太陽能電池。Zhao等[9]通過處理多晶硅表面形成“蜂窩”狀紋理增強(qiáng)了陷光效果，使得多晶硅太陽能電池的效率達(dá)到19.8%。Schultz等[10]采用背面鈍化的濕法氧化來降低工藝溫度從而提高了載流子的壽命，使多晶硅電池的效率提升到20.3%。2016年，Sheng等[11]通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(PECVD)沉積Al2O3/SiNx鈍化層，并通過調(diào)整硅中硼和磷的摻雜分布減少了俄歇式復(fù)合，最終制備的PERD多晶硅太陽能電池的效率達(dá)到了21.98%。2017年，Schindler等[12]提出硼擴(kuò)散前測發(fā)射極和全區(qū)域鈍化后接觸(TOPCon)的概念。通過改進(jìn)晶體結(jié)構(gòu)、電阻率以及圓晶厚度參數(shù)最大限度減少與材料有關(guān)的效率損失，使得n型多晶硅太陽能電池的效率達(dá)到了22.5%。

與單晶硅太陽能電池相比，多晶硅太陽能電池具有對原料要求低的優(yōu)點，尤其是制造成本較低。但是它也有自身的缺點，如較多的晶格缺陷導(dǎo)致其轉(zhuǎn)換效率比單晶硅太陽能電池低。因此對于多晶硅太陽能電池，研究重點應(yīng)該在于提高多晶硅生產(chǎn)工藝，減少多晶硅生產(chǎn)過程的缺陷以提高硅片原有的質(zhì)量方面。此外還應(yīng)該簡化多晶硅太陽能電池制造流程，進(jìn)一步降低多晶硅太陽能電池的生產(chǎn)成本以便加快多晶硅太陽能電池的發(fā)展進(jìn)程。

3 第二類太陽能電池

3.1 碲化鎘薄膜太陽能電池

CdTe是一種Eg為1.45 eV的化合物半導(dǎo)體，因其具有較高的光吸收能力且CdTe薄膜可大面積沉積制備使得CdTe成為應(yīng)用前景較好的一類新型薄膜太陽能電池材料。但由于CdTe存在自補(bǔ)償效應(yīng)，很難制備高電導(dǎo)率的同質(zhì)結(jié)，所以實際的電池多為異質(zhì)結(jié)薄膜電池。CdS與CdTe的晶格常數(shù)差異較小，是通常被應(yīng)用在CdTe薄膜電池的最佳窗口材料。CdTe薄膜的制備方法主要有液相外延法(LPE)、近空間升華法、氣相傳輸沉積法、濺射法、電化學(xué)沉積法和噴涂熱分解法等。早期CNRS組[13]通過LPE制備CdTe p-n結(jié)使得CdTe薄膜太陽能電池效率達(dá)到8%。Cohensolal等[14]改用近空間升華法制備的CdTe薄膜電池效率超過了11%。2004年Wu[15]通過磁控濺射方法合成ZnSnOx(ZTO)代替Zn2SnO4作為緩沖層，通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)使得CdTe薄膜太陽能電池的效率達(dá)到16.5%。2017年美國First Solar公司報道的CdTe薄膜太陽能電池效率達(dá)到21.5%[16]，之后NREL[1]報道的CdTe薄膜電池效率也達(dá)到22.1%。此外，Hossain等[17]在報告中提出采用高度摻雜的CdTe作為背電極，通過優(yōu)化電池的厚度和背電極的摻雜濃度來減少復(fù)合損失，最終制得的2.7 μm厚的電池效率達(dá)到26.74%，而且還發(fā)現(xiàn)增加內(nèi)吸收層GdTe的厚度可以提高電池的效率。這一發(fā)現(xiàn)為CdTe太陽能電池效率的進(jìn)一步提升指明了方向。

CdTe薄膜太陽能電池的高效率使得它在光伏市場中占有一定的份額，而且CdTe薄膜太陽能電池可實現(xiàn)柔性化和透明化，更增加了其在汽車以及建筑行業(yè)的應(yīng)用前景。然而Cd和Te都是有毒元素，在一定程度上限制了CdTe薄膜太陽能電池的推廣應(yīng)用。因此，未來的研究重點應(yīng)該是在提升效率的同時減少有毒元素的含量抑或是提升電池本身的穩(wěn)定性，降低有毒元素泄露的風(fēng)險。

