1.2　太陽能電池

太陽能電池是一種能吸收太陽光并將其轉換為電能的設備。1839年，法國科學家A.E.Becquerel發現當兩片放入鹵化物的溶液中的鉑電極上有光照射時，它們之間就有電流通過，這就是所謂的光伏效應。光伏效應是太陽能電池技術的理論基礎。世界上首個太陽能電池于1883年由美國科學家C.Fritts制造出來，其利用Se-Au半導體-金屬異質結制造出的太陽能電池的效率達到了1%［5］。而世界上第一個可以使用的太陽能電池是由美國貝爾實驗室的Chapin等人于1954年研制成功的，其光電轉換效率約為6%［6］。此后，各國的研究者們又研制成功了一系列不同類型太陽能電池，太陽能電池的光電轉換效率也在不斷提高，并且它們已經應用到航空、軍事和人們的日常生活等領域中。

1.2.1　單晶硅太陽能電池

在全球太陽能電池市場中，硅太陽能電池占據主導地位。硅是間接帶隙半導體材料，室溫下的能帶間隙約為1.1eV。對于單晶硅太陽能電池而言，由于硅的間接帶隙特征導致需要較厚的硅片（約為數百微米）來吸收足夠的入射太陽光［7］。但是單晶硅的制備成本高昂，所以這也被認為是單晶硅太陽能電池的最大劣勢。常規的硅太陽能電池基本結構為N-P型，即以P型單晶硅片作為基片，在基片上制備一層薄的N型發射極材料。P型基片是利用Czochralski方法制備的硼摻雜的單晶硅，而N型發射極材料是在P型基片上通過高溫擴散引入磷雜質制備［7］。單晶硅太陽能電池的工作原理見圖1-1。在無光照情況下，由于N區的載流子電子濃度大于P區的電子濃度，導致電子從N區流向P區，同理，P區的載流子空穴濃度也大于N區的，導致空穴從P區流向N區，這些載流子的流動形成了擴散電流。而在P-N結處，未被相消的載流子形成一個內電場，其方向與擴散電流方向相反。當由內電場引起的漂移電流與擴散電流達到平衡時，在P-N結處形成空間電荷層，在空間電荷層里沒有任何載流子，如圖1-1（a）所示。當單晶硅受到光照時，其會吸收那些能量大于或等于硅的禁帶寬度的光子產生電子空穴對。P區的光生電子（少子）向P-N結邊界擴散，一旦到達P-N結邊界，其會立即受到內電場的牽引力作用做漂移運動越過空間電荷層，到達N區。同樣，N區的光生空穴（少子）也會先向空間電荷層擴散，然后被內電場分離到達P區，如圖1-1（b）所示。在P-N結的兩側便由于電荷的積累而產生光生電壓，接上負載后，光電流就能通過負載輸出能量。

圖1-1　單晶硅太陽能電池工作原理

（a）無光照；（b）光照

1.2.2　多晶硅太陽能電池

盡管澳大利亞的新南威爾士大學（UNSW）的Zha。等［8］已經報道了能量轉換效率約為25%的單晶硅太陽能電池，但是使用單晶硅作為太陽能電池的原始材料仍然需要付出高昂的成本。與此同時，人們研發出了多晶硅太陽能電池來取代單晶硅太陽能電池。多晶硅太陽能電池的能量轉換效率要比單晶硅太陽能電池的低2%～3%，但是它的制造成本只有后者的80%［7］。另外，商用的多晶硅太陽能電池的平均能量轉換效率并不比單晶硅太陽能電池的低，均約為12.6%［7］。

1.2.3　薄膜太陽能電池

目前限制晶體硅太陽能電池進一步發展的最大問題仍然是晶體硅材料的制備成本，因此，降低對晶體硅材料的使用將有利于太陽能電池的推廣。非晶硅薄膜太陽能電池是利用非晶硅材料在玻璃、塑料、不銹鋼等為基體制備的一種薄膜太陽能電池。非晶硅（a-Si）是直接帶隙半導體材料，禁帶寬度為1.7eV，通過摻雜磷元素（P）或者硼元素（B）可以制備出N型a-Si或者P型a-Si。由于非晶硅半導體材料的本征光吸收系數很大，1μm厚度的材料就能充分吸收太陽光，與數百微米厚度的晶體硅相比，可以節省很多硅材料，而且非晶硅的制備成本要低，所以非晶硅薄膜太陽能電池的整體成本要低很多［7］。Fernando Villar等［9］制備出的非晶硅薄膜太陽能電池的光電轉換效率約為4.6%，其是在溫度低于150℃下利用HWCVD方法制備的。而日本三菱重工（MHI）的Hiromu Takatsuka等［10］成功制備出1.4m×1 .1 m大面積的能量轉換效率高達8%的非晶硅太陽能電池。非晶硅太陽能電池被認為具有良好的發展前景，但其具有的光致衰減效應卻制約了其大規模使用。

除了硅基薄膜太陽能電池外，近年來人們還開發出了以CdTe和GaAs等為代表的化合物薄膜太陽能電池。CdTe基薄膜太陽能電池結構簡單，能量轉換效率高，成本相對較低，常用的制備技術主要有真空蒸鍍法、濺射法、電化學沉積法等。由于Cd元素有劇毒，會嚴重污染環境，因此，CdTe基薄膜太陽能電池無法替代硅太陽能電池。GaAs基薄膜太陽能電池具有高的能量轉換效率，制備方法主要有晶體生長法、氣相生長法、直接拉制法、液相外延法等。但是由于材料成本太過高昂，嚴重制約了其在民用化方面的發展，多用于航空業，如作為航天飛機、宇宙飛船的電源。

1.2.4　量子點敏化太陽能電池

晶體硅太陽能電池和薄膜太陽能電池分別被稱為第一代和第二代太陽能電池，而現在人們更多地在關注第三代太陽能電池，包括染料敏化太陽能電池（DSSCs）和量子點敏化太陽能電池（QDSSCs）等。盡管DSSCs具有成本低、能量轉換效率高、可制備成柔性和透明的器件等優點，但其仍然面臨著吸收光譜范圍較窄，載流子的傳輸性能較低等問題。為了解決DSSCs的這些問題，人們正在研究制備光譜響應范圍較寬的新染料。其中，由于無機量子點具有可調的光譜響應范圍、較高的消光系數以及多激子效應等優點，QDSSCs正成為備受人們關注的研究方向。1998年，Zaban等［11］第一次報道了利用InP量子點制備量子點敏化太陽能電池。經過十多年的發展，現在實驗室制備的QDSSCs的效率已經達到7%［12］