铜铟镓硒（CIGS）电池 | 碲化镉（CdTe）电池 | 纳米结构新概念电池

铜铟镓硒薄膜太阳电池 (Copper Indium Gallium Diselenide (CIGS) Solar Cells)

　　铜铟镓硒（Cu(In,Ga)Se₂，CIGS）薄膜太阳电池是目前光电转换效率最高的薄膜电池，被认为是新一代最有前途的太阳电池之一，具有成本低、效率高、寿命长、弱光性能好、抗辐射能力强、可柔性且环境友好等多方面的优点，是民用建筑、移动设备、军用单兵和空间飞行器电源的理想选择，具有广阔的发展前景。

　　CIGS薄膜太阳电池长期以来备受关注，然而光吸收层CIGS薄膜的传统制备工艺复杂、电池成品率低、生产成本过高，至今仍然产量很低、市场份额很小，未能实现大规模的产业化生产。发展出低成本、大面积、高质量CIGS光吸收层薄膜的制备新方法是高效CIGS太阳电池的基础，也是成功实现大规模产业化的关键。我们已经成功开发了具有完全自主知识产权的非真空胶体溶液法和化合物靶溅射法制备技术，从根本上克服了传统CIGS薄膜制备工艺的缺陷，大幅降低了生产设备投资、提高了产品良率，电池成本远远低于晶硅电池。

　　基于所开发的非真空胶体溶液法和化合物靶溅射法，电池性能获得提升，小面积电池转换效率达14.61%。实验室已具备10*10cm²面积CIGS电池所需的各种薄膜沉积设备，转换效率达到10%。所开发的非真空胶体溶液法已申请国际发明专利（成功通过了国际发明专利申请：PCT/CN2008/073805，并申请了美国、欧洲、日本、韩国、印度、台湾等国家和地区的发明专利），在创新评估中获得“AAAAAA”的优秀结果。并以此为核心，形成了一个40余项太阳电池和关键电池材料的专利群。

　　在国家科技部973和重大863项目、中科院重要知识创新方向光伏行动计划、国家自然科学基金项目支持，正致力于大面积、高效率、低成本CIGS薄膜太阳电池的制备研究，积极推进自主技术的电池中试生产线，同时开展新型无铟吸收层Cu₂ZnSnS₄（简写为CZTS）化合物薄膜太阳电池的研究。

最便宜的太阳能电池—碲化镉电池 (The Cheapest Solar Cells-CdTe)

　　太阳能高效发电技术作为支撑我国国民经济、可持续发展的前瞻性和战略性新能源技术在最近颁布的国家中长期科学和技术发展规划中已被列为重点支持和优先发展的方向。电池的低成本和大面积的制备技术是在光伏领域中各界广泛关注的重点研发方向，最近碲化镉CdTe薄膜太阳能电池成功地实现了商业化。商业化的CdTe电池工艺解决了生产的低成本问题，已经降到5.6元/W，是目前成本唯一降到7元以下的太阳电池。

　　CdTe太阳电池的理论转换效率为27%，自2001年实验室记录以来一直停留在16.5%，目前的瓶颈在于如何通过创新来提高电池的效率。通过引入新功能材料，构建新电池结构，优化电池工艺，有望得到高性能，低成本，工艺稳定的CdTe电池。

　　如何实现对太阳全光谱的充分吸收、提高光生载流子的产生效率和促进电子-空穴分离以及降低成本,一直是解决太阳能电池产业化规模应用的核心关键问题，拟开展研究如下：
(1) CdTe吸光层的p型掺杂研究。CdTe薄膜的p型掺杂一直是低成本制备的难题，也是大幅度提高光电转换效率的关键和难点。因此加强对p型CdTe的光电材料的原创性研究，结合现有CdTe电池的工艺，有望在高效CdTe电池上有更大的突破。
(2) CdTe基带隙渐变的叠式吸收层结构设计。通过能带工程的多层次设计，制备Cd_1-xZn_xTe/CdTe吸光层多层结构，研究多层薄膜的能带匹配性质，考察宽光谱吸收、光电转换的特性，优化出高性能的式吸收层结构。
(3) 前电极和背电极材料的研究。研究具有光捕获效应的透明导电薄膜；研究具有高电荷收集能力的背电极材料，研制功函数匹配的的多元化合物导电材料，增加欧姆接触和提高电荷收集。此工作涵盖本课题组的透明电极和石墨烯工作。
(4) CdTe太阳电池的结构设计与优化。可以通过叠层电池结构，实现对太阳光的宽光谱响应，同时通过对能带失配度合理控制，实现少子寿命的大幅提高和自由程大幅增加，从而为实现更高效CdTe太阳电池提供坚实的基础。

　　本课题获得中国科学院重大创新工程课题的支持，相关课题包括上海市非政府间合作课题。我们课题组在前期工作中，获得转换效率超过12%的电池。我们正致力于制备高效、低成本、大面积的薄膜电池研究，进一步推进CdTe太阳电池的产业化发展，增强光伏产业在可再生能源中的竞争力，缓解能源危机和环境恶化。

纳米结构新概念电池 (Dye-Sensitized Solar Cells)

　　染料敏化太阳能电池 (Dye-Sensitized Solar Cell，简称DSC) 是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池。自Gratzel教授于1991年首先报道基于纳米晶材料的新型染料敏化太阳能电池以来，该电池以其低廉的成本、简单的制作工艺和电池制备的低能耗赢得了各国科学家广泛的关注并取得了长足的发展。传统的硅基和薄膜太阳能电池依靠的是光物理效应，而DSC则是通过光化学-物理过程来实现光电转换，可以使太阳能电池的光电转换材料不再局限于制备过程复杂、价格昂贵的高纯无机半导体，避免了对高真空的要求，从而大大降低了电池的成本。染料敏化太阳能电池主要由纳米晶多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。通过优化各组分，强化电子输运循环过程的正反应，抑制电荷复合背反应，是实现高效DSC的关键。

　　TiO₂纳米晶是目前效率最高，也是最有前途的半导体光阳极材料，然而它也存在一些不足限制了器件的性能。比如二氧化钛材料本身的低电子迁移率 (0.1-4 cm²·V·s^-1)，以及纳米晶的晶界电子散射均不利于电子的正向传输。我们以能带理论为指导，提出了半导体|半金属|半导体的复合结构模型；通过调控TiO₂的电子结构、优化其成分来实现光阳极材料高的电子传输和收集能力，从而提升太阳能电池的光电性能，研究成果被Adv. Funct. Mater. 和Adv. Mater. 等国际知名期刊接收。