3.2 砷化鎵薄膜太陽能電池

GaAs是一種直接帶隙(Eg=1.43 eV)的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料。GaAs薄膜太陽能電池的制備方法歷經(jīng)擴(kuò)散法、LPE、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(MOCVD)等。Jenny等[18]首次制備的GaAs薄膜太陽能電池效率達(dá)到6%。之后Gobata等[19]利用擴(kuò)散法在電池結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散1～3 μm鋅層使得電池的總電阻減小使得GaAs薄膜太陽能電池的效率達(dá)到11%。Woodall[20]利用LPE技術(shù)在GaAs表面生長一層寬禁帶Ga(1-x)AlxAs窗口層，降低了載流子表面復(fù)合率，使效率提升至16%。而Schmieder等[21]研究了在GaAs材料通過MOCVD沉積過程中溫度對性能的影響，得出提高生長溫度并以60 μm/s速度生長可以抑制材料的深度能級缺陷，最終制得的薄膜太陽能電池的效率達(dá)到了23.8%。此外，研究還發(fā)現(xiàn)減反射層對GaAs薄膜太陽能電池的性能也有很大的影響。Mattos等[22]通過優(yōu)化電池疊層方式、減反射涂層和粘合劑，最大限度提升光吸收，使制得的電池的效率達(dá)到了23.5%。Ho等[23]使用TiO2/SiO2作為減反射層，極大地減少了電池在可見光范圍內(nèi)的反射，制得的電池效率達(dá)到了25.54%。Bauhuis等[24]通過優(yōu)化電池背面結(jié)構(gòu)、低溫退火金屬接觸位點并結(jié)合改進(jìn)后的有源層材料、柵格掩模和抗反射涂層，使GaAs薄膜太陽能電池的效率提升至26.1%。之后Kayes等[25]又將GaAs薄膜太陽能電池效率提升到了27.6%。目前，GaAs薄膜太陽能電池的實驗室效率已經(jīng)達(dá)到28.8%[1]。

GaAs薄膜太陽能電池具有的轉(zhuǎn)化效率高、抗輻射和抗高溫性能良好、可制成異質(zhì)襯底太陽能電池和多結(jié)太陽能電池等諸多優(yōu)點，增加了GaAs太陽能電池在航天上的應(yīng)用前景。但是GaAs薄膜電池的制作成本過于昂貴以及As有毒的特性限制了該類電池在民用領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，未來的研究重點應(yīng)該是簡化電池的制造工藝以及尋找豐富且無毒的元素代替As元素，擴(kuò)寬該類太陽能電池的應(yīng)用空間。

3.3 銅銦鎵硒薄膜太陽能電池

CIGS薄膜太陽能電池是在銅銦硒薄膜(CIS)太陽能電池的基礎(chǔ)上用Ga元素取代部分銦(In)制成，CIGS薄膜太陽能電池的典型結(jié)構(gòu)為TCO/ZnO/CdS/CIGS/背電極/基底。CIGS薄膜太陽能電池的制備主要方法有：濺射法、MOCVD、液相噴涂法、噴涂熱解、絲網(wǎng)印刷法和電沉積等。Ramanathan等[26]制備的ZnO/CdS/CIGS結(jié)構(gòu)的CIGS薄膜太陽能電池的效率達(dá)到19.2%，之后其課題組又在此基礎(chǔ)上改變In和Ga的比例調(diào)整禁帶寬度將電池的效率提升到19.5%[27]。Granath等[28]提出在CIGS層中加入堿金屬元素Na有利于提高電池性能。2011年Jackson等[29]使用鈉鈣玻璃(SLG)作為電池的基底以便Na擴(kuò)散到CIGS層使得效率提升至20.3%。2013年又在此基礎(chǔ)上利用后沉積技術(shù)(PDT)摻雜K元素使效率提升到20.4%[30]。2014年Jackson等[31]改進(jìn)摻雜工藝使CIGS太陽能電池效率提升到20.8%。隨后通過優(yōu)化PDT使CIGS薄膜太陽能電池的效率達(dá)到21.7%[32]。之后又利用PDT在吸收層中引入重堿金屬元素銣(Rb)和銫(Cs)代替Na和K使CTGS效率達(dá)到22.6%[33]。Rui等[34]在此基礎(chǔ)上通過改進(jìn)PDT、吸收層和使用CdS緩沖液，實現(xiàn)了22.3%的電池效率。之后又采用(Zn,Mg)O/Zn(O,S,OH)取代原本的含有Cd的ZnO/CdS緩沖層，不僅效率達(dá)到了22.8%，電池也變得更加環(huán)保。

