0 引言
当代工业化生产与人类生存的主要能量由传统化石能源供应，但是对化石能源的持续开采导致了能源危机的产生，开发无污染、可再生的新能源成为了全球大多数国家的共识。对风能，地热能，核能和太阳能等新能源的开发和利用成为国际前沿科学的研究热点。其中，太阳能有着多种优点，如获取容易、安全无害、不产生污染等特点，为人们处理能源危机提供了新的方式，从而受到了研究者与市场的青睐。在1954年，美国科学家皮尔松在贝尔实验室首次制成了光电转化效率为6%，能够实际使用的单晶硅太阳能电池，这意味着将太阳能转换为电能的能够面向市场的光伏发电技术正式产生。光伏发电材料的光电性能是光伏发电转换效率的直接影响因素，所以，对光伏发电材料的研发在整个光伏领域，占据由极其重要的地位。
随着光伏发电的市场扩大，及对光伏发电材料的逐渐研究，无论何种材料，其光电转换效率都在稳步提升，同步伴随着生产成本的明显减少，可以预见，太阳能光伏发电市场将会越来越广阔，光伏发电这一技术越发显现其优越性。太阳能用光伏发电材料需要满足如下条件：
（1）半导体材料具有合理的禁带宽度和极好的光电转换性；
（2）生产工艺简单，对生产设备要求低，有利于工业化的大规模生产；
（3）使用材料应绿色环保，对生态环境应尽可能产生小的影响；
（4）光伏发电材料应有较长的使用时间且使用过程中稳定性高。[1]
1 不同光伏发电材料的研究进展
1.1 硅系
硅系光伏发电材料包括单晶硅与多晶硅。
1.1.1 单晶硅
单晶硅是当前光伏市场使用最为广泛的光伏发电材料，单晶硅太阳电池及其组件的制备技术在光伏发电材料中发展时间最长，其工业化制备工业相比较最为成熟。
半导体的禁带宽度决定着太阳电池的转换效率，目前研究就所得的单晶硅太阳电池效率的理论转换效率极限值为28%。
新南威尔士大学报导了用液相外延法制备的高效漂移场单晶硅电池，4.11cm2电池转换效率为16.4%，经减薄衬底，加强陷光等技术加工，在标准状况下其转换效率可达24.7%。北京市太阳能研究所研制的单晶硅太阳电池综合利用了各种先进技术，将光电转换效率提升到了19.8%。[2]
1.1.2 多晶硅
近年来，浇铸技术实现了较大的技术跨越，并且伴随着制作多晶硅光伏电池工艺的逐步改良。在光伏产业高水平快速度的市场需求增长下，不满足于单晶硅高昂的生产成本，多晶硅光伏发电材料渐渐被研究人员重视。
通过理论推算得到，多晶硅光伏电池的光电效率的极限值为23%。在德国弗劳恩霍夫协会科学技术人员的努力下，多晶硅太阳能电池的光电转换率实现了20.3%的突破，这也是目前多晶硅光电效率的最高纪录。
2006年日本京瓷制成了电池效率达18.5%的15×15cm2的大面积多晶硅电池，PECVD-SiN技术的应用达到了减反和钝化双重效果。可以认为提高多晶硅光伏电池光电转换效率的关键问题就是表面钝化、绒面结构和晶粒边界。[2]
1.2 无机型
III-IV族化合物半导体光伏材料具有直接带隙和拥有较宽的太阳光吸收波段等优点，非常适合用于光伏发电材料。此外，地球矿物中上富含的Cu，In，Se和Zn等元素，可用材料来源广，能够有效控制生产成本，加工效益高。 基于这些因素，太阳能电池主要研究人员和工业生产企业开始关注无机型光伏发电材料。
铜铟硒太阳电池（CIS）作为一种多晶薄膜电池在20世纪80年代逐渐发展起来。鉴于CIS电池其成本低、效率高、非常类似于单晶硅太阳电池的稳定性与空间抗辐射性等多种优异特点，受到了全世界光伏工作者普遍关注。
德国太阳能技术研究所经过10余年的研究，开发出了一种新技术，即新型薄膜太阳能电池，该技术采用电沉积连续制备工艺，在铜箔上制作出了用于薄膜太阳能电池的带卷，再通过一种非常特别的封装工艺组装成具有柔软特性的太阳能电池。
日本研究所发明了一种低成本，安全耐用的复合物半导体薄膜作为吸收层，替代原来的稀有金属材料的CIS电池基，利用太阳光谱频宽提高转换效率。[3]
此外，以纳米TiO2为主的薄膜太阳电池，因为其工作原理独特，生产成本低廉而引起了世界广泛关注。
1.3 有机型
在光伏领域，出现了一种以有机材料为基础的新的太阳能电池，被称为“有机光伏”。有机小分子太阳能光伏材料具有重量轻、低成本、化学稳定性好且制备方便等优势，但其迁移率较低。提高有机小分子光电材料的转换效率是研究的重点。[6]
