无空穴传输材料钙钛矿太阳能电池异质结制备与性能研究(2)
1.1 太阳能电池的发展 人们最早发现太阳光作为一种能量可以应用于发电是在 1839年，法国的物理学家贝克勒尔首次发现光伏效应。到了 20 世纪 50 年代，随着人们对半导体性能的逐渐了解，以及加工技术的进步，1954年当美国的贝尔实验室发现在硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一现象后，第一个太阳能电池在 1954年诞生在贝尔实验室[1]。晶体硅太阳能电池的研发由此开始。
1.1.1 晶体硅太阳能电池 晶体硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。硅太阳能电池中单晶硅太阳能电池的能量转换效率最高，目前在 15%左右，最高可达 24%，技术也最为成熟。这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料, 纯度要求 99. 999%，所以成本高，制备工艺复杂[1]。相比之下，多晶硅太阳能电池多半是含有大量单晶颗粒的集合体, 或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成，大大降低了生产成本。多晶硅太阳能电池的能量转换效率为 12%左右，虽然稍低于单晶硅太阳能电池，但是由于其材料制造简便、生产成本较低等优势而得到了较大发展。
1.1.2 薄膜太阳能电池 随着太阳能电池的发展，人们力求保证效率的同时降低成本，这就促进了薄膜太阳能电池的出现。薄膜太阳能电池主要包括非晶硅太阳能电池(Amorphous Silicon, a-Si)、微晶硅太阳能电池(Nanocrystalline Silicon，nc-Si，Microcrystalline Silicon，mc-Si)、化合物半导体II-IV 族[CdS、CdTe(碲化镉)、CuInSe2] 太阳能电池、有机导电高分子太阳能电池(Organic/polymer solar cells)以及染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cell)等[2]。 非晶硅太阳能电池与单晶、多晶硅太阳能电池的制作方法完全不同，它可以生长于很薄的不锈钢或塑料衬底上从而制造出轻量级的太阳能电池。但非晶硅太阳能电池的能量转换效率略低于晶体硅太阳能电池，为 10%[2]左右，并且不够稳定，常出现转换效率减弱等现象。 多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓 III-V 族化合物、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池等。硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的能量转换效率比非晶硅薄膜太阳能电池高，成本比单晶硅太阳能电池低，并且也易于大规模生产。但是由于区中含有剧毒元素镉，会对环境造成严重的污染，因此，并不是替代晶体硅太阳能电池的理想产品。 砷化镓（GaAs）太阳能电池的能量转换效率可达 28%[2]，GaAs 化合物材料的光学带隙十分理想，光的吸收效率较高,抗辐照能力强,对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs 材料的价格昂贵,因此 GaAs太阳能电池的发展受到了限制。 铜铟硒薄膜太阳能电池（简称 CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。 有机太阳能电池因具有成本低、质轻、柔韧性好、可大面积印刷制备的优点而受到广泛关注，对电池结构进行优化可以改善有机太阳能电池的性能。目前的研究人员已研发出能量转换效率可达 8.62% 的有机太阳能电池[3]，并且一些公司也已经开始批量商业化。 染料敏化太阳能电池主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物(TiO2、SnO2、ZnO等)，聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为 DSC 的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是 I3-/I-。染料敏化电池的原料来源广泛，成本低廉，对生产设备要求低，生产工艺简单，能耗低，目前最高效率已达 12.3%[4]。