CIGS薄膜太陽能電池具有效率高、壽命長、沒有光致衰退效應(yīng)，可在柔性聚合物和金屬基板上沉積等優(yōu)點。但是CIGS薄膜太陽能電池也具有一些缺點，如合成材料較多，合成過程較為復(fù)雜且合成材料中具有稀有元素In和有毒元素Cd，這些不僅使得電池成本過高，而且會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。針對所涉元素稀有或有毒等缺點，采用價格低廉的Zn和Sn來取代價格昂貴的In和Ga，得到類似于CIGS電池的Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)薄膜太陽電池。CZTSSe薄膜太陽能電池不僅對環(huán)境無害，而且CZTSSe是直接帶隙的材料，具有較大的吸收系數(shù)。因此可通過減少該薄膜電池的厚度進(jìn)而減少材料的使用量，從而降低該類電池的總體成本。

4 第三代太陽能電池

4.1 染料敏化太陽能電池

DSSCs是模擬綠色植物光合作用原理將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的一類電池。液態(tài)DSSCs主要是由光陽極、液態(tài)電解質(zhì)和光陰極3部分構(gòu)成，具體的電池結(jié)構(gòu)如圖1a所示[35]。光陽極主要是在導(dǎo)電襯底材料上制備一層多孔半導(dǎo)體薄膜并附著一層染料光敏化劑；光陰極主要是在導(dǎo)電襯底材料上制備一層含鉑或碳的催化材料。在光陽極中，電極材料主要為TiO2，當(dāng)TiO2表面附著一層具有良好吸光特性的染料光敏化劑時，染料基態(tài)吸收光后變成激發(fā)態(tài)，接著激發(fā)態(tài)染料將電子注入到TiO2的導(dǎo)帶完成載流子的分離，在經(jīng)過外部回路傳輸?shù)綄﹄姌O，電解質(zhì)溶液中的I3-在對電極上得到電子被還原成I-，而電子注入后的氧化態(tài)染料又被I-還原成基態(tài)，I-自身被氧化成I3-，從而完成整個循環(huán)。工作原理圖如圖1b所示[36]。Gr?tzel等[37]首次在Nature上報道使用釕多吡啶染料作為光敏化劑的DSSCs且轉(zhuǎn)化效率達(dá)到7.1%，之后課題組又改用N3做染料將DSSCs效率提升到了10%[38]。2010年，Kang等[39]采用溶膠-凝膠法和溶劑熱法合成的TiO2并改用N719做染料，電池的轉(zhuǎn)化效率分別達(dá)到5.93%和8.91%。Kinoshita等[40]使用一種磷配位的釕系染料敏化劑(DX1)，這種敏化劑可以部分利用近紅外光，增加了電池的電流密度，最終制得的DX1與N719串聯(lián)的DSSCs的效率達(dá)到了12.1%。除了尋找新型染料敏化劑，研究人員嘗試采用共敏化方式增強(qiáng)光吸收。Gr?tzel研究組[41]采用卟啉染料與噻吩基染料共敏化的方式將DSSCs效率提升到了12.3%。Kakiage等[42]采用ADKEA與SFD-5兩種非金屬染料共敏化，以鈷化合物作為電解液，最終獲得了12.8%的轉(zhuǎn)換效率。而Mathew等[43]采用一種SM315物質(zhì)做染料，用來提高與電解質(zhì)相容性和捕光效果，使電池轉(zhuǎn)換效率又提升到13%。由于有機(jī)染料價格昂貴且大多數(shù)有毒，因此有人提出使用天然染料敏化劑代替合成的有機(jī)染料敏化劑。Gr?tzel等[44]就利用葉綠素作為DSSCs的染料敏化劑并研究了6種含有不同取代基的葉綠素衍生物作為DSSCs染料敏化劑的性能，其中銅葉綠素敏化DSSCs電池的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到2.6%。目前，以有機(jī)染料為敏化劑的DSSCs的最高轉(zhuǎn)化效率已達(dá)到10.65%[45]。

