鉅大LARGE | 點擊量：2308次 | 2019年01月18日
簡單介紹高效多結太陽能電池技術
太陽能光伏技術經過近幾十年的發(fā)展，已經在新能源領域確立了其重要地位。大力發(fā)展太陽能光伏發(fā)電已成為人類解決未來能源問題的重要途徑。在產業(yè)界，當前太陽能技術的重點仍是硅太陽能電池，包括多晶硅和非晶硅薄膜電池等。
由于多晶硅和非晶硅薄膜電池具有相對較高的轉換效率和相對較低的成本，逐漸成為市場的主導產品。而其它種類的薄膜電池由于技術不是很成熟，似乎很難在短期內替代硅系太陽能電池。目前的硅系太陽能電池最高轉換效率只有20%左右，要想再進一步提高已經非常困難。眾所周知，提高轉換效率和降低成本是太陽能光伏技術中的根本因素。開展高效太陽能電池技術研究，開發(fā)新的電池材料、電池結構，也一直是該領域的熱點。在這其中，高效多結太陽能電池技術的研究尤為引人注目。
認識高效多結太陽能電池技術
一般所說的高效多結太陽能電池是指針對太陽光譜，在不同的波段選取不同頻寬的半導體材料做成多個太陽能子電池，最后將這些子電池串聯形成多結太陽能電池。目前研究較多的III-V族材料體系，如InGaP/GaAs/Ge三結電池，所報導的轉換效率可達42.8%左右。也有選取II-VI族材料的，但目前還處于研究階段。本文將主要介紹InGaP/GaAs/Ge等III-V族材料體系。
圖1是一個典型的多結太陽能電池示意圖。其中頂層的InGaP電池、中層的GaAs電池和底層的Ge電池帶隙分別為1.86eV、1.40eV和0.65eV。在頂層和中層相鄰兩個電池間設有寬帶隙的異質結構隧道結，使得入射光能順利通過頂層電池到達中層的GaAs電池。同時提供高的結間勢壘，防止兩層中產生的少子擴散。
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-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
多結太陽能電池經過近十幾年的發(fā)展，其在太空領域已經被廣泛應用，效率紀錄也不斷被刷新。但由于成本等原因，很難得以大規(guī)模地面推廣。因此必須盡可能地提高其轉換效率，降低成本，才能顯出其優(yōu)勢。
目前降低成本主要采用聚光鏡技術，將太陽光通過透鏡收集起來，大大減小了芯片的面積。日本夏普公司2007年底公布了1000倍聚光、轉換效率高達40％的4.5mm2的InGaPAs系多結太陽能電池單元。2008年初，Delaware大學的AllenBarnett的研究團隊研制的超高效太陽能電池（VHESC），僅在20個太陽的聚光條件下即可實現42.8%的組合效率。2008年8月，美國能源部可再生能源實驗室（NREL）宣布，采用倒置贗形三結結構的太陽能電池在326個太陽的聚光條件下，其光電轉化效率可達40.8%，并宣稱這是迄今為止光伏技術中被證實的最高效率。隨著效率紀錄不斷被刷新，高效多結太陽能電池的研發(fā)也正進一步深入。
太陽能電池新材料的研發(fā)現狀
為了提高多結太陽能電池的轉換效率，研究者們從新材料開發(fā)、器件結構乃至整個系統(tǒng)等方面對多結太陽能電池進行了優(yōu)化。在新材料開發(fā)方面，主要有摻氮材料、量子點結構，以及In(Ga)N氮化物材料。
新型材料的研發(fā)始終是一個活躍的領域，研究者們首先想到的是摻氮材料。因為從III-V族半導體能帶結構和晶格常數關系圖中可以看出，對于GaInNAs材料四元材料的晶格和GaAs匹配，頻寬為在1.05eV附近，若將其加到GaInP/GaAs/Ge三結結構上，產生的四結電池（1.88/1.42/1.05/0.67eV），其頻寬更加接近理想值。在具有相同結數的器件中，效率可達到最大。對于多結太陽能電池來說，它似乎是實現高效率的最理想的方法。但是，復雜的四元材料體系在生長上很難保證材料的品質，更無法保證材料的重復性穩(wěn)定性等問題。比如少數載流子擴散長度的問題就阻礙了GaInNAs材料的進展。近十年來，GaInNAs在光伏方面的應用正在逐漸減少。
