目前最廣為人知的光伏材料是矽（Si），也是目前商業化應用最成功的光伏材料。以矽材料為光吸收材料，從而實現光子向電子轉化的光伏器件矽太陽能電池也是目前唯一成功大規模商業化應用的光伏器件。本文中的新型光伏材料即相對矽材料而言，主要介紹目前在實驗室階段或中試生產線階段的光吸收材料。

在實驗室階段或已發展到中試階段的光伏材料根據組成可分為：以有機材料作為光吸收材料的各種有機電池、有機疊層太陽能電池；以CIGS、CZTS（Se） 等作為光吸收材料光伏器件；染料敏化電池以及鈣鈦礦電池、量子點電池等。

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有機太陽能電池光吸收材料

有機太陽能電池通常由正、負電極以及具有光活性的薄層所組成，光活性薄層一般是由給體和受體組成的體異質結結構。電池器件在吸收太陽光會產生激子（束縛的電子-空穴對），激子拆分後產生大量自由載流子，載流子被電極收集產生光電流。有機太陽能電池根據使用的給體材料可分為小分子有機太陽能電池和聚合物太陽能電池

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具有給體、受體異質結結構的有機小分子太陽能電池是於2006年首次出現。低聚噻吩是目前廣泛使用的小分子給體材料，基於低聚噻吩的小分子作為供體的有機太陽電池在實驗室的效率超過了6%，基於苯並二噻吩衍生物和矽橋連的環戊並二噻吩衍生物作為核心的有機太陽能電池效率超過了8%。此外。酞菁類材料、卟啉類染料也是應用於小分子有機太陽能電池的給體材料。

聚苯撐乙稀（poly（pphenylenevinylene），PPV）在1990年被發現有電致發光現象，在此基礎上開發了基於PPV的聚合物太陽能電池，效率可達3%。基於可溶性聚噻吩（polythiophene，PT） 的電池效率可達6%，此外聚己基噻吩，聚並噻吩衍生物以及系列新型多稠環類太陽能電池也是目前廣泛使用的聚合物太陽能電池給體材料。

有機太陽能電池製造成本低廉、材料重量輕、加工效能好，可以利用先進的卷對卷以及噴塗列印技術進行大規模生產，並可實現柔性化器件，目前限制其應用的關鍵因素在於電池效率的提升。

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CIGS太陽能電池

CIGS電池是指銅銦鎵硒（CuInGaSe2）作為光吸收材料的太陽能電池，是由銅銦硒（CuInSe2）電池發展而來，截止2017年3月，CIGS電池目前最高的轉換效率已達到22。6%。CIGS四元多晶固溶體材料是一種直接帶隙半導體，其可見光吸收係數較高，其光學帶隙可透過調節晶體結構中Ga或In元素的含量，實現光學帶隙的調控；CIGS具有與金剛石類似的晶體結構，使其具有很好的化學、電學穩定性。這些特性使得CIGS太陽能電池的穩定性好、使用壽命長、抗輻射效能強、弱光特性好、工作範圍廣，大幅減低了電池的能量償還時間。由於CIGS是一種固溶體材料，其組成元素的化學計量比對材料的晶體結構和效能有著強烈影響，因此組裝高效的電池器件的關鍵在於製備組成精確、薄膜質量好的CIGS薄膜。製備CIGS薄膜的方法主要共蒸發法、電沉積法、合金預製膜-硒化法或四元靶材濺射後退火法等。

目前CIGS薄膜已實現小範圍的推廣應用，如在西班牙建立的3。2MW的CIGS發電站，該電站為全球最大的CIGS發電系統；國內最大的CIGS薄膜電池電站總規模為3 MW，位於山東高密市。目前限制CIGS電池應用於推廣的關鍵因素在於In元素儲量稀少，導致其大規模生產成本上升。

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CZTS（Se）太陽能電池

CZTS（Se）電池是指以銅鋅錫硫（硒）（Cu2SnZnS（Se）4）作為光吸收材料的電池，這種電池是基於CIGS電池發展而來，以Zn、Sn代替In的CZTS（Se）化合物作為的太陽能電池光吸收材料。CZTS（Se）組成元素儲量豐富、無毒、價格低廉、光吸收係數高，光學帶隙可在一定範圍內變動，與太陽光譜符合良好。CZTS的這些特性有利於開發經濟可行、環保、不受原材料限制的薄膜器件。鋅黃錫礦結構的CZTS（Se）電池近年來發展迅速，光電轉換效率已達到12。6%。

與CIGS電池類似，CZTS電池中CZTS材料組成元素的化學計量比對材料晶體結構和光學、電學效能有著重要影響。組裝高效的電池器件的關鍵在於製備組成精確、高質量的CZTS薄膜。目前製備CZTS薄膜的方法可分為真空方法和非真空的方法。沉積CZTS（Se）薄膜的難點在於保證單一晶相的鋅黃錫礦存在，並保證其化學計量比在貧銅富鋅小範圍內浮動。其化學組成的不穩定性以及多相組成阻礙了高純度薄膜的沉積，這一缺陷在高溫和真空條件下更為突出。對於CZTS（Se）電池而言，溶液製備方法可控制其晶相形成，相比真空製備方法電池器件具有更高的光電轉換效率， CZTS電池的最高效率是基於肼溶液方法獲得的，但這一製備方法採用高毒性、易爆的肼作為溶劑。開發高效、成本低廉、安全的高質量CZTS薄膜合成方法是促進CZTS（Se）電池發展與應用的關鍵。