DSSCs具備合成簡單、材料來源廣泛等優(yōu)點，但是大多數(shù)DSSCs使用液態(tài)電解質(zhì)，易造成電極腐蝕、電解質(zhì)泄露，而且電池穩(wěn)定性較差。針對以上問題，研究人員開發(fā)純有機(jī)敏化劑和固態(tài)DSSCs，取得了一定的進(jìn)展。對于DSSCs來說，效率難以提升的原因是現(xiàn)有的染料敏化劑不能有效利用紅外光子，使得光吸收效率較低。因此未來研究的重點將是開發(fā)高效、穩(wěn)定、廉價、非釕系的，有近紅外光響應(yīng)的染料敏化劑。此外，提高電池內(nèi)部電子的傳輸能力、制備高效耐用的固態(tài)電解質(zhì)、尋找價格低廉的非Pt對電極、提升電池的整體使用壽命等方面對于實現(xiàn)DSSCs的推廣也具有重要意義。

圖1 染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)(a)[35]與工作原理(b)[36]Fig.1 Structure of dye-sensitized solar cell(a)[35] and its working principle(b)[36]

4.2 鈣鈦礦太陽能電池

PSCs的興起源于DSSCs的發(fā)展，不同之處在于PSCs采用以鈣鈦礦型有機(jī)/無機(jī)雜化材料代替有機(jī)染料分子作為吸光材料。PSCs由納米晶致密層、鈣鈦礦型活化層ABX3(X=Cl-、Br-、I-)、空穴傳輸層以及對電極構(gòu)成，具體的電池結(jié)構(gòu)如圖2a所示[35]，其中吸光層ABX3具有典型的三維立體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中A代表有機(jī)胺離子(CH3NH3+)占據(jù)立方八面體的體心；B代表可配位組成八面體的金屬陽離子，如Pb+、Nb+、Ti4+、Fe3+等；X代表可與B配位形成八面體的陰離子，一般為Cl-、Br-、I-等鹵素離子。該類鈣鈦礦材料中鹵素八面體共頂連接，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)如圖2b所示[46]。鈣鈦礦材料的制備方法主要有溶液法、共蒸發(fā)法、氣相輔助溶液法以及分子內(nèi)交換工藝法等。2009年，Kojima等[47]首次使用有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦材料作為敏化劑用于TiO2多孔薄膜，組裝成液態(tài)電解質(zhì)染料敏化太陽電池，獲得光電轉(zhuǎn)換效率為3.8%。2011年，Lee等[48]把CH3NH3PbI3材料作為量子點沉積在介觀TiO2薄膜上，將轉(zhuǎn)換效率提高到6.5%。由于鈣鈦礦材料在液態(tài)電解質(zhì)中不穩(wěn)定，易發(fā)生分解，從而導(dǎo)致電池效率快速衰減。采用固態(tài)電解質(zhì)作為空穴傳輸層則能防止鈣鈦礦材料的分解，Kim等[49]用Spiro-OMeTAD做傳輸層，CH3NH3PbI3做染料，制成的固態(tài)PSCs效率達(dá)到9.7%。Heo等[50]進(jìn)一步改進(jìn)了空穴傳輸層，使用低厚度聚合物(如poly-triarylamine)代替Spiro-OMeTAD作為傳輸層，獲得了轉(zhuǎn)換效率為12%的電池。Bi等[51]開發(fā)了一種利用甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為模板，用來控制鈣鈦礦成核和生長的方法，成功制備得到一種高度光滑的鈣鈦礦薄膜，研究顯示其具有很長的光致發(fā)光壽命，表明這種光滑的鈣鈦礦薄膜具有優(yōu)異的電學(xué)性能，在標(biāo)準(zhǔn)光照條件下PSCs效率高達(dá)21.6%。目前，NREL[1]報道的PSCs效率已經(jīng)達(dá)到22.1%。此外，研究人員嘗試疊加PSCs與其它電池。Wu等[52]設(shè)計了一種單片鈣鈦礦/同質(zhì)結(jié)硅串聯(lián)太陽能電池，PSCs子電池位于頂部，硅太陽能電池位于底部，這種結(jié)構(gòu)增加了光吸收和電荷傳輸能力，使得串聯(lián)電池效率達(dá)到了22.5%。之后Bush等[53]改用異質(zhì)結(jié)硅電池串聯(lián)銫甲脒鉛鹵化物鈣鈦礦，使得串聯(lián)電池的效率提升至23.6%。此外，這種結(jié)構(gòu)還增加了器件的穩(wěn)定性，使得電池能夠承受85 ℃和85%濕度下1000 h的濕熱試驗。

