太阳能光伏发电材料研究进展

４６现代制造技术与装备２０１６第１２期　总第２４１期太阳能光伏发电材料研究进展窦海林　王　波　张靖宇　贾桂香（中联西北工程设计研究院有限公司，西安 710082）摘　要：化石能源枯竭、生态环境恶化和资源快速消耗等问题给人类未来工业发展及生活带来了巨大压力，太阳能作为一种清洁能源已引起科学家的重点关注。不同材料体系和不同结构的太阳能光伏发电材料近年来发展迅速，本文综述传统无机、有机光伏发电材料最新研究进展，着重论述部分新兴光伏发电材料的发展现状，并分析当前太阳能光伏发电材料存在问题及未来发展方向。关键词：光电转换效率 有机光伏发电材料 新兴光伏发电材料 钙钛矿材料引言伏电池使用成本，多晶硅太阳能光伏电池被研发利用。在现代工业生产和人类生活的能量主要来自于传统化石德国弗劳恩霍夫协会科学技术人员的努力下，多晶硅太阳能源，然而，化石能源的不断开采利用却造成能源危机、能电池的光电转换率实现了20.3%的突破[2]。相对单晶硅全球生态危机、能源供应矛盾等不可避免的问题，加快对太阳能电池，多晶硅太阳能电池晶界、晶格位错和晶粒取风能、地热能、核能和太阳能等新能源的开发利用势在必向等缺陷导致电池使用寿命大幅缩短和光电转换效率急剧行。在众多新能源形式中，太阳能具有资源丰富、易于获降低。非晶硅薄膜电池具有弱光效应且吸光系数高，故其取、安全、洁净无污染等突出优势，为人类解决能源危机发电量和光电转换效率比同量的多晶硅电池高。然而实际提供了新的思路。太阳能光伏发电技术是太阳能开采利用应用中，非晶硅光伏电池存在运行稳定性差、光致衰减、最直接有效的方式，以光生伏特效应为能量转化原理，太光电转化效率低下等问题，这严重制约非晶硅光伏材料的阳能光伏发电材料为转化媒介实现光能和电能的转化利用，规模化应用。光伏发电材料的光电性能直接决定了光伏发电转换效率，１．２　无机化合物型故光伏发电材料的研发占据重要地位。太阳能用光伏发电Ⅲ～Ⅳ族化合物半导体光伏材料因具有直接带隙且太材料需要满足如下条件：（1）半导体材料具有合理的禁带阳光吸收波段宽而广泛应用于太阳能光伏发电。GaAs化合宽度和极佳的光电转换性；（2）生产工艺简单设备要求低，物禁带宽度与太阳光谱匹配，是较为理想的太阳能电池材便于工业化大规模生产；（3）环境友好型材料，材料本身料。Liang等[3]以金属基板为衬底与GaAs纳米晶层复合，对全球生态不够成威胁；（4）材料使用寿命长且稳定性高。制备了具有良好吸光性、较高载流子收集率、较高光电转随着工业技术的快速更新和及研究人员的不断努力，不断换率且呈纳米状的太阳能光伏发电材料。此外，Cu、In、出现一系列符合应用要求的太阳能光伏发电材料。Se、Zn等元素在地球上含量丰富、易于提取、生产加工成１　无机太阳能光伏发电材料本低，以这些元素为基制备的太阳能电池受到研究人员和１．１　硅系工业生产的重点关注。陶加华[4]利用电沉积法制备了高效单晶硅是目前工业生产和人类生活中大量推广使用的Cu2ZnSnS4薄膜材料，转化效率达7.23%。然而，此类材料光伏发电材料。高质单晶硅光伏电池生产及加工技术已能大多有毒，极大地其应用。此外，可采用低成本化学满足规模化工业生产应用，利用单晶硅微纳结构处理和微方法可控制备不同纳米结构的TiO2材料，对TiO2纳米结构区化学掺杂可有效改善其光电转换性，有诸多研究者系统材料进行染料或量子点敏化处理，制备的电池不但成本较地研究了硅微纳结构提高光电转换率对单晶硅光伏发电材低且转化效率较高，是具有竞争力的太阳能光伏材料。料。王秀琴等[1]以单晶硅片表面为衬底利用金属辅助催化２　有机太阳能光伏发电材料无电刻蚀的方法（MCEE），制备出大面积的硅纳米线阵列，２．１　有机小分子型研究结果表明硅微纳结构具备良好陷光效应，当纳米线长有机小分子太阳能光伏材料具有重量轻、低成本、化度为1.6μm时，具有优异的光电性能。用单晶硅光伏材料学稳定性好且制备方便等优势，但其迁移率较低。提高有生产的太阳能光伏器件具有运行可靠、光电转化性良好、机小分子光电材料的转换效率是研究的重点。张昱等[5]成性能稳定和使用寿命长等突出优势，但高纯度单晶硅对生功设计并制备了结构为D-π-A-π-D有机小分子光伏材料，产设备要求极高、生产加工工艺较复杂，这直接导致单晶包括以苯并噻二唑（dFBT）为吸电子单元的BT系列，和以硅电池生产成本较高、价格昂贵、难以大规模推广使用。苯骈三氮唑（dFBTA）为吸电子单元的BTAO系列和BTAH系列，为满足光伏产业快速增长的市场需求和有效降低单晶硅光它们都以三苯胺（TPA）为供电子单元，π键桥分别由氰基现代制造技术与装备2016年12月-正文-20170105.indd 462017/1/6 9::43设　计　与　研　究４７乙烯基（CN）、碳碳三键（T）、碳碳双键（E）和碳碳单键（S）产厂家的高度关注。钙钛矿太阳能光伏材料主要包括钙钛构成，且获得了较高的光电转换效率。矿吸光材料、空穴传输材料、电子传输材料。２．