2011

年第

期

引言

随着人类社会的不断发展，石油、煤炭、天然气等不可再生资源日

益减少，同时对这些不可再生资源的大量使用会对环境产生极大的污
染，因此各个国家在保持天然气、石油、煤炭等工业的可持续发展的同
时，极度重视可替代能源和可再生能源的开发和研究

[1]

。预计到

2025

年，光伏发电在世界各国总发电量中将占到 6%-21%

[3]

。近些年来，国

际光伏发电发展极为迅速，美国、欧洲和日本等发达国家都制定了极
其巨大、极其精致的光伏发电发展计划，国际光伏市场开始由特殊应
用、边远农村向建筑和并网发电结合供电的方向发展，同时，光伏发电
也从补充能源向替代能源过渡。

太阳能电池概况

太阳能光伏发电的基础和核心是太阳能电池，太阳能光伏发电利

用光生伏电效应把光能转变为电能的光伏器件。按照材料的不同进行
分类的话，太阳能电池分为：

1.1 半导体无机化合物太阳能电池:主要包括砷化稼、硫化锅太阳

能电池。

1.2 硅太阳能电池: 太阳能电池以硅材料作为基体的。如非晶硅、

单品硅、多晶硅太阳能电池等等。用这类材料制造的太阳能电分为薄
膜和片状两种。

1.3 染料敏化太阳能电池:以 Sn0

、

TiO

、

ZnS 等氧化物、纳米级的

半导体为电极，使用有机染料及无机带半导体染料敏化剂制成的太阳
能电池。

1.4 有机化合物太阳能电池:将外琳、酞善、叶绿素等光敏材料制

成的太阳能电池。

影响太阳能电池转换效率的因素

2.1 禁带亮度

一方面，开路电压随光强的增大而增大；另一方面，电流随光强的

增大而减小。结果可以认为可期望在某一个确定的光强度，在这里出
现太阳电池效率的峰值。

2.2 温度

随温度的增加，转换效率下降。我们知道，电流对温度很敏感，同

时，温度对开路电压起主要作用。对于 Si 材料来说，当温度增加 10℃
的时候, 开路电压就会下降室温值的 0.4%，例如，一个硅电池在 20℃
时，其转化效率为 20%，当温度升到 120℃时，其效率变为仅为 12%。

2.3 复合载流子的寿命

我们知道，载流子的复合寿命越长越好，主要是因为这样电流就

会越大。在间接带隙半导体材料，如 Si 材料中，离结 150 微米处会产
生大量的载流子，所以希望它们的寿命能大于 1 毫秒。在直接带隙材
料，如 GaAs、G

S 等材料中，只要 10 毫秒的复合寿命就可以满足需要

了。

2.4 光的强度

如果将太阳光聚焦于太阳电池的话，就可以使一个很小的太阳电

池产生出很大的电能。设想太阳光被浓缩了 N 倍，我们知道，这时候
单位电池面积的输入功率也会增加 N 倍，此时开路电压会增加 lnN
倍。这样的话，输出功率的增加将极大的超过 N 倍。因此可以看出，聚
光的效果使转换效率增加了。

2.5 掺杂浓度分布

掺杂浓度是对对开路电压有明显的影响的另一因素。掺杂浓度的

数量级是非常容易改变的。掺杂浓度愈高，开路电压就会越高。

2.6 串联的电阻

不管在哪一个实际的太阳电池中，都会安装着电阻，而且这些电

阻是串联的，其来源可以是金属接触栅、电池体电阻或引线。在通常情

况下，串联电阻主要来源于薄扩散层。 PN 结收集的电流需要经过表面
薄层，然后流入最靠近的金属导线，很明显知道，通过密布金属线的数
量可以减少串联电阻。

2.7 金属栅和光反射

阳光是不能穿透安装在前表面上的金属栅线的。为了使电流最

大，金属栅占有的面积应该设置为最小。为了使电阻变小，通常情况下
是将金属栅做成又密又细的形状。

太阳光存在反射现象，不是所有的光线都能进入材料中。资料显

示，裸 Si 表面的反射率 42%，这样的话，可以使用减反射膜，从而降低
材料的反射率。对那些垂直投射到太阳能电池上单波长的光，用某种
厚度为 1/4 波长的涂层就能够使得反射率变为零。对于太阳光而言，
采用多层涂层便可以取得较好的效果。