圖2 鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)(a)[35]與鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)(b)[46]Fig.2 Structure of perovskite solar cell(a)[35] and perovskite crystal structure(b)[46]

PSCs從提出至今，光電轉(zhuǎn)化效率以接近直線的速度增長，顯示出這種太陽能電池所具有的巨大潛力。盡管PSCs具有很高的效率，但是穩(wěn)定性極差。為此科學(xué)家尋求多種方法解決穩(wěn)定性問題。Bella等[54]通過室溫光誘導(dǎo)自由基聚合在PSCs器件表面包覆一層氟化光敏聚合物，這層多功能包裹材料賦予PSCs器件正面部分自清潔和發(fā)光的特性，并確保PSCs器件背面具有超疏水特性，不受空氣中水汽的影響。在可見光條件下，光敏聚合物會重新發(fā)射紫外線，使得PSCs在標(biāo)準(zhǔn)光照下效率高達(dá)19%。在空氣環(huán)境和光化學(xué)影響的條件下進(jìn)行6個月的測試，結(jié)果顯示PSCs各方面的光電性能都得到了很好的保持，表明該類太陽能電池的性能在穩(wěn)步提升。因此今后的工作應(yīng)該是規(guī)范該類電池工作標(biāo)準(zhǔn)，如穩(wěn)定性規(guī)范、老化測試標(biāo)準(zhǔn)等。隨著科技的進(jìn)步，PSCs可能會超越薄膜太陽能電池而成為光伏行業(yè)的新秀。

4.3 量子點太陽能電池

量子點是零維納米材料，簡而言之是指量子點3個維度的尺寸均小于體材料激子的德布羅意波長。其內(nèi)部電子在各個方向上的運(yùn)動都受到約束，即量子局限效應(yīng)特別明顯。與傳統(tǒng)的體材料相比，量子點的優(yōu)勢在于通過共振隧穿效應(yīng)，能夠提高電池對光生載流子的收集率，從而增大電流；通過調(diào)整量子點的尺寸和形態(tài)優(yōu)化量子點能級與太陽光譜的匹配度增加光吸收率。某些量子點(如PbSe)可以吸收1個高能光子產(chǎn)生多個電子-空穴對，即多激子效應(yīng)。理論上預(yù)測的單結(jié)QDSCs效率可達(dá)到44%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出硅太陽能電池的Shockley-Queisser限制。