２　Ｃ６０及其衍生物钙钛矿吸光材料实质上是一种有机-无机的杂化材料，C60独特的材料结构使其具有8～14nm的电子扩散距其晶胞结构是典型的钙钛矿晶体结构，结构通式为ABX3，离，其特殊的电学特性使电荷的传输更方便，同时也提高其中A为有机阳离子，B为金属离子，X为卤素基团。在该了电荷收集率，所以相对其他有机光伏材料，C60的电荷引晶体结构中，金属原子B被嵌入立方晶胞体心内，卤素原出效率更高。相比硅系、无机化合物光伏材料，聚合物/富 子X位于立方体面心处，有机阳离子A位于立方体顶点位置。勒烯太阳能电池因其重量较轻、工艺设备简单、成本低廉、和以共棱、共面形式连接的结构相比，钙钛矿太阳能材料优异的光电转换性和易于生产大面积柔性器件等鲜明优势，比较稳定的晶体结构更有利于缺陷的扩散和迁移。同时，从而受到科研人员和工业生产的高度关注。近年来，聚合钙钛矿太阳能光伏材料的光吸收层电致发光与光致发光特物-富勒烯类聚合物太阳能电池光电转化率实现11%的性决定其具有直接带隙、较高的光吸收系数、截流子输运突破，尤其是以PCBM为典型的富勒烯类电子受体材料。性能和较高的缺陷容忍度。为有效调节ABX3钙钛矿光伏材一些研究人员利用溶剂挥发法、自组装法等方法制备出 料能带带隙，可以通过能带工程改变ABX3󰀃3种组分的组合。P3BT-nw/C61-PCBM和P3BT-nw/C71-PCBM纳米线，研究结果空穴传输材料用于空穴快速有效传输，其基本要求是材料表明：在太阳光照射条件下，这些C60衍生物纳米材料具有能级与钙钛矿材料最高已占轨道具有较高匹配度和较高的优异的光电转换性、较好的热稳定性和理想的延展性[6]。空穴迁移率。空穴传输材料按材料性质分为无机空穴传输C60及其衍生物太阳能光伏材料已成为新一代具有巨大发展材料和有机空穴传输材料，其中市场应用最广泛的有机空潜力的光伏发电材料。然而C60及衍生物在可见-近红外光穴传输材料是Spiro-OMETAD[9]，尽管其具有一般空穴传输区光子吸收率低下，应用于受体材料器件时必须增强材料材料不可企及的光电转换性能，但其制备难度较大、生产自身对太阳光的吸收率。成本过高，不利于大范围生产使用。电子传输材料的作用３　新一代太阳能光伏发电材料是阻挡空穴与电子互相运动复合且有利于电子高效稳定传３．１　石墨烯输。电子传输材料需要具备较高的电子迁移率和良好的透石墨烯特有的单原子结构使其具有优异的导电性、较光性，并且其能级与电极的导带位置互相匹配。钙钛矿太高的热导率、极高的载流子迁移率、极佳的柔韧性，是具阳光伏材料在快速发展的同时也存在一些亟需突破的问题，有良好发展前景的新一代太阳能光伏材料。然而，完整状如何在提高稳定性的同时还具有较高转换效率是目前的一态下的石墨烯组织表面化学性能较稳定，同时与常用介质个难点。亲和性较低，并且石墨烯片间范德华力的存在会引起石墨４　结语烯片团聚，这在很大程度上增加了石墨烯的研究难度并限太阳能光伏发电材料的不断研究改进对太阳能资源高制其应用范围。为克服材料组织带来的困难并充分发挥其效、深度开发利用起着至关重要的作用。随着市场对不同优良特性，需要对石墨烯进行系列处理，常用的处理有功光伏发电新技术需求的增加，与之相应的太阳能光伏发电能化、化学掺杂和石墨烯结构改性。例如，卟啉对石墨烯材料的研究需解决以下问题：（1）重点发展新兴高效太阳的共价键功能化促使电子及能量在石墨烯与卟啉之间发生能光伏发电材料和环境友好型光伏发电材料，不断提高转转移；同时，杂化处理的材料具有优良的非线性光学性质[7]。换效率，降低光伏材料对环境的污染；（2）不断改进和简为有效提高其光电性能。Bi等[8]利用化学气相沉积法制备化光伏发电材料生产工艺，降低对材料生产设备的要求，PMMA-石墨烯-泡沫镍复合材料，将该材料用于CdTe太阳提高材料使用稳定性；（3）降低材料开发及生产成本、寻能电池的工作电极，结果表明该新型复合光伏材料具备较找原料来源丰富且用量少的新型材料。高的电子传输率，且光伏发电效率显著提高至9.1%。目前，三维石墨烯及石墨烯衍生物的应用研究已成为国际学者和参考文献各大生产厂商重点关注对象之一，期待能在能源、环境和[1]王秀琴.纳米线太阳能电池结构、制造工艺及性能研究[D].电子等诸多领域发挥更大的应用价值。镇江：江苏大学，2016.３．２　钙钛矿型[2]李峰.德研发出转换率逾20%的多晶硅太阳能电池[J].功能钙钛矿太阳能光伏材料不仅具有良好的吸光性和电荷材料信息，2004，（3）：63-63.传输速率，而且还能通过不同的结构提升其光电转化效率。[3]Liang󰀃D，Kang󰀃Y，Huo󰀃Y，et󰀃al.󰀃High-efficiency󰀃因其高达50%的光电转换效率而引起国内外学术人员和生nanostructured󰀃window󰀃GaAs󰀃solar󰀃cells[J].Nano󰀃现代制造技术与装备2016年12月-正文-20170105.indd 472017/1/6 9::43４８现代制造技术与装备２０１６第１２期　总第２４１期Letters，2013，13（10）：4850-4856.619-629.[4]陶加华.