其次，量子點結構也是新材料開發(fā)方面的熱點。主要理念是將量子點層放在p-n結的耗盡區(qū)內，在光生載流子復合之前被集中起來。這其實是一種使用中間帶的方法，通過提高量子效率來獲得高效率。很容易看出，必須有足夠多的高品質量子點作為吸收層才能實現提高效率的目的，這就在量子點材料生長方面提出了很高的要求。例如，日本筑波大學的研究者利用量子點的太陽能電池單元的光電轉換效率可達到8.54％。其量子點型太陽能電池是在p-n結之間層疊多個量子點層，在1cm2的GaAs襯底上交替疊加了30層GaNAs和30層InAs的超晶格結構（見圖2）。在GaNAs上生長InAs時，自組織生成高為3～4nm、直徑為20～30nm的量子點。同時，超晶格結構導致量子點之間產生結合后，在傳導帶上形成微帶，使各種波長的光吸收成為可能。多個早期研究量子點的研究組目前正對量子點在太陽能電池中的應用進行深入研究，如英國格拉斯哥大學、日本東京大學等。量子點型太陽能電池的理論轉換效率可達60％以上，是頗受矚目的高效太陽能電池的候選者之一。
InN和InGaN的全氮化物太陽能電池是一種非常吸引人的高效電池，理論上它可以連續(xù)復蓋0.7到2.4eV光譜。南京大學的研究者們通過計算得出，在理想情況下，InGaN材料應用于單結、雙結和三結太陽電池時，其轉換效率可分別高達27.3%、36.6%和41.3%。但是，氮化物本身也存在很多問題，如襯底材料選擇、材料品質控制、p型材料的摻雜、隧道二極管的問題等，因此目前的研究還處于開發(fā)基礎材料和器件的階段。
器件結構和系統(tǒng)的優(yōu)化設計
器件結構和系統(tǒng)的優(yōu)化設計也是提高多結太陽能電池效率的重要方法。器件結構及系統(tǒng)改進方面主要包括贗形層結構、機械疊加結結構等等。
贗形層結構是指在已有的GaInP/GaAs/Ge三結電池上增加一個晶格失配層（贗形層），其實這是結合材料生長與器件結構優(yōu)化的一種方法。
一般多結電池的外延層是晶格失配生長，會產生很多位錯，減少了少子擴散長度，降低了器件性能。在贗形層結構多結太陽能電池中，使用組分漸變方法在GaInP/GaAs雙結上生長InGaAs結，使得所有位錯都局限在低頻寬的InGaAs結中。其實贗形層方法在GaAs基HEMT的開發(fā)中廣泛應用，近幾年在GaAs基長波長雷射器中也有應用。值得一提的是，倒置的贗形層多結太陽能電池結構（IMM）是EMCORE公司的專利技術（見圖3），它采用倒置的方法生長和Ge或GaAs襯底匹配的GaInP和GaAs結，InGaP首先被淀積在基于Ge襯底的子電池上面。這種設計保持了GaInP/GaAs結的品質，它對整個器件總的發(fā)電能力具有決定性的作用。倒置贗性三結結構據稱可與多項其它工藝相容，如柔性襯底。因為Ge襯底能夠被去除，從而器件可以安裝在如聚醯亞胺膠帶等柔性襯底上。
機械疊加多芯片結一般是指，將生長在不同襯底上不同頻寬的電池壓焊到一起而形成所謂的多芯片結。如將Ge或GaAs襯底上的頻寬較寬的GaInP/GaAs多結結構電池壓焊到InP襯底上的頻寬較窄的GaInAsP/GaInAs（1.05/0.75eV）串聯結構電池之上。也可采用光電互連以及機械疊加相結合的方法，如Delaware大學的AllenBarnett的研究團隊研制的超高效太陽能電池（VHESC），組合效率在20個太陽聚光條件下可達42.8%。這種超高效太陽能電池采用全新的橫向光學聚焦系統(tǒng)，使入射光的不同光譜波段被光學地分離和定向，然后被不同頻寬的太陽能電池所吸收（見圖4）。這種光學聚焦系統(tǒng)具有較寬的接收角度，從而不需要復雜的定位跟蹤系統(tǒng)。但是我們可以看出，機械疊加類型的結構設計在生長工藝需要多種襯底，工藝中需要襯底的剝離，在外延層上壓焊芯片等，成本較高和而且器件品質很難保證。
發(fā)展前景廣闊
高效多結太陽能電池技術的研究一直是太陽能光伏技術中的熱點之一，國外多家研究機構、公司等投入了大量的人力物力。我國在這方面的研究起步也較早，如電子18所、航太811所、中科院半導體所等等。最近廈門三安的GaAs/Ge多結太陽能電池外延片關鍵技術研制及產業(yè)化項目宣稱，其研制的多結太陽能電池光電轉換效率達27%，遠高于19.5%的硅電池最高轉換效率。并具有更強的抗輻照能力、更好的耐高性能，加上聚光技術的應用（降低成本），將是新一代高性能長壽命太陽能電池最具發(fā)展?jié)摿Φ漠a品。但我們可以看出，相比國外來說，轉換效率相對較低，并且器件指標還有一定差距?？傊?，從新材料開發(fā)、器件結構乃至整個系統(tǒng)設計方面，在高效多結太陽能電池方面還有很多工作值得進一步深入研究。
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