QDSCs主要分為異質(zhì)結(jié)QDSCs和敏化QDSCs兩種電池，2009年David等[55]利用ZnO薄膜和PbSe制成了結(jié)構(gòu)為玻璃/ITO/ZnO/PbSe/Au的異質(zhì)結(jié)QDSCs，但效率僅為1.6%。2010年Sargant等[56]用TiO2代替ZnO提高了電子的傳輸能力，使得QDSCs效率提升到5.1%。之后制備的Pb0.9Se0.1/TiO2異質(zhì)結(jié)和PbS/TiO2異質(zhì)結(jié)QDSCs，效率也分別達(dá)到4.25%[57]和4.73%[58]。對于敏化QDSCs，它與PSCs的工作原理、電池結(jié)構(gòu)特征和電子轉(zhuǎn)移過程基本相同，主要差異在于：以無機(jī)窄禁帶量子點取代傳統(tǒng)的釕染料或有機(jī)染料作為敏化劑。Sun等[59]用電化學(xué)沉積法將CdS作為敏化劑沉積在TiO2，得到的敏化QDSCs效率為4.15%。Lee等[60]等采用CdS和CdSe共敏化方式，得到的敏化QDSCs效率為4.22%。研究表明，載流子的復(fù)合是導(dǎo)致QDSCs效率過低的一個主要原因。Zhao等[61]在量子點包覆一層寬禁帶的無機(jī)ZnS/SiO2，有效降低了載流子的復(fù)合，使得基于TiO2/QD/ZnS/SiO2結(jié)構(gòu)的CdSeTe敏化QDSCs的效率超過8%。在Zhao的研究基礎(chǔ)上，Ren等[62]在量子點敏化光陽極和ZnS/SiO2界面之間采用無定型TiO2作為鈍化/緩沖層，大大減少了由界面晶格不匹配引起的缺陷且抑制了載流子復(fù)合，使電池轉(zhuǎn)換效率提升到9%。Zhang等[63]采用CuxSe作為敏化QDSCs的對電極，通過優(yōu)化對電極的Cu/Se含量比、膜厚，使得CdSe和CdSeTe QDSCs效率分別達(dá)到6.49%和8.72%。Lan等[64]通過鈍化量子點表面和改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)等措施增加電荷收集，使PbS QDSCs效率提升到10.6%。新研制出的Zn-Cu-In-Se敏化QDSCs，不僅將吸收光譜擴(kuò)寬到了1000 nm，而且效率也達(dá)到11.66%[65]。研究表明，在光陽極/電解質(zhì)處的電荷復(fù)合損失是導(dǎo)致電池效率較低的一個主要因素，Yu等[66]在多硫化合物電解質(zhì)中添加一種原硅酸四乙酯添加劑，有效抑制了電荷復(fù)合損失，使得QDSCs的效率達(dá)到了12.34%。而Sanehira等[67]提出了一種基于陽離子鹵化鹽的方法以調(diào)整CsPbI3量子點薄膜，改善電荷傳輸能力。其中使用甲脒碘化物涂層使得CsPbI3量子點薄膜的電子遷移率增加了1倍，最終制得的QDSCs的效率提升至13.34%。

量子點從提出至今，顯現(xiàn)出其特有的優(yōu)勢，如材料來源廣泛、禁帶寬度可調(diào)、光電轉(zhuǎn)化效率高等，都表明了QDSCs蘊(yùn)涵巨大的潛力。但由于該類電池涉及微尺度領(lǐng)域，制作工藝和要求都比較高且內(nèi)部電子傳輸原理仍處在研究階段，導(dǎo)致其效率遠(yuǎn)低于其他類電池。但是該類電池卻有著其他電池不可比擬的潛力。對于該類太陽能電池，目前研究的焦點主要集中在材料的選擇、器件的優(yōu)化以及內(nèi)部電子的傳輸機(jī)理方面，以期提高QDSCs的效率和穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語

晶硅太陽能電池經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展和改進(jìn)，具有很高的效率和穩(wěn)定性，在未來很長一段時間內(nèi)，晶硅太陽能電池仍在太陽能光伏行業(yè)中占主導(dǎo)地位。未來的工作焦點主要集中在簡化太陽能電池制作流程、降低電池的制造成本，這樣才能有利于晶硅太陽能電池的進(jìn)一步推廣。與此同時，科學(xué)家也研發(fā)出多種薄膜太陽能電池，如GaAs、CdTe、CTGS薄膜太陽能電池等。相比晶硅太陽能電池，薄膜太陽能電池的制作成本大幅降低，效率也越來越接近晶硅太陽能電池的效率，但是薄膜太陽能電池大多數(shù)含有稀有或者有毒元素，導(dǎo)致其安全性仍存在問題，商業(yè)化模塊依然需要修正和檢驗，故后續(xù)工作需進(jìn)一步改進(jìn)工藝(如摻雜等)、提高效率、降低生產(chǎn)成本、提高穩(wěn)定性等。與前面兩類電池相比，第三代太陽能電池具有更高的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?，但是由于其涉及到微觀領(lǐng)域而導(dǎo)致制作工藝和要求都比較復(fù)雜、而且界面電荷傳輸機(jī)理還需深入探討。