Janssen等首次将苝酰亚胺衍生物作为N型半导体材料，以低聚亚苯基亚乙烯基(OPV)作为P型半导体材料，制备了一类P-N交替的共聚物，然而该类材料的电荷传输速率低。虽然苝二酰亚胺类材料具有在可见光区吸收强、电子亲和能较高、廉价、光和热稳定性较高等优点，但其电荷传输效率低限制了其在聚合物太阳能电池方面的广泛使用。
Zhang等将聚合物芳杂环受体EHH-PPyPzV与MEH-PPV共混制成本体异质结电池，其光电转换效率为0.03%。由于载荷的传输能力较低，器件的能量转换效率还有待提高。[4]
1.4 新型光伏发电材料
1.4.1 石墨烯
石墨烯作为黑金材料在航天、能源、材料学等方面有着广泛的应用前景，被视为未来的革命性材料。石墨烯特有的二维结构使其具有绝佳的导电性、良好的的热导率、极高的载流子迁移率以及极具发展前景的柔韧性，使得石墨烯在光伏发电材料中成为了新一代的热门研究方向。
例如，新加坡国立大学的研究人员报道了一种采用石墨烯透明导电电极的有机太阳能电池，系统地研究石墨烯的层数以及石墨烯掺杂对太阳能电池光伏性能的影响。
清华大学的研究人员首次报道了将石墨烯薄膜覆盖到n型硅片上制备了基于石墨烯的肖特基结太阳能电池，该器件具有明显的光伏特性，经过测试，其光电转换效率达到了1.65%。
香港理工大学的研究人员将石墨烯薄膜覆盖到n型砷化镓基底上也构建了基于石墨烯的肖特基结太阳能电池。[5]
1.4.2 钙钛矿
在新概念太阳能电池中，钙钛矿太阳能电池以其工艺简单、质量小、价格低廉、可弯曲性能好以及大面积制备等特点，成为目前研究的热点。因其理论极限高达50%的光电转换效率而引起国内外学术人员和生产厂家的高度关注。钙钛矿太阳能光伏材料主要包括钙钛矿吸光材料、空穴传输材料、电子传输材料。[7]
在2009年，日本的Miyasaka等研究人员首次报道了具有钙钛矿结构的有机-铅卤化物的光电转化材料。由该种材料制备而成的敏化太阳能电池，其光电转换效率达到了3.81%。
在2013年，身为英国牛津大学教授的Snaith研发出一种新型的全固态钙钛矿太阳能电池中，在这种电池中，其太阳能电池的吸光材料由有机金属卤化物钙钛矿结构组成。该项发明被认为是钙钛矿光伏发电材料领域的突破性新进展。
近年来，以有机-无机复合钙钛矿材料为代表的太阳能发电技术展现出了非常光明的产业化发展前景。[8]
2 光伏发电材料的发展前景
在目前太阳能发电市场，电池材料是以硅材料为主的单晶、多晶硅占据主流市场份额，但是硅材料本身在光伏发电领域仍旧存在许多问题，因此一方面要寻找更为方便易行的硅材料提纯技术，改进硅系光伏发电生产工艺，另一方面应该发展非硅材料应用于光伏发电领域。
太阳能材料研究对太阳能光伏发电技术发展起着决定性的作用。每一种新材料的出现，都给太阳电池及太阳能光电利用带来一次变革。因此，对于光伏发电材料，应着重于解决以下问题：
（1）不断改良与提升单晶、多晶硅制备工艺，降低杂质影响，提升光电转换效率；
（2）发展新型光伏发电材料，如石墨烯、钙钛矿及富勒烯等，尽可能提升其光电转换效率，达到工业化水平，以补充当前太阳能市场硅材料的缺失；
（3）电池的制作工艺、电池的使用寿命和稳定性等有待进一步研究和提高。
参考文献
[1] 窦海林，王波，张靖宇，etal.太阳能光伏发电材料研究进展[J].现代制造技术与装备，2016(12).
[2] 王英连.晶硅太阳电池的研究现状与发展前景[J].科技创新与应用，2018，No.245(25):68-69+72.
[3] 殷志刚，YINZhi-gang.太阳能光伏发电材料的发展现状[J].可再生能源，2008，26(5):17-20.
[4] 田娜，马晓燕，王毅霏，etal.聚合物太阳能电池光伏材料的研究进展[J].高分子通报，2011(2):85-91.
[5] 谢超. 基于石墨烯与硅纳米结构高性能光伏器件的构造与光电性能研究[D].合肥工业大学,2014.
[6] 李彦芳.有机太阳能电池的性能优化研究[D].天津理工大学，2013.
[7] 杨东问.钙钛矿型光伏材料的优化设计与物性研究[D].吉林大学，2018.
[8]李萌.高效稳定钙钛矿太阳能电池的研究[D].苏州大学，2018.
（中国粉体网编辑/漫道）
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