摘要：太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。本文介绍了太阳能电池的原理，并且针对目前太阳能电池中占重要地位的硅太阳能电池的研究现状进行了相关文献的查阅，对研究热点、存在问题及发展方向进行了总结，同时讨论了硅太阳能电池各自的优势和不足，最后简要介绍了化合物太阳能电池、有机物太阳能电池和纳米晶化学太阳能电池。
1 前言
太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，是最理想的新型能源之一，太阳能电池利用光电转换技术可将太阳能直接转换为电能, 是使用太阳能的最有效方式，并且化石能源的日益枯竭也是促使人们致力于太阳能电池材料研究的重要原因。 目前研究较多的有硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池和纳米晶化学太阳能电池，其中研究较成熟的是硅太阳能电池。在硅太阳能电池中以单晶硅太阳能电池的光电转换效率
最高，技术最为成熟，但其对原料纯度要求高且生产工艺复杂，致使单晶硅电池成本居高不下。近年来多晶硅薄膜电池由于生产成本较低，且转换效率较高得到了迅速发展。而非晶硅薄膜是一种极有希望大幅降低太阳能电池成本的材料，若能进一步解决稳定性问题及提高转换效率，那么非晶硅太阳能电池无疑是硅基太阳能电池的主要发展成品之一。
2 太阳能电池发电原理
2.1 p-n结的形成
p型半导体中的多数载流子为自由空穴，而n型半导体中的多数载流子为自由电子，当P型半导体和n型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子的浓度差异，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，这样原来p区和n区的电中性就被破坏了，p区因失去空穴而留下带负电的离子，n区因失去电子而留下带正电的离子，从而形成了一个很薄的空间电荷区[1]。
2.2 太阳能电池发电原理
当太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，光生空穴由
n区流向p区，光生电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。其发电原理如图1。
3 硅太阳能电池
3.1 单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池是最早研究且技术最为成熟的太阳能电池，在硅太阳能电池中转换效率最高。目前实验室最高转换效率为24.7%，工业规模生产的单晶硅太阳能电池效率为15%[2]，但由于单晶硅生产成本高，故难于推广应用。
单晶硅原料为硅砂，其制作工艺见图2[3]。
作为原料的硅材料在地壳中含量丰富，对环境基本上没有影响。单晶制备以及p-n结的制备都有成熟的集成电路工艺作保证，且硅的密度低，材料轻，即使是50μm以下厚度的薄片也有很好的强度。与多晶硅、非晶硅比较，其转换效率高，电池工作稳定，已实际用于人造卫星等方面，并且可以保证20年以上的工作寿命。
3.2 多晶硅太阳能电池
与单晶硅相比，多晶硅材料的价格较低廉，实验室最高转换效率为20.3%，工业规模生产的转换效率达13%~16%。多晶硅材料是由许多单晶颗粒(颗粒直径为数微米至数毫米)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。
多晶硅太阳能电池的简单制作工艺为选择电阻率为100～300Ω·cm的多晶块料或单晶硅头尾料，经破碎、掺杂、扩散、熔化冷却定型后，即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材质利用率和方便组装。
近年来，多晶硅薄膜电池由于成本较低，且转换效率也较高而得到了迅速发展。目前制备多晶硅薄膜电池的方法是：首先在廉价衬底(如Si、SiO2、Si3N4、SiC、SiAlON、Al2O3、Al)上沉积硅质薄膜，多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积(LPCVD)和等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺，以及液相外延法(LPPE)和溅射沉积法等；然后进行再结晶，再结晶技术主要有固相晶化(LAR)法、区熔再结晶(ZMR)法、激光在结晶(LMC)法等。
多晶硅薄膜电池除采用上述制备技术和工艺，另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。未来，多晶硅薄膜太阳能电池将会在
太阳能电池市场上占据较大的份额。
3.3 非晶硅薄膜太阳能电池
晶体硅太阳能电池是利用硅晶体为衬底，通过扩散的方式在其表面形成p-n 结来制作太阳能电池，这种电池需要耗费大量的硅晶体，而硅晶体的制作需要消耗大量的能源，能源回收周期较长。薄膜太阳能电池克服了这一缺点，它是在玻璃或不锈钢基体上通过化学或物理方法淀积硅薄膜并形成p-n结而制作的太阳能电池，这种方法材料成本远低于硅晶体电池，许多材料都可以作为基体材料，甚至可以采用聚合材料制作成所谓的柔性太阳能电池，提高沉积速率是微晶硅薄膜太阳能电池产业化的重中之重[4,5]。
非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，其中包括反应溅射法、离子体化学气相沉积(PECVD)法、低压化学气相沉积(LPCVD)法等。在非晶硅薄膜中通常形成的是p-i-n结构，即在p层和n层之间有一层较厚的本征层。
非晶硅薄膜太阳电池经不同的电池工艺过程可以制成单结式电池和叠层式电池。单结、多结电池的实验室稳定效率[6]分别达到6%~8%、10%~13%。