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染料敏化太陽能電池

應用於太陽能電池光吸收材料的染料主為釕系染料（Ru polypyridyl dyes）、有機化合物染料等。

目前染料敏化太陽能電池的最高效率為12。3%，是以釕系染料N719作為光吸收材料的電池器件上獲得的。釕系染料具有良好的光吸收效能，具有某些特定結構的釕系燃料光吸收區域可擴充套件至近紅外區，此外釕系染料分子結構可控，材料效能穩定，透過對分子結構中有機基團的調控合成多種具有不同光學帶隙和電學效能的染料，是一種良好的光吸收材料。

有機染料是另外一種重要染料，其光激發效率高、成本低廉、環境友好且分子結構靈活可變。透過改變分子結構可實現其光學吸收邊向長波長方向移動，進而提升電池效率。但以有機染料的組裝的太陽能電池光生電子注入效率較差，電池的pn結無法有效收集光生電子，限制了電池效率提升。如卟啉類是在近紅外區域有良好吸收的一類染料，分子結構穩定，與TiO­2­的能級匹配良好且光學帶隙可調。但應用於染料敏化電池中有以下缺點：在染料介面處的電子複合嚴重；光生電子難以有效注入到TiO2光陽極中，在可見光區域內光吸收係數較低，影響電池效率。酞菁類染較難合成，相關研究較少。早期以酞菁類染料組裝的電池器件效率僅為1%，2007年合成了非對稱酞菁類染料PCH001，其電池效率可達3。05%。

此外，染料敏化太陽能電池中還可將多種染料複合，透過染料複合可提高光吸收層在寬波段內的光吸收效率並同時降低光生電子在染料/光陽極介面處的複合。目前染料敏化太陽能電池已發展至中試階段，如中國科學院上海矽酸鹽研究所的染料敏化太陽能電池研究已達到中試規模，標準化125×125mm²單電池認證效率達到9。7%，元件認證效率達到9。2%。近年來燃料敏化太陽能電池效率提升速度緩慢，電池使用壽命仍需提高。

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量子點敏化太陽能電池

量子點是指三維方向尺寸均小於相應物質塊體材料激子德布羅意波長的準零維奈米結構，可視為少量原子構成的團簇。量子點材料具備一系列獨特的光電性質，如帶隙寬度可實現透過粒徑調節、較為簡單的溶液處理過程、較高的吸光係數和最引人注目多激子激發和熱電子的抽取現象等，使其應用在應用於太陽能電池方面有著良好的發展潛力。量子點敏化的太陽能電池的設計靈感來源於染料敏化太陽能電池，以量子點材料替代染料作為電池的光敏化劑，實現光電轉換。廣泛應用於量子點敏化太陽能電池的量子點材料主要一系列窄帶隙半導體，如CdS、CdSe、CdTe、PbS等。量子點電池通常採用化學水浴沉積、連續離子層沉積、連線劑輔助合成法和物理吸附等方法制備。量子點太陽能電池的最高轉換效率已達到11。3%。

量子點電池製備工藝簡便、成本低廉、光吸收材料效能穩定、光譜響應範圍可調，具有良好的發展潛力。但電池結構中電子注入效率較低、複合嚴重、單一量子點響應光譜範圍窄等因素限制了電池效率的提升。採用多種量子點複合、量子點與燃料共敏化、開發新型寬光譜響應的量子點、改進電池結構等方式將有助於促進量子點電池效率的提升和發展。

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鈣鈦礦光吸收材料

鈣鈦礦電池是目前發展最為迅速，最具商業化應用前景的太陽能電池。鈣鈦礦電池目前已達到22。1%的光電轉換效率。鈣鈦礦電池最早採用具有鈣鈦礦結構的甲胺鉛滷系作為電池的光吸收材料，因而得名鈣鈦礦電池。這種電池是基於將染料敏化太陽能電池中的染料替代為甲胺鉛氯和甲胺鉛碘，分別得到3。1%和3。8%的光電轉換效率。在此基礎上電池結構中添加了空穴傳輸層，空穴傳輸層、光吸收層、光陽極共同構成了鈣鈦礦電池的p-i-n結結構，這種全固態結構的電池效率可達到12。4%。透過將電池結構轉換為平面異質結結構，電池效率提升至15。4%。KRICT研製的鈣鈦礦電池效率可高至22。1%（截至2017年2月6日）。

鈣鈦礦電池光吸收材料甲胺鉛滷（CH3NH3PbX3）是一種有機-無機雜化的光吸收材料，屬立方晶系，Pb和鹵素離子共同組成立方緊密堆積結構（面心結構），有機基團填充於體心八面體間隙。CH3NH3PbX3是一種直接帶隙半導體，對光的響應範圍可從可見區拓展到近紅外區，對其電子和能帶的相關研究表明材料帶隙主要由PbX3

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堆積結構決定，而有機基團對材料能帶影響很小。甲胺鉛滷吸光係數高，太陽光中能量大於禁帶的光子都可以被很薄的鈣鈦礦薄膜吸收，目前高效率的鈣鈦礦太陽能電池鈣鈦礦層厚度僅為350nm，易與結晶，溶液旋塗後在70°C下加熱半小時即可完成結晶，本徵缺陷少，其電學性質優異，同時對電子和空穴都具有良好的傳輸效能，可有效降低電池介面處發生的複合。甲胺鉛滷通常採用溶液法分別沉積CH3NH3X和PbX2的方法制備，製備方法簡便易於操作且成本低廉，也可採用蒸發法制備。

鈣鈦礦電池發展迅速，受到科研和產業界的廣泛關注，被認為是最優可能取代矽太陽能電池的新型太陽能電池，但鈣鈦礦材料對水分敏感，易在空氣中水分作用下分解，這限制鈣鈦礦電池的商業化應用。此外，鈣鈦礦中Pb離子的存在對電池的環境友好效能造成挑戰。