高效率Cu2ZnSnS4薄膜太阳能电池电化学共沉积制备及性能研究[D].上海：华东师范大学，2016.Research Progress of Solar Photovoltaic Power [5]张昱.基于氟取代BT和BTA有机光伏材料合成与表征[D].大Generation Materials连：大连理工大学，2015.ＤＯＵ　Ｈａｉｌｉｎ，　ＷＡＮＧ　Ｂｏ，　ＺＨＡＮＧ　Ｊｉｎｇｙｕ，　ＪＩＡ　Ｇｕｉｘｉａｎｇ[6]P󰀃Xue，R󰀃Lu，L󰀃Zhao，et󰀃al.󰀃Hybrid󰀃Self-assembly󰀃of󰀃a󰀃（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．　Ｌｔｄ．，　pi󰀃Gelator󰀃and󰀃Fullerene󰀃Derivative󰀃with󰀃Photoinduced󰀃Ｘｉ’ａｎ　７１００８２）Electron󰀃Transfer󰀃for󰀃Photocurrent󰀃Generation[J].Abstract:　Ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｒａｐｉｄ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｏｓｓｉｌ　ｅｎｅｒｇｙ　Langmuir󰀃the󰀃Acs󰀃Journal󰀃of󰀃Surfaces󰀃and󰀃Colloids，ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ，　ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｈｕｍａｎ　2010，26（9）：6669-6675.ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ｆｏｒ　ｆｕｔｕｒｅ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｌｉｆｅ　ｈａｓ　ｂｒｏｕｇｈｔ　[7]Y󰀃Hizume，K󰀃Tashiro，R󰀃Charvet，et󰀃al.󰀃Chiroselective󰀃ｇｒｅａｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，　ｓｏｌａｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｓ　ａ　ｃｌｅａｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｈａｓ　ｃａｕｓｅｄ　ｔｈｅ　ｆｏｃｕｓ　Assembly󰀃of󰀃a󰀃Chiral󰀃Porphyrin−Fullerene󰀃Dyad：ｏｆ　ｓｃｉｅｎｔｉｓｔｓ．　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Photoconductive󰀃Nanofiber󰀃with󰀃a󰀃Top-Class󰀃Ambipolar󰀃ｓｏｌａｒ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｈａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｒａｐｉｄｌｙ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ，　Charge-Carrier󰀃Mobility[J].Journal󰀃of󰀃the󰀃American󰀃ｔｈｅ　ｌａｔｅｓｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｉｎｏｒｇａｎｉｃ　ａｎｄ　ｏｒｇａｎｉｃ　Chemical󰀃Society，2010，132（19）：6628-6629.ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｓｏｍｅ　[8]Bi󰀃H，Huang󰀃F，Liang󰀃J，et󰀃al.󰀃Large-scale󰀃Preparation󰀃ｅｍｅｒｇｉｎｇ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　of󰀃Highly󰀃Conductive󰀃Three󰀃Dimensional󰀃Graphene󰀃and󰀃ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ｆｕｔｕｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｏｌａｒ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　Its󰀃Applications󰀃in󰀃CdTe󰀃Solar󰀃Cells[J].Journal󰀃of󰀃ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Materials󰀃Chemistry，2011，21（43）：17366-17370.Key words:　ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，　ｏｒｇａｎｉｃ　[9]邓林龙，谢素原，黄荣彬，等.