1.2　太阳能电池

太阳能电池是一种能吸收太阳光并将其转换为电能的设备。1839年，法国科学家A.E.Becquerel发现当两片放入卤化物的溶液中的铂电极上有光照射时，它们之间就有电流通过，这就是所谓的光伏效应。光伏效应是太阳能电池技术的理论基础。世界上首个太阳能电池于1883年由美国科学家C.Fritts制造出来，其利用Se-Au半导体-金属异质结制造出的太阳能电池的效率达到了1%［5］。而世界上第一个可以使用的太阳能电池是由美国贝尔实验室的Chapin等人于1954年研制成功的，其光电转换效率约为6%［6］。此后，各国的研究者们又研制成功了一系列不同类型太阳能电池，太阳能电池的光电转换效率也在不断提高，并且它们已经应用到航空、军事和人们的日常生活等领域中。

1.2.1　单晶硅太阳能电池

在全球太阳能电池市场中，硅太阳能电池占据主导地位。硅是间接带隙半导体材料，室温下的能带间隙约为1.1eV。对于单晶硅太阳能电池而言，由于硅的间接带隙特征导致需要较厚的硅片（约为数百微米）来吸收足够的入射太阳光［7］。但是单晶硅的制备成本高昂，所以这也被认为是单晶硅太阳能电池的最大劣势。常规的硅太阳能电池基本结构为N-P型，即以P型单晶硅片作为基片，在基片上制备一层薄的N型发射极材料。P型基片是利用Czochralski方法制备的硼掺杂的单晶硅，而N型发射极材料是在P型基片上通过高温扩散引入磷杂质制备［7］。单晶硅太阳能电池的工作原理见图1-1。在无光照情况下，由于N区的载流子电子浓度大于P区的电子浓度，导致电子从N区流向P区，同理，P区的载流子空穴浓度也大于N区的，导致空穴从P区流向N区，这些载流子的流动形成了扩散电流。而在P-N结处，未被相消的载流子形成一个内电场，其方向与扩散电流方向相反。当由内电场引起的漂移电流与扩散电流达到平衡时，在P-N结处形成空间电荷层，在空间电荷层里没有任何载流子，如图1-1（a）所示。当单晶硅受到光照时，其会吸收那些能量大于或等于硅的禁带宽度的光子产生电子空穴对。P区的光生电子（少子）向P-N结边界扩散，一旦到达P-N结边界，其会立即受到内电场的牵引力作用做漂移运动越过空间电荷层，到达N区。同样，N区的光生空穴（少子）也会先向空间电荷层扩散，然后被内电场分离到达P区，如图1-1（b）所示。在P-N结的两侧便由于电荷的积累而产生光生电压，接上负载后，光电流就能通过负载输出能量。

图1-1　单晶硅太阳能电池工作原理

（a）无光照；（b）光照

1.2.2　多晶硅太阳能电池

尽管澳大利亚的新南威尔士大学（UNSW）的Zha。等［8］已经报道了能量转换效率约为25%的单晶硅太阳能电池，但是使用单晶硅作为太阳能电池的原始材料仍然需要付出高昂的成本。与此同时，人们研发出了多晶硅太阳能电池来取代单晶硅太阳能电池。多晶硅太阳能电池的能量转换效率要比单晶硅太阳能电池的低2%～3%，但是它的制造成本只有后者的80%［7］。另外，商用的多晶硅太阳能电池的平均能量转换效率并不比单晶硅太阳能电池的低，均约为12.6%［7］。

1.2.3　薄膜太阳能电池

目前限制晶体硅太阳能电池进一步发展的最大问题仍然是晶体硅材料的制备成本，因此，降低对晶体硅材料的使用将有利于太阳能电池的推广。非晶硅薄膜太阳能电池是利用非晶硅材料在玻璃、塑料、不锈钢等为基体制备的一种薄膜太阳能电池。非晶硅（a-Si）是直接带隙半导体材料，禁带宽度为1.7eV，通过掺杂磷元素（P）或者硼元素（B）可以制备出N型a-Si或者P型a-Si。由于非晶硅半导体材料的本征光吸收系数很大，1µm厚度的材料就能充分吸收太阳光，与数百微米厚度的晶体硅相比，可以节省很多硅材料，而且非晶硅的制备成本要低，所以非晶硅薄膜太阳能电池的整体成本要低很多［7］。Fernando Villar等［9］制备出的非晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率约为4.6%，其是在温度低于150℃下利用HWCVD方法制备的。而日本三菱重工（MHI）的Hiromu Takatsuka等［10］成功制备出1.4m×1 .1 m大面积的能量转换效率高达8%的非晶硅太阳能电池。非晶硅太阳能电池被认为具有良好的发展前景，但其具有的光致衰减效应却制约了其大规模使用。

除了硅基薄膜太阳能电池外，近年来人们还开发出了以CdTe和GaAs等为代表的化合物薄膜太阳能电池。CdTe基薄膜太阳能电池结构简单，能量转换效率高，成本相对较低，常用的制备技术主要有真空蒸镀法、溅射法、电化学沉积法等。由于Cd元素有剧毒，会严重污染环境，因此，CdTe基薄膜太阳能电池无法替代硅太阳能电池。GaAs基薄膜太阳能电池具有高的能量转换效率，制备方法主要有晶体生长法、气相生长法、直接拉制法、液相外延法等。但是由于材料成本太过高昂，严重制约了其在民用化方面的发展，多用于航空业，如作为航天飞机、宇宙飞船的电源。

1.2.4　量子点敏化太阳能电池

晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池分别被称为第一代和第二代太阳能电池，而现在人们更多地在关注第三代太阳能电池，包括染料敏化太阳能电池（DSSCs）和量子点敏化太阳能电池（QDSSCs）等。尽管DSSCs具有成本低、能量转换效率高、可制备成柔性和透明的器件等优点，但其仍然面临着吸收光谱范围较窄，载流子的传输性能较低等问题。为了解决DSSCs的这些问题，人们正在研究制备光谱响应范围较宽的新染料。其中，由于无机量子点具有可调的光谱响应范围、较高的消光系数以及多激子效应等优点，QDSSCs正成为备受人们关注的研究方向。1998年，Zaban等［11］第一次报道了利用InP量子点制备量子点敏化太阳能电池。经过十多年的发展，现在实验室制备的QDSSCs的效率已经达到7%［12］