太阳能电池的研究现状及发展
【摘要】近年来随着人们对环境的重视，对新能源的需要变得越来越大，太阳能成为新型能源将被广泛应用。

黄铁矿结构的二硫化铁（FeS2）是一种具有合适的禁带宽度（Eg≈0.95eV）和较高光吸收系数（当λ≤700nm时，α=5×105cm-1）的半导体材料，而且其组成元素在地球上储量丰富、无毒，有很好的环境相容性。

因此，FeS2薄膜在光电子以及太阳能电池材料等方面有潜在的应用前景，受到人们的广泛关注。

本文从不同制备方法所制备出的二硫化铁薄膜的研究结果，来分析二硫化铁薄膜的研究状况。

【关键词】能源;二硫化铁;制备方法;光电性能
1.引言
太阳能电池自1954年由诺贝尔实验室和RCA公司几位杰出的科学家发明问世以来，由于地球变暖现象的日益严重，世界各国对二氧化碳的排放量均采取严格的管制，再加上石油匮乏，40年后将消耗殆尽，其价格持续攀升，这些因素都促成了对代替能源的重视与需求，也激发了太阳能产业的蓬勃发展。

太阳是一座聚合核反应器，它一刻不停地向四周空间放射出巨大的能量。

它的发射功率为3.865×1026J/S（相当于烧掉1.32×1016ton标准煤释放出来的能量）。

地球大气表层所接收的能量仅是其中的22亿分之一，但是地球一年接收的太阳的总能量却是现在人类消耗能源的12000倍。

另外，根据文献记载太阳的质量为1.989×1030kg，根据爱因斯坦相对论（E=mc2）可以计算出太阳上氢的含量足够维持800亿年。

而由地质资料得出的地球年龄远远小于这个数字。

因此可以说太阳能是取之不尽、用之不竭的[1-3]
2.太阳能电池
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。

以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。

2.1 太阳能电池发展
目前，太阳能电池产品是以半导体为主要材料的光吸收材料，在器件结构上则使用P型与N型半导体所形成的PN结产生的内电场，从而分离带负电荷的电子与带正电荷的空穴而产生电压。

由于晶体硅材料与器件在技术的成熟度方面领先于其他半导体材料，最早期的太阳能电池极为晶体硅制成，直到近几年晶体硅太阳能电池仍有大约90%的市场占有率。

除了技术与投资门槛较低以外，不用担心硅原料匮乏等都是造成其市场占有率高的主因。

在晶体硅太阳能电池之后，大约从1980年起开始有非晶硅薄膜太阳能电池
产品导入市场，率先应用于小型电子产品（如计算机、手表等），接着因技术演进而有大面积的太阳能电池模块用于建筑物，甚至以其可弯曲的特性创造更宽广的多元应用。

只要是具有直接能隙的半导体材料，因其光吸收系数很高，如GaAs、CdTe、CIGS等，都可以作为薄膜太阳能电池结构中的光吸收层，厚度只有数微米。

比起间接能隙的晶体硅材料（一般需要数百微米的厚度），薄膜太阳能电池用料较少，再加上晶体硅原料价格居高不下，在材料成本上会显著低于晶体硅太阳能电池。

若未来技术成熟度和自主性提升，将有利于市场占有率的提高。

太阳能电池能否作为一般能源广泛使用，与它的发电成本是否能与市电竞争有关。

大量生产之下却又成本大幅降低的空间，而靠技术的精进来提升电池的效率也有助于成本下降，音量产于技术进展而是成本降低，到2030年可能与核能发电成本相当[4]。

2.2 太阳能电池的研究历程
以太阳能发展的历史来说，光照射到材料上所引起的“光起电力”行为，早在19世纪的时候就已经发现了。

1839年，光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。

1849年术语“光-伏”才出现在英语中。

1883年第一块太阳电池由Charles Fritts制备成功。

Charles用锗半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，器件只有1%的效率。

到了1930年代，照相机的曝光计广泛地使用光起电力行为原理。

1946年Russell Ohl申请了现代太阳电池的制造专利。

到了1950年代，随着半导体物性的逐渐了解，以及加工技术的进步，1954年当美国的贝尔实验室在用半导体做实验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。

