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由于多晶硅和非晶硅薄膜電池具有相對(duì)較高的轉(zhuǎn)換效率和相對(duì)較低的成本，逐漸成為市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。而其它種類的薄膜電池由于技術(shù)不是很成熟，似乎很難在短期內(nèi)替代硅系太陽(yáng)能電池。目前的硅系太陽(yáng)能電池最高轉(zhuǎn)換效率只有20%左右，要想再進(jìn)一步提高已經(jīng)非常困難。眾所周知，提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽(yáng)能光伏技術(shù)中的根本因素。開(kāi)展高效太陽(yáng)能電池技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)新的電池材料、電池結(jié)構(gòu)，也一直是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)。在這其中，高效多結(jié)太陽(yáng)能電池技術(shù)的研究尤為引人注目。
認(rèn)識(shí)高效多結(jié)太陽(yáng)能電池技術(shù)
一般所說(shuō)的高效多結(jié)太陽(yáng)能電池是指針對(duì)太陽(yáng)光譜，在不同的波段選取不同頻寬的半導(dǎo)體材料做成多個(gè)太陽(yáng)能子電池，最后將這些子電池串聯(lián)形成多結(jié)太陽(yáng)能電池。目前研究較多的III-V族材料體系，如InGaP/GaAs/Ge三結(jié)電池，所報(bào)導(dǎo)的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)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(gè)典型的多結(jié)太陽(yáng)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(gè)電池間設(shè)有寬帶隙的異質(zhì)結(jié)構(gòu)隧道結(jié)，使得入射光能順利通過(guò)頂層電池到達(dá)中層的GaAs電池。同時(shí)提供高的結(jié)間勢(shì)壘，防止兩層中產(chǎn)生的少子擴(kuò)散。
多結(jié)太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)近十幾年的發(fā)展，其在太空領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，效率紀(jì)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(zhuǎn)換效率，降低成本，才能顯出其優(yōu)勢(shì)。
目前降低成本主要采用聚光鏡技術(shù)，將太陽(yáng)光通過(guò)透鏡收集起來(lái)，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(zhuǎn)換效率高達(dá)40％的4.5mm2的InGaPAs系多結(jié)太陽(yáng)能電池單元。2008年初，Delaware大學(xué)的Allen Barnett的研究團(tuán)隊(duì)研制的超高效太陽(yáng)能電池（VHESC），僅在20個(gè)太陽(yáng)的聚光條件下即可實(shí)現(xiàn)42.8%的組合效率。2008年8月，美國(guó)能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）宣布，采用倒置贗形三結(jié)結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池在326個(gè)太陽(yáng)的聚光條件下，其光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)40.8%，并宣稱這是迄今為止光伏技術(shù)中被證實(shí)的最高效率。隨著效率紀(jì)錄不斷被刷新，高效多結(jié)太陽(yáng)能電池的研發(fā)也正進(jìn)一步深入。
太陽(yáng)能電池新材料的研發(fā)現(xiàn)狀
為了提高多結(jié)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，研究者們從新材料開(kāi)發(fā)、器件結(jié)構(gòu)乃至整個(gè)系統(tǒng)等方面對(duì)多結(jié)太陽(yáng)能電池進(jìn)行了優(yōu)化。在新材料開(kāi)發(fā)方面，主要有摻氮材料、量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，以及In(Ga)N氮化物材料。
新型材料的研發(fā)始終是一個(gè)活躍的領(lǐng)域，研究者們首先想到的是摻氮材料。因?yàn)閺腎II-V族半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)關(guān)系圖中可以看出，對(duì)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(jié)結(jié)構(gòu)上，產(chǎn)生的四結(jié)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(jié)數(shù)的器件中，效率可達(dá)到最大。對(duì)于多結(jié)太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，它似乎是實(shí)現(xiàn)高效率的最理想的方法。但是，復(fù)雜的四元材料體系在生長(zhǎng)上很難保證材料的品質(zhì)，更無(wú)法保證材料的重復(fù)性穩(wěn)定性等問(wèn)題。比如少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度的問(wèn)題就阻礙了GaInNAs材料的進(jìn)展。近十年來(lái)，GaInNAs在光伏方面的應(yīng)用正在逐漸減少。
目前降低成本主要采用聚光鏡技術(shù)，將太陽(yáng)光通過(guò)透鏡收集起來(lái)，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(zhuǎn)換效率高達(dá)40％的4.5mm2的InGaPAs系多結(jié)太陽(yáng)能電池單元。2008年初，Delaware大學(xué)的Allen Barnett的研究團(tuán)隊(duì)研制的超高效太陽(yáng)能電池（VHESC），僅在20個(gè)太陽(yáng)的聚光條件下即可實(shí)現(xiàn)42.8%的組合效率。2008年8月，美國(guó)能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）宣布，采用倒置贗形三結(jié)結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池在326個(gè)太陽(yáng)的聚光條件下，其光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)40.8%，并宣稱這是迄今為止光伏技術(shù)中被證實(shí)的最高效率。隨著效率紀(jì)錄不斷被刷新，高效多結(jié)太陽(yáng)能電池的研發(fā)也正進(jìn)一步深入。
太陽(yáng)能電池新材料的研發(fā)現(xiàn)狀
為了提高多結(jié)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，研究者們從新材料開(kāi)發(fā)、器件結(jié)構(gòu)乃至整個(gè)系統(tǒng)等方面對(duì)多結(jié)太陽(yáng)能電池進(jìn)行了優(yōu)化。在新材料開(kāi)發(fā)方面，主要有摻氮材料、量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，以及In(Ga)N氮化物材料。
新型材料的研發(fā)始終是一個(gè)活躍的領(lǐng)域，研究者們首先想到的是摻氮材料。因?yàn)閺腎II-V族半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)關(guān)系圖中可以看出，對(duì)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(jié)結(jié)構(gòu)上，產(chǎn)生的四結(jié)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(jié)數(shù)的器件中，效率可達(dá)到最大。對(duì)于多結(jié)太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，它似乎是實(shí)現(xiàn)高效率的最理想的方法。但是，復(fù)雜的四元材料體系在生長(zhǎng)上很難保證材料的品質(zhì)，更無(wú)法保證材料的重復(fù)性穩(wěn)定性等問(wèn)題。比如少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度的問(wèn)題就阻礙了GaInNAs材料的進(jìn)展。近十年來(lái)，GaInNAs在光伏方面的應(yīng)用正在逐漸減少。
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