高效(xiao)多(duo)結太陽能電池技(ji)術 器件(jian)結構和(he)系統的優化設(she)計(ji)

太陽能(neng)光伏技術經過(guo)近(jin)幾十年的(de)發展(zhan)，已經在新能(neng)源領域(yu)確立了其重要(yao)地(di)位。大力發展(zhan)太陽能(neng)光伏發電已成為人(ren)類解(jie)決未來(lai)能(neng)源問題的(de)重要(yao)途徑(jing)。在產業(ye)界，當(dang)前(qian)太陽能(neng)技術的(de)重點(dian)仍是硅(gui)太陽能(neng)電池(chi)，包(bao)括多晶硅(gui)和非晶硅(gui)薄膜電池(chi)等。

由于多晶硅(gui)(gui)和(he)非晶硅(gui)(gui)薄膜電(dian)池具(ju)有相對較高(gao)的(de)轉換(huan)效(xiao)(xiao)率和(he)相對較低(di)的(de)成本(ben)，逐漸(jian)成為市場的(de)主(zhu)導(dao)產品。而其它種類的(de)薄膜電(dian)池由于技(ji)術不是(shi)(shi)很成熟，似乎很難(nan)在(zai)短期內替代硅(gui)(gui)系太陽(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)池。目(mu)前的(de)硅(gui)(gui)系太陽(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)池最高(gao)轉換(huan)效(xiao)(xiao)率只有20%左右，要想再進一步提(ti)(ti)高(gao)已(yi)經非常困(kun)難(nan)。眾所周(zhou)知(zhi)，提(ti)(ti)高(gao)轉換(huan)效(xiao)(xiao)率和(he)降低(di)成本(ben)是(shi)(shi)太陽(yang)能(neng)(neng)(neng)光伏技(ji)術中(zhong)的(de)根本(ben)因素。開展高(gao)效(xiao)(xiao)太陽(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)池技(ji)術研(yan)究，開發(fa)新的(de)電(dian)池材料、電(dian)池結構，也一直是(shi)(shi)該領(ling)域的(de)熱點。在(zai)這(zhe)其中(zhong)，高(gao)效(xiao)(xiao)多結太陽(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)池技(ji)術的(de)研(yan)究尤為引人注目(mu)。

認識高效多結太陽能電池技術

一般(ban)所說的(de)高效多結(jie)(jie)太(tai)(tai)陽(yang)能電池(chi)是指針對太(tai)(tai)陽(yang)光譜，在(zai)不(bu)(bu)同的(de)波段(duan)選(xuan)取不(bu)(bu)同頻(pin)寬(kuan)的(de)半導體(ti)材料(liao)(liao)做成多個太(tai)(tai)陽(yang)能子電池(chi)，最(zui)后將(jiang)這(zhe)些子電池(chi)串聯形成多結(jie)(jie)太(tai)(tai)陽(yang)能電池(chi)。目前(qian)研究(jiu)(jiu)較多的(de)III-V族(zu)材料(liao)(liao)體(ti)系，如InGaP/GaAs/Ge三結(jie)(jie)電池(chi)，所報導的(de)轉換效率可(ke)達42.8%左右。也有選(xuan)取II-VI族(zu)材料(liao)(liao)的(de)，但目前(qian)還處(chu)于研究(jiu)(jiu)階(jie)段(duan)。本(ben)文將(jiang)主要介紹InGaP/GaAs/Ge等(deng)III-V族(zu)材料(liao)(liao)體(ti)系。

圖1是一個典(dian)型的(de)(de)多結(jie)(jie)太陽能電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)示(shi)意圖。其中(zhong)(zhong)頂層(ceng)(ceng)的(de)(de)InGaP電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)、中(zhong)(zhong)層(ceng)(ceng)的(de)(de)GaAs電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)和底層(ceng)(ceng)的(de)(de)Ge電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)帶隙分別為1.86eV、1.40eV和0.65eV。在頂層(ceng)(ceng)和中(zhong)(zhong)層(ceng)(ceng)相鄰兩個電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)間(jian)設有(you)寬(kuan)帶隙的(de)(de)異質(zhi)結(jie)(jie)構隧道(dao)結(jie)(jie)，使(shi)得(de)入射光能順利通過(guo)頂層(ceng)(ceng)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)到達中(zhong)(zhong)層(ceng)(ceng)的(de)(de)GaAs電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)。同時提供(gong)高的(de)(de)結(jie)(jie)間(jian)勢壘(lei)，防止兩層(ceng)(ceng)中(zhong)(zhong)產生的(de)(de)少(shao)子擴散(san)。