太阳电池技术的时代终于到来。

1960年代开始，美国发射的人造卫星就已经利用太阳能电池作为能量的来源。

1970年代能源危机时，让世界各国察觉到能源开发的重要性。

1973年发生了石油危机，人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。

在美国、日本和以色列等国家，已经大量使用太阳能装置，更朝商业化的目标前进。

在这些国家中，美国于1983年在加州建立世界上最大的太阳能电厂，它的发电量可以高达16百万瓦特。

南非、博茨瓦纳、纳米比亚和非洲南部的其他国家也设立专案，鼓励偏远的乡村地区安装低成本的太阳能电池发电系统。

而推行太阳能发电最积极的国家首推日本。

1994年日本实施补助奖励办法，推广每户3，000瓦特的“市电并联型太阳光电能系统”。

在第一年，政府补助49%的经费，以后的补助再逐年递减。

“市电并联型太阳光电能系统”是在日照充足的时候，由太阳能电池提供电能给自家的负载用，若有多余的电力则另行储存。

当发电量不足或者不发电的时候，所需要的电力再由电力公司提供。

到了1996年，日本有2，600户装置太阳能发电系统，装设总容量已经有8百万瓦特。

一年后，已经有9，400户装置，装设的总容量也达到了32百万瓦特。

随着环保意识的高涨和政府补助金的制度，预估日本住家用太阳能电池的需求量，也会急速增加。

在中国，太阳能发电产业亦得到政府的大力鼓励和资助。

2009年3月，财政部宣布拟对太阳能光电建筑等大型太阳能工程进行补贴[5]。

加州伯克利大学评估了23种有利用前景的半导体材料，发现l2种有足够的丰度，能满足或充分满足全球在这方面的能源需求。

在这l2种材料中，有9种重要的原材料成本低于目前大规模生产的光伏材料中使用的硅晶体[9]。

4.总结与展望
当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。

欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。

在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。

目前，全球太阳能电池市场竞争激烈，欧洲和日本领先的格局已被打破。

尽管主要的销售市场在欧洲，但太阳能电池的生产重镇已经转移到亚洲。

2011年，在光伏市场带动下，全球光伏电池产量持续增长，达到29.5GW。

2008年全球薄膜太阳能电池产量达988.8MW，同比增长122%。

2009年世界生产的光伏电池总量达到10700MWp，其中薄膜电池1700MWp，在其中占比约15.9%。

2010年全球薄膜太阳能电池产量增长迅速，产量为2767MW。

这几年中，薄膜太阳能电池总产量的增长率一直维持在高位。

我国也高度重视薄膜太阳能电池技术的研发和产业化，与国际先进水平差距逐步缩小，积极有序地发展。

截至2008年底，我国已建成并投产的14家薄膜太阳能电池企业的产能约达125.9MW，年产量约为46MW。

截止2009年底，已开工建设和已开展前期工作宣布建设的薄膜太阳能电池项目将近40个。

在未来市场中，薄膜太阳能电池所占的比重将会不断增加，薄膜太阳能电池的研发将继续提速。

未来光伏建筑一体化（BIPV）的推广以及国家扶持太阳能
电池发展的政策陆续出台，将推动我国薄膜太阳能电池新一轮的高速发展。

另外，薄膜电池已被列入我国太阳能光伏产业“十二五”规划的发展重点。

本文介绍了国内外太阳能电池的背景和发展，不同材料的太阳能电池，以及重点讲述了黄铁矿新型太阳能电池的一些特性和未来的发展趋势。

在未来的一段时期内，薄膜电池、柔性电池以及叠层电池将成为太阳能电池研究领域的主流。

染作为新型陶瓷基太阳能电池，料敏化太阳能电池已逐渐得到国际专家、学者以及多领域产业的关注与重视，待技术条件成熟后，将成为国际市场的主流产品。

参考文献
[1]黄素逸.能源科学导论[M].北京：中国电力出版社，1999：202-204.
[2]朱兆瑞，祝昌汉等编.中国太阳能[M].北京：气象出版社，1988：1-5.
[3]叶大均，能源概论[M].北京：清华大学出版社，1990：2-3.
[4]黄惠良，林坚杨等.太阳能电池——制备·发展·应用[M].科学出版社，2012：6-9.。