(1) 单结电池结构：太阳光谱的能量分布较宽，而任何一种半导体只能吸收其中能量比自己带隙值高的光子，其余的光子不是穿过电池被背面金属吸收转变为热能，就是将能量传递给电池材料本身的原子，使材料发热，这些能量都不能通过产生光生载流子变成电能。不仅如此，这些光子产生的热效应还会升高电池工作温度而使电池性能下降，因此光转换效率较低。
(2) 叠层式结构：在单结上再沉积一个或多个p-i-n单结电池。把太阳光谱分成几个区域，用能隙分别与这些区域有最好匹配的材料做成电池，使整个电池的光谱响应接近于太阳光光谱，从而最大程度的有效利用更宽广波长范围内的太阳光能量。
制备非晶硅的工艺和设备简单，淀积温度低，时间短，适于大批生产。由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题，且制备非晶硅太阳能电池能耗少，约100kW·h，能耗的回收年数比单晶硅电池短得多。
非晶硅太阳能电池光电转换率在14.5%以上，但稳定性较差，因此提高转换率和稳定性是非晶硅薄膜太阳能电池的发展方向。
4 其他太阳能电池
4.1化合物半导体电池
化合物半导体电池由于禁带宽度、晶格常数等分布广泛, 同时又具有光吸收系数高、适合于薄膜化、耐放射性损伤、温度特性优良、适合于聚光工作等优点, 通过各种半导体的组合有可能实现波长响应的宽带域化, 从而得到更高的效率
有些金属化合物如硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率比非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会造成严重污染，因此，不能开发应用。
4.2 拉线绝缘子有机物太阳能电池
原材料为有机材料，柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本较低。性能和寿命远不如硅电池，但有可能提供廉价电能。此项研究刚刚起步。
4.3纳米晶化学太阳能电池
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纳米晶化学太阳能电池(NPC)是新型太阳能电池，目前仍在研制过程中，其中纳米晶TiO2太阳能电池倍受关注。纳米晶TiO2太阳能电池光电效率在10％以上，制作成本为硅太阳能电池的1/5～1/10，寿命可达到20年以上。
按照吸附层和电解质的不同，NPC电池又包括三种类型[1]：含有液体电解质的染料敏化光电化学太阳能电池(DSPEC)，固体有机电解质的染料敏化异质结太阳能电池(DSH)和窄带隙无机半导体极薄吸附层太阳能电池(ETA)。
染料敏化太阳能电池(DSSC)即为湿式太阳能电池，其转换效率最高已达10%~11%[2]。但DSSC太阳能电池在电极材料、光敏剂和电解质的选择与制备等方面还存在一系列问题, 因而制约着其转换效率和稳定性的进一步提高。2006年Grimes研究小组[7,8]报道了采用TiO2纳米管阵列薄膜作为电极组装的DSSC体系，同年还开发出一种基于钛箔柔性衬底的高温法TiO2光阳极和基于 ITO/PEN导电衬底的镀铂对电极柔性太阳能电池，效率达7.2%，这是目前柔性电池转换效率的最高值。但对大面积、具有实用化意义的光电转化效率一直在5%左右。
目前已有学者研制出全固态DSPEC电池，这种电池采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质，单光光电转换效率达到33%，克服了先前湿式电池制造不方便、难以封装以及稳定性差的缺点，从而为DSPEC太阳能电池走向实际应用奠定了坚实的基础。DSPEC电池最大的优势是廉价的成本、简单的制作工艺和高的稳定性，有极好的应用前景。
极薄层吸附太阳能电池有源带通滤波器(ETA)的模型在于降低光吸附层的厚度即光生电子-空穴的相对电极迁移的路径，由此降低电子-空穴复合几率。吸附层被置于透明、多孔的宽带隙的半导体之间，以便增加光在吸附层内的有效光路长度，弥补光吸收层过薄导致的低的光吸收效率。腿包
参考文献
饲料加工工艺[1] 李廷希, 张文丽. 功能材料导论[M]. 长沙: 中南大学出版社, 2011.7.
[2] 张红梅, 尹云华. 太阳能电池的研究现状与种类[J]. 水电能源科学. 2008.12.
[3] 李万河. 太阳能电池的种类[J]. 电子工业专用设备, 2008.
[4] Mai Y, Klein S, Carius R , etc. J. Microcrystalline Silicon Solar Cells Deposited at High Rates[J]. Appl Phys, 2005, 97: 114913
[5] 张晓丹, 张发荣, 赵颖, 等. 1nm/s 高速率微晶硅薄膜的制备及其在太阳能池中的应用[J]. 半导体学报, 2007, 28(2):2092212
[6] 徐立珍, 李彦, 秦锋. 薄膜太阳电池的研究进展及应用前景[J]. 可再生能源, 2006(3) :9212
[7] Mor G K, Varghese OK, Paulose M, etc. A Reviewon Highly Ordered, Vertically Oriented TiO2 Nanotube Arrays: Fabrication, Material Properties, and Solar Energy Applications[J]. Sol Energy Mater Sol Cells, 2006, 90(14): 201122075
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