高效多結(jie)太陽能電池技術 器件結(jie)構和系統的(de)優化設(she)計

多結太(tai)陽(yang)能(neng)電池經過近十幾(ji)年的發展，其(qi)在太(tai)空(kong)領域已經被廣泛應用，效率紀錄也不斷被刷新。但由于成(cheng)本(ben)等原(yuan)因，很難得以大規(gui)模(mo)地(di)面(mian)推廣。因此必須盡可能(neng)地(di)提高其(qi)轉換效率，降低成(cheng)本(ben)，才能(neng)顯(xian)出其(qi)優(you)勢(shi)。

目前降低成(cheng)本主要采(cai)用(yong)聚光(guang)(guang)鏡技(ji)術，將太(tai)(tai)陽(yang)光(guang)(guang)通過(guo)透鏡收集起(qi)來，大大減小了(le)芯片的(de)(de)(de)(de)面積。日本夏(xia)普公司2007年底公布了(le)1000倍聚光(guang)(guang)、轉換效率(lv)(lv)高(gao)達40％的(de)(de)(de)(de)4.5mm2的(de)(de)(de)(de)InGaPAs系多結太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電池(chi)單元(yuan)。2008年初，Delaware大學(xue)的(de)(de)(de)(de)Allen Barnett的(de)(de)(de)(de)研究團隊研制的(de)(de)(de)(de)超高(gao)效太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電池(chi)（VHESC），僅在(zai)20個太(tai)(tai)陽(yang)的(de)(de)(de)(de)聚光(guang)(guang)條件(jian)下即可(ke)實(shi)現42.8%的(de)(de)(de)(de)組合效率(lv)(lv)。2008年8月(yue)，美(mei)國(guo)能(neng)源部可(ke)再生能(neng)源實(shi)驗(yan)室（NREL）宣(xuan)布，采(cai)用(yong)倒置(zhi)贗(yan)形三(san)結結構的(de)(de)(de)(de)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電池(chi)在(zai)326個太(tai)(tai)陽(yang)的(de)(de)(de)(de)聚光(guang)(guang)條件(jian)下，其光(guang)(guang)電轉化效率(lv)(lv)可(ke)達40.8%，并宣(xuan)稱這是迄今(jin)為止光(guang)(guang)伏技(ji)術中被證實(shi)的(de)(de)(de)(de)最高(gao)效率(lv)(lv)。隨(sui)著效率(lv)(lv)紀錄不斷被刷新，高(gao)效多結太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電池(chi)的(de)(de)(de)(de)研發也正進一步(bu)深入(ru)。

太陽能電池新材料的研發現狀

為了提高多結(jie)太陽能(neng)電池的轉換效(xiao)率，研究者(zhe)們從新(xin)材料開發(fa)(fa)、器件結(jie)構乃至整個(ge)系統等(deng)方面(mian)對多結(jie)太陽能(neng)電池進行(xing)了優化。在新(xin)材料開發(fa)(fa)方面(mian)，主(zhu)要(yao)有摻氮(dan)材料、量子點結(jie)構，以(yi)及In(Ga)N氮(dan)化物材料。