窗口层材料在太阳电池中的作用

窗口层材料对太阳能电池影响是非常大的，它直接影响光电转换

效率。笔者想在改善传统化学水浴法工艺基础上，研究锅盐种类与浓
度、浓度与氨盐、浓度与硫脉、浓度与氨水浓度对硫化锡薄膜的影响的
同时，分析不同的工艺条件对制备硫化锡的影响，并对制备的样品作
了形貌、结构和光学等方面的分析，研制出大面积颗粒均匀分布，并且
非常适合于太阳能电池的硫化锡薄膜，同时还想解决在低温条件下，
通过研制结晶度好、透光率高的氧化锌薄膜的难题，为大面积生产薄
膜太阳能电池提供了制备优良窗口层材料的制备工艺。

薄膜太阳能电池窗口层材料的发展

将高质量 TnO 薄膜材料作为太阳电池窗口层，它和吸收层材料

一起，构成了异质结的同时，在一定程度上有效减少电池层各层之间
的短路，同时极大的提高材料的光电转换效率。对于薄膜太阳能电池，
各种短路效应都将造成光电转换能量损失以及效率的降低。我们知
道，常见的短路有两种：吸收层 CIGS 和前电极间的短路、前后电极间
的短路。提高质量的 ZnS 薄膜可以避免这两种短路现象，这就要求

ZnS 薄膜具有较高电阻和颗粒均匀致密的表面特性。

ZnS 薄膜以其应用广泛、性能多样和价格低廉等优势，是一种在

高新技术领域及广阔的军事和民用领域具有很大的很大发展潜力的
薄膜材料。概括起来其应用主要有以下几点:

4.1 短波长发光材料

以往的制备工艺很难制出高质量的氧化锌薄膜，由于纳米出现，

导致其结构中激子的跃迁振子增强效应，在室温下测量到的光学增益
高达 320 cm

1 比在同样条件下测量到的块状氧化锌晶体的光学增益

要高一个数量级以上。

4.2 透明导电材料
ZnS 薄膜尤其是 A1 掺杂 ZnS 薄膜，是极好的透明电极材料，具有

优异的透明导电性能，在可见光波长范围内的透射率可达 90%以上。

4.3 光电器件的单片集成
ZnS 在 40-2000 nm 甚至更长的波长范围内都是透明的，加之所

具有的光电、压电等效应，使之成为集成光电器件中一种极具潜力的
材料。采用 Si 晶片等作衬底，在其上生长 ZnS 薄膜材料，可提供一种
将电学、光学以及声学器件进行单片集成的途径，这些发现使 ZnS 薄
膜在集成铁电器件中也具有潜在的应用前景。

ZnS 薄膜用于太阳能电池有显著优点。首先，在通常情况下制备

出的 ZnS 薄膜都呈现出 N 极，所以 ZnS 又有“单极半导体”之称。本征

ZnS 薄膜一般为高阻材料。由于 ZnS 薄膜中容易形成氧空位和锌填原

子，他们在 ZnS 晶体的能带结构中形成缺陷能级，使得 ZnS 薄膜呈现
出 N 型，因此可以和其他的 P 型材料构成异质结。其次，ZnS 薄膜在可
见光范围内具有较高的投射率，同时 ZnS 薄膜受到高能粒子辐射损伤
小，特别适合于太空中使用，并且 ZnS 材料来源丰富、（下转第 48 页）

薄膜太阳能电池窗口层材料的应用与发展

俞秋蒙

(

福州大学物信学院

福建

福州

350000)

【摘

要】在研究能源发展及其相关技术进步的基础上，研究了太阳能电池的发展现状，结合笔者工作经验，仔细分析了影响太阳能电池转

换效率的因素以及窗口层材料在太阳电池中的作用，研究了 ZnS 材料在太阳能电池窗口层中的重要作用，建议各研究者致力于 nS 薄膜的研
究，为中国能源的发展做出应有的贡献。

【关键词】太阳能电池

;窗口层材料;应用与发展

◇

高校论述

◇