太阳能电池可以将太阳能转换成电能，是一种环境友好的可再生能源。太阳能电池的应用范围广泛，如应用于人造卫星、无人气象站、通信站、铁路信号、航标灯、计算器、手表等方面。太阳能电池按化学组成及产生电力的方式可分为无机太阳能电池、有机太阳能电池和光化学电池等三大类。太阳能电池材料主要包括产生光伏效应的半导体材料、薄膜衬底材料、减发射膜材料、电极与导线材料以及组件封装材料等。

太阳能电池发电的工作原理是基于光生伏特效应，即光与半导体相互作用可以产生光生载流子，当将光照后所产生的电子-空穴对分开到两极时，两极间就会产生电势差，称为光生伏特效应。半导体材料是决定太阳能电池性能的关键材料，作为太阳能电池，必须满足以下要求：

（1）能充分利用太阳能辐射，要求半导体材料的禁带不能太宽。

（2）具有较高的光电转换效率。

（3）对环境友好。

（4）材料性能稳定。

（5）易于工业化生产、成本低。

4.5.2.1　无机太阳能电池

1.硅太阳能电池

硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池。其中，单晶硅太阳能电池开发最早，应用也最广泛，转换效率最高，技术也最成熟，生产工艺和结构已经定型，该产品已被广泛应用于各个领域。

单晶硅生长技术主要有直拉法和悬浮区熔法。直拉法是将硅材料在石英坩埚中加热熔化，使籽晶与硅液面接触，向上提升以长出柱状的晶棒。直拉法的研究方向是设法增大硅棒的直径。悬浮区熔法是将悬浮区熔提纯与制备单晶结合起来，可以得到纯度很高的单晶硅，但成本很高。为了进一步提高太阳能电池效率，高效化的太阳能电池工艺越来越受到人们的关注，如发射极钝化及背面局部扩散工艺、双层减反射膜工艺等。

多晶硅材料生长主要运用定向凝固法及浇铸法工艺来控制。定向凝固法是将硅材料在石英坩埚中加热熔化后，使坩埚形成自上而下递减的温度场，或从坩埚底部通冷源以造成温度梯度，使固液界面从坩埚底部向上移动而形成晶体。浇铸法是将熔化后的硅液倒入模具内形成晶锭，铸出的方形硅锭被切割成方形硅片。目前广泛使用的是浇铸法，其方法简单、能耗低、利于降低成本，但容易造成错位、杂质等缺陷。目前，阻碍太阳能电池推广应用的最大问题是成本太高，因此，基于薄膜技术的多晶硅薄膜和非晶硅薄膜太阳能电池逐步受到了人们的关注。

采用薄膜技术的太阳能电池中，很薄的光电材料被铺在衬底上，大幅度地减少了半导体材料的消耗（薄膜厚度仅1微米），也容易形成批量生产，从而显著降低了太阳能电池的生产成本。薄膜太阳能电池材料主要有多晶硅、非晶硅、碲化镉以及砷化镓等。其中，多晶硅薄膜太阳能电池技术比较成熟。目前，多晶硅薄膜生长技术生要有液相外延生长法、低压化学气相沉淀法、快热化学气相沉淀法、催化化学气相沉淀法、等离子增强化学气相沉淀法、超高真空化学气相沉淀法、固相晶化法和悬浮区熔再结晶法等。多晶硅薄膜太阳能电池的生产成本相对低廉，其光电转换效率约为10%。(www.daowen.com)

碲化镉多晶薄膜电池的成本较单晶硅太阳能电池低，并且也易于大规模生产，但是由于碲化镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，不是单晶硅太阳能电池最理想的替代产品。

2.纳米晶太阳能电池

纳米晶太阳能电池是以纳米材料为太阳能电池材料。随着超分子技术和纳米技术日渐成熟，纳米晶太阳能电池也日益成为一个研究热点。目前，关于纳米氧化钛晶体太阳能电池研究的较多，其优点是工艺简单，性价比高，载流子的产生与收集在空间上是分离的。其光电转化效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳能电池的1/5，寿命可达到20年以上。与传统的太阳能电池不同，氧化钛太阳能电池采用的是有机-无机复合体系，其工作电极是纳米晶半导体多孔膜。研究的电极除了二氧化钛之外，还有氧化锌、氧化铁、氧化锡以及硫化镉等。其制备方法是将纳米粒子涂敷在透明的电极上然后烧结，粒子聚集在一起后形成良好的电接触，并允许电荷载流子通过。

目前，纳米结构材料的研究和应用已成为研究热点，它应用于太阳能电池后，具有成本低、稳定性好、光电转化率高等特点。尽管对于纳米结构太阳能电池的研究还不够深入，然而性能稳定、成本低廉的纳米结构太阳能电池必将成为太阳能电池中的重要部分。

4.5.2.2　有机太阳能电池

有机太阳能电池与无机太阳能电池相比，具有制造面积大、制作简单，且成本较低等特点，有机太阳能电池可在可卷曲折叠的衬底上制备，是具有柔性的太阳能电池。有机太阳能电池是利用有机半导体材料的光伏效应，即在太阳光的照射下，有机半导体材料吸收光子，如果该光子的能量大于有机材料的禁带宽度Eg，就会产生激子，激子分离后产生的电子和空穴向相反的方向运动，富集在相应的电极上，从而形成光生电压。

1）有机小分子化合物

早期的有机太阳能电池是在真空条件下把有机半导体染料（如酞菁等）镀在基板上，这样就形成了夹心式结构，但是镀膜工艺比较复杂，薄膜附着力不高，容易脱落。因此，又发展了将有机染料半导体分散在聚碳酸酯（PC）、聚醋酸乙烯酯（PVAC）等聚合物表面的技术。这些技术虽然能提高涂层的柔韧性，但半导体的含量相对较低，会使光生载流子量显著减少。

酞菁类化合物是典型的P型有机半导体，具有离域的平面大π键，在600～800 nm的光谱区域内有较大吸收。芘类化合物是典型的电子受体，也就是n型半导体材料，具有较好的电荷传输能力，在400～600 nm的光谱区域内有较强吸收。

2）有机大分子化合物

在过去的几十年间，人们将具有半导体性质的有机大分子化合物（共轭聚合物）制成各种光电器件，并对其性能进行研究。20世纪90年代，共轭聚合物的有机太阳能电池得到了迅速发展。富勒烯（C60）最具有代表性，其分子内外表面有60个π电子，组成三维π电子共轭体系，具有强还原性、低电子亲和性，是当前最好的电子受体材料，通常由富勒烯衍生物和共轭聚合物组成复合物来构成主体，又称异质结太阳能材料，如四硫富瓦烯（TTF）、C60等。