新(xin)型材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研發始(shi)終是一個活(huo)躍的(de)(de)(de)(de)(de)(de)領域，研究(jiu)者們(men)首先想到的(de)(de)(de)(de)(de)(de)是摻氮材(cai)料(liao)(liao)。因(yin)為從III-V族半導體(ti)能(neng)帶結(jie)(jie)(jie)構和晶格(ge)常(chang)數(shu)關(guan)系圖(tu)中(zhong)可(ke)(ke)以看出，對于(yu)GaInNAs材(cai)料(liao)(liao)四(si)(si)(si)元材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)晶格(ge)和GaAs匹(pi)配，頻寬為在(zai)(zai)(zai)1.05eV附近，若將其加到GaInP/GaAs/Ge三(san)結(jie)(jie)(jie)結(jie)(jie)(jie)構上，產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)四(si)(si)(si)結(jie)(jie)(jie)電池（1.88/1.42/1.05/0.67eV），其頻寬更加接近理想值(zhi)。在(zai)(zai)(zai)具有相(xiang)同結(jie)(jie)(jie)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)器件中(zhong)，效率(lv)可(ke)(ke)達到最大。對于(yu)多結(jie)(jie)(jie)太(tai)陽能(neng)電池來說，它似乎是實現高效率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)最理想的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法。但是，復雜的(de)(de)(de)(de)(de)(de)四(si)(si)(si)元材(cai)料(liao)(liao)體(ti)系在(zai)(zai)(zai)生(sheng)長上很難保(bao)證材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)品質，更無(wu)法保(bao)證材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)重(zhong)復性(xing)穩定(ding)性(xing)等問(wen)題(ti)(ti)。比如少數(shu)載(zai)流子擴散(san)長度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)問(wen)題(ti)(ti)就阻(zu)礙了(le)GaInNAs材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)進展(zhan)。近十年來，GaInNAs在(zai)(zai)(zai)光伏(fu)方(fang)面的(de)(de)(de)(de)(de)(de)應用正在(zai)(zai)(zai)逐漸減少。

其(qi)次，量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)結(jie)構也是新材料開發方面的(de)(de)熱點(dian)。主要理念(nian)是將量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)層(ceng)放在(zai)p-n結(jie)的(de)(de)耗(hao)盡區內(nei)，在(zai)光(guang)(guang)生(sheng)(sheng)載(zai)流子(zi)復合之(zhi)前被集中起來(lai)(lai)。這其(qi)實是一種使用中間帶的(de)(de)方法，通過(guo)提高量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)效(xiao)率(lv)來(lai)(lai)獲(huo)得高效(xiao)率(lv)。很(hen)容(rong)易看出，必須(xu)有(you)足夠多(duo)的(de)(de)高品質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)作為(wei)吸收層(ceng)才能實現提高效(xiao)率(lv)的(de)(de)目(mu)的(de)(de)，這就(jiu)在(zai)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)材料生(sheng)(sheng)長方面提出了(le)很(hen)高的(de)(de)要求(qiu)。例如，日本筑波(bo)大學的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)者(zhe)利用量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)的(de)(de)太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)單元的(de)(de)光(guang)(guang)電(dian)轉(zhuan)換效(xiao)率(lv)可達到8.54％。其(qi)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)型太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)是在(zai)p-n結(jie)之(zhi)間層(ceng)疊多(duo)個(ge)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)層(ceng)，在(zai)1cm2的(de)(de)GaAs襯底上交替疊加了(le)30層(ceng)GaNAs和30層(ceng)InAs的(de)(de)超晶格結(jie)構（見圖2）。在(zai)GaNAs上生(sheng)(sheng)長InAs時，自組織生(sheng)(sheng)成高為(wei)3～4nm、直(zhi)徑為(wei)20～30nm的(de)(de)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)。同時，超晶格結(jie)構導(dao)致量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)之(zhi)間產生(sheng)(sheng)結(jie)合后，在(zai)傳導(dao)帶上形成微帶，使各種波(bo)長的(de)(de)光(guang)(guang)吸收成為(wei)可能。多(duo)個(ge)早期研(yan)(yan)究(jiu)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)組目(mu)前正對(dui)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)在(zai)太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)中的(de)(de)應用進行深入研(yan)(yan)究(jiu)，如英國格拉斯(si)哥大學、日本東京大學等。量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)型太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)的(de)(de)理論(lun)轉(zhuan)換效(xiao)率(lv)可達60％以上，是頗受矚目(mu)的(de)(de)高效(xiao)太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)的(de)(de)候選(xuan)者(zhe)之(zhi)一。

高效多結(jie)(jie)太(tai)陽能電(dian)池技(ji)術 器件結(jie)(jie)構和(he)系(xi)統的(de)優化設計(ji)

InN和(he)InGaN的全(quan)氮(dan)化物太陽能(neng)電(dian)(dian)池是(shi)一種非常吸引人的高效電(dian)(dian)池，理論上它可以連續復蓋0.7到2.4eV光譜。南京大學的研究者們(men)通過(guo)計算得(de)出，在理想情況下，InGaN材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)應用于單結(jie)、雙結(jie)和(he)三結(jie)太陽電(dian)(dian)池時，其轉換效率可分別高達27.3%、36.6%和(he)41.3%。但(dan)是(shi)，氮(dan)化物本身(shen)也存在很多問題，如(ru)襯(chen)底材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)選擇、材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)品(pin)質(zhi)控(kong)制、p型材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的摻(chan)雜(za)、隧道二極(ji)管的問題等，因此目前的研究還處于開發基礎(chu)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)和(he)器件(jian)的階段。