钙钛矿太阳能电池材料和器件ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，　ｅｍｅｒｇｉｎｇ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　的研究进展[J].厦门大学学报：自然科学版，2015，（5）：ｍａｔｅｒｉａｌｓ，　ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ（上接第45页）压抽屑装置动能更大，从而使动能转换率体运动特征提供相应的依据。更高，能够使排屑通道中的混合液体加速运动，增强排屑能力。参考文献传统负压抽屑装置排屑通道中的最大值是700J，喷射[1]王世清.深孔加工技术[M].西安：西北工业大学出版社，泵式负压抽屑装置排屑通道中的最大值是800J，可见喷射2003：20-73.泵式负压抽屑装置的排屑通道具有更强的混合力，从而带[2]王竣.现代深孔加工技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业出版社，动排屑能力的提升。2005：97-85.传统负压抽屑装置以及喷射泵式负压抽屑装置在出口处的混合液温度分别处在323.5～325.5K与323～324.5K，Study the Injection Pump Type DF System with 可见相同温度下，喷射泵式负压抽屑装置排出的混合液温度Fluent更低，证明了该装置具有良好的散热性能。ＰＩＮＧ　Ｙａｎｌｉｎｇ４　结语（Ｃｈａｎｇｚｈｉ　ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｃｏｌｌｅｇｅ，　Ｃｈａｎｇｚｈｉ　本文主要建造两种负压抽屑装置和腔体内流体物理模０４６０００）型，使用Fluent软件分析腔体内流体运动特征，并对比喷Abstract:　Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｆｌｕｉｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｆｌｕｅｎｔ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　射泵式的负压装置实验仿真与传统负压抽屑装置在压力场、ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ＤＦ　ｓｙｓｔｅｍ　（ｊｅｔ　ｐｕｍｐ　ｔｙｐｅ　ＤＦ　ｓｙｓｔｅｍ）．　Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　速度场、温度场和能量场等，分析各自特性与不足。研究ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ＤＦ　ｊｅｔ　ｃｏｎｉｃａｌ　ｎｏｚｚｌｅ　ｃｈｉｐ　结果表明，相对于传统圆锥形喷嘴负压装置，配备扩散室ｃａｐａｃｉｔｙ　ｐｕｍｐ　ＤＦ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｆａｒ　ｓｕｐｅｒｉｏｒ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　与自由曲面的内外喷嘴结构喷射泵式负压装置具有更强的ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，　ａｎｄ　ｃａｎ　ａｌｌｏｗ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ　ｔｏ　ｖｉｓｕａｌｌｙ　排屑能力。此外，验证DF系统中负压装置的巨大作用，同ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｉｎ　ｆｌｕｉｄ　ｍｏｔｉｏｎ．时为研究者进一步了解喷射泵式DF系统的负压装置的内流Key words:　ｄｅｅｐ　ｈｏｌｅ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ，　ＤＦ　ｓｙｓｔｅｍ，　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｅｖｉｃｅ，　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ现代制造技术与装备2016年12月-正文-20170105.indd 482017/1/6 9::43