器件結構和系統的優化設計

器件結(jie)(jie)構(gou)(gou)和(he)系(xi)統的優化設計(ji)也是提高多結(jie)(jie)太陽能電池效率的重要(yao)方法。器件結(jie)(jie)構(gou)(gou)及系(xi)統改進方面主要(yao)包(bao)括贗形層結(jie)(jie)構(gou)(gou)、機械疊(die)加結(jie)(jie)結(jie)(jie)構(gou)(gou)等等。

贗(yan)形層結(jie)構(gou)是(shi)(shi)指在(zai)已有的(de)GaInP/GaAs/Ge三結(jie)電池上(shang)增加一個晶格失配層（贗(yan)形層），其(qi)實這(zhe)是(shi)(shi)結(jie)合材料生長(chang)與器(qi)件結(jie)構(gou)優化的(de)一種方法。

一(yi)般多(duo)(duo)結(jie)電池的(de)外延層(ceng)(ceng)是晶格(ge)失配生(sheng)長，會(hui)產(chan)生(sheng)很多(duo)(duo)位錯(cuo)，減少了少子(zi)擴散(san)長度，降(jiang)低(di)了器(qi)(qi)件(jian)性(xing)能(neng)。在(zai)贗(yan)形層(ceng)(ceng)結(jie)構多(duo)(duo)結(jie)太(tai)陽能(neng)電池中，使用(yong)組分漸變方法(fa)在(zai)GaInP/GaAs雙結(jie)上(shang)生(sheng)長InGaAs結(jie)，使得所有(you)位錯(cuo)都(dou)局限在(zai)低(di)頻寬的(de)InGaAs結(jie)中。其實贗(yan)形層(ceng)(ceng)方法(fa)在(zai)GaAs基HEMT的(de)開發中廣泛應用(yong)，近(jin)幾年在(zai)GaAs基長波長雷射器(qi)(qi)中也有(you)應用(yong)。值(zhi)得一(yi)提的(de)是，倒(dao)置(zhi)的(de)贗(yan)形層(ceng)(ceng)多(duo)(duo)結(jie)太(tai)陽能(neng)電池結(jie)構（IMM）是EMCORE公司的(de)專(zhuan)利技(ji)術（見圖(tu)3），它采用(yong)倒(dao)置(zhi)的(de)方法(fa)生(sheng)長和(he)Ge或GaAs襯底(di)(di)(di)匹(pi)配的(de)GaInP和(he)GaAs結(jie)，InGaP首先被(bei)淀積在(zai)基于Ge襯底(di)(di)(di)的(de)子(zi)電池上(shang)面。這種設計保(bao)持了GaInP/GaAs結(jie)的(de)品質，它對整個器(qi)(qi)件(jian)總的(de)發電能(neng)力具有(you)決定性(xing)的(de)作用(yong)。倒(dao)置(zhi)贗(yan)性(xing)三結(jie)結(jie)構據稱(cheng)可(ke)與多(duo)(duo)項其它工藝(yi)相容，如柔性(xing)襯底(di)(di)(di)。因(yin)為Ge襯底(di)(di)(di)能(neng)夠被(bei)去(qu)除，從而器(qi)(qi)件(jian)可(ke)以(yi)安裝在(zai)如聚醯亞胺膠(jiao)帶等柔性(xing)襯底(di)(di)(di)上(shang)。

高效多結太陽能電池技術 器(qi)件結構和系(xi)統的優化設計

機械疊加(jia)多芯片結一般是(shi)指(zhi)，將生(sheng)長在(zai)(zai)不(bu)同(tong)(tong)襯(chen)(chen)(chen)底(di)上不(bu)同(tong)(tong)頻寬(kuan)的(de)電(dian)(dian)池(chi)壓焊到(dao)一起而形成所(suo)(suo)謂的(de)多芯片結。如將Ge或GaAs襯(chen)(chen)(chen)底(di)上的(de)頻寬(kuan)較(jiao)寬(kuan)的(de)GaInP/GaAs多結結構電(dian)(dian)池(chi)壓焊到(dao)InP襯(chen)(chen)(chen)底(di)上的(de)頻寬(kuan)較(jiao)窄的(de)GaInAsP/GaInAs（1.05/0.75eV）串聯結構電(dian)(dian)池(chi)之上。也可采(cai)用光電(dian)(dian)互連以(yi)及機械疊加(jia)相結合的(de)方法，如Delaware大學(xue)的(de)Allen Barnett的(de)研究團隊研制的(de)超高效太(tai)陽(yang)(yang)能電(dian)(dian)池(chi)（VHESC），組合效率在(zai)(zai)20個(ge)太(tai)陽(yang)(yang)聚光條件下可達42.8%。這種(zhong)超高效太(tai)陽(yang)(yang)能電(dian)(dian)池(chi)采(cai)用全新(xin)的(de)橫向光學(xue)聚焦(jiao)(jiao)系統，使入射光的(de)不(bu)同(tong)(tong)光譜波(bo)段(duan)被光學(xue)地分離和定向，然后被不(bu)同(tong)(tong)頻寬(kuan)的(de)太(tai)陽(yang)(yang)能電(dian)(dian)池(chi)所(suo)(suo)吸收(shou)（見圖(tu)4）。這種(zhong)光學(xue)聚焦(jiao)(jiao)系統具(ju)有(you)較(jiao)寬(kuan)的(de)接收(shou)角度，從(cong)而不(bu)需(xu)要(yao)復雜的(de)定位跟蹤系統。但是(shi)我們可以(yi)看出，機械疊加(jia)類型(xing)的(de)結構設(she)計在(zai)(zai)生(sheng)長工藝需(xu)要(yao)多種(zhong)襯(chen)(chen)(chen)底(di)，工藝中需(xu)要(yao)襯(chen)(chen)(chen)底(di)的(de)剝離，在(zai)(zai)外延層上壓焊芯片等，成本較(jiao)高和而且器件品質很(hen)難保證。

高效多結(jie)太陽能電池技術 器件結(jie)構和系統(tong)的優化設計

發展前景廣闊

高(gao)效(xiao)多(duo)結(jie)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)池(chi)技術的(de)(de)研(yan)(yan)究一(yi)直是太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)光(guang)伏技術中(zhong)的(de)(de)熱點之一(yi)，國外(wai)多(duo)家研(yan)(yan)究機構、公司等投入了大(da)量的(de)(de)人力物力。我(wo)國在(zai)這方(fang)面的(de)(de)研(yan)(yan)究起步也(ye)較(jiao)早，如電(dian)子18所(suo)、航太(tai)811所(suo)、中(zhong)科院(yuan)半導體所(suo)等等。最近(jin)廈門三安的(de)(de)GaAs/Ge多(duo)結(jie)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)池(chi)外(wai)延片關鍵技術研(yan)(yan)制及產(chan)業化(hua)項(xiang)目宣稱，其研(yan)(yan)制的(de)(de)多(duo)結(jie)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)池(chi)光(guang)電(dian)轉(zhuan)換效(xiao)率(lv)達27%，遠高(gao)于19.5%的(de)(de)硅電(dian)池(chi)最高(gao)轉(zhuan)換效(xiao)率(lv)。并(bing)具(ju)有(you)更(geng)強的(de)(de)抗輻照能(neng)(neng)力、更(geng)好的(de)(de)耐高(gao)性能(neng)(neng)，加上(shang)聚光(guang)技術的(de)(de)應用（降低(di)成本），將(jiang)是新一(yi)代高(gao)性能(neng)(neng)長壽命太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)池(chi)最具(ju)發展潛力的(de)(de)產(chan)品。但(dan)我(wo)們可以看出(chu)，相(xiang)比國外(wai)來說，轉(zhuan)換效(xiao)率(lv)相(xiang)對較(jiao)低(di)，并(bing)且器件指標還有(you)一(yi)定差距。總(zong)之，從新材料(liao)開發、器件結(jie)構乃至整(zheng)個系統(tong)設計方(fang)面，在(zai)高(gao)效(xiao)多(duo)結(jie)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)池(chi)方(fang)面還有(you)很多(duo)工作值得進(jin)一(yi)步深入研(yan)(yan)究。