高(gao)效(xiao)多結(jie)太(tai)陽能(neng)電池技術(shu) 器件結(jie)構和系(xi)統(tong)的優化設計

太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)光伏(fu)技術經過(guo)近幾十(shi)年的發(fa)展，已經在新(xin)能(neng)(neng)(neng)源領域確立了(le)其(qi)重(zhong)要地(di)位。大力發(fa)展太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)光伏(fu)發(fa)電(dian)已成為人類解決未(wei)來能(neng)(neng)(neng)源問(wen)題的重(zhong)要途徑。在產業(ye)界，當前太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)技術的重(zhong)點仍是(shi)硅太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)池(chi)，包括多晶硅和非(fei)晶硅薄膜電(dian)池(chi)等。

由(you)(you)于(yu)多(duo)晶(jing)硅(gui)和非晶(jing)硅(gui)薄(bo)膜電(dian)(dian)池(chi)(chi)具有相對較高(gao)的(de)(de)(de)轉(zhuan)換效(xiao)(xiao)(xiao)率和相對較低(di)的(de)(de)(de)成本，逐(zhu)漸(jian)成為(wei)市(shi)場(chang)的(de)(de)(de)主導產(chan)品。而其(qi)它種類的(de)(de)(de)薄(bo)膜電(dian)(dian)池(chi)(chi)由(you)(you)于(yu)技(ji)(ji)術不是(shi)很成熟，似乎很難(nan)在(zai)短期內替代硅(gui)系(xi)太(tai)陽(yang)(yang)能電(dian)(dian)池(chi)(chi)。目(mu)前的(de)(de)(de)硅(gui)系(xi)太(tai)陽(yang)(yang)能電(dian)(dian)池(chi)(chi)最(zui)高(gao)轉(zhuan)換效(xiao)(xiao)(xiao)率只有20%左右，要想再(zai)進一(yi)步提(ti)高(gao)已(yi)經(jing)非常困難(nan)。眾所周知(zhi)，提(ti)高(gao)轉(zhuan)換效(xiao)(xiao)(xiao)率和降低(di)成本是(shi)太(tai)陽(yang)(yang)能光伏技(ji)(ji)術中的(de)(de)(de)根本因(yin)素。開展(zhan)高(gao)效(xiao)(xiao)(xiao)太(tai)陽(yang)(yang)能電(dian)(dian)池(chi)(chi)技(ji)(ji)術研究，開發新的(de)(de)(de)電(dian)(dian)池(chi)(chi)材料、電(dian)(dian)池(chi)(chi)結構，也一(yi)直(zhi)是(shi)該(gai)領域(yu)的(de)(de)(de)熱(re)點(dian)。在(zai)這其(qi)中，高(gao)效(xiao)(xiao)(xiao)多(duo)結太(tai)陽(yang)(yang)能電(dian)(dian)池(chi)(chi)技(ji)(ji)術的(de)(de)(de)研究尤為(wei)引人注目(mu)。

認識高效多結太陽能電池技術

一般所說的(de)(de)高(gao)效(xiao)多結太(tai)陽能電(dian)(dian)池(chi)是指針對太(tai)陽光譜，在(zai)不同的(de)(de)波段選取(qu)不同頻寬(kuan)的(de)(de)半導體材料(liao)做成多個太(tai)陽能子電(dian)(dian)池(chi)，最后(hou)將這些子電(dian)(dian)池(chi)串聯形成多結太(tai)陽能電(dian)(dian)池(chi)。目前研究較多的(de)(de)III-V族(zu)(zu)材料(liao)體系，如InGaP/GaAs/Ge三結電(dian)(dian)池(chi)，所報導的(de)(de)轉換(huan)效(xiao)率(lv)可達42.8%左右(you)。也有選取(qu)II-VI族(zu)(zu)材料(liao)的(de)(de)，但(dan)目前還處(chu)于研究階(jie)段。本文(wen)將主要介(jie)紹InGaP/GaAs/Ge等III-V族(zu)(zu)材料(liao)體系。

圖1是一個典(dian)型的(de)(de)(de)多結(jie)(jie)太陽(yang)能電(dian)池示意(yi)圖。其中(zhong)頂(ding)層(ceng)的(de)(de)(de)InGaP電(dian)池、中(zhong)層(ceng)的(de)(de)(de)GaAs電(dian)池和(he)底層(ceng)的(de)(de)(de)Ge電(dian)池帶隙分(fen)別為1.86eV、1.40eV和(he)0.65eV。在頂(ding)層(ceng)和(he)中(zhong)層(ceng)相鄰兩(liang)(liang)個電(dian)池間設有寬帶隙的(de)(de)(de)異質結(jie)(jie)構隧道結(jie)(jie)，使得入(ru)射光能順利通過(guo)頂(ding)層(ceng)電(dian)池到達中(zhong)層(ceng)的(de)(de)(de)GaAs電(dian)池。同時(shi)提供(gong)高(gao)的(de)(de)(de)結(jie)(jie)間勢壘，防止兩(liang)(liang)層(ceng)中(zhong)產(chan)生的(de)(de)(de)少子擴(kuo)散。

高效(xiao)多結太(tai)陽能電池技術 器件結構和系統的(de)優化設計

多結太(tai)陽能(neng)電池經過近(jin)十幾年的發展，其(qi)(qi)在(zai)太(tai)空領域已(yi)經被廣(guang)泛應用，效率紀錄(lu)也不斷被刷(shua)新。但由于(yu)成本(ben)等原(yuan)因(yin)，很難(nan)得以大規模地面推(tui)廣(guang)。因(yin)此(ci)必須(xu)盡可能(neng)地提高其(qi)(qi)轉換效率，降低成本(ben)，才能(neng)顯出其(qi)(qi)優勢(shi)。

目前降低成本(ben)主(zhu)要(yao)采用聚(ju)光(guang)鏡(jing)技(ji)術(shu)，將太(tai)陽(yang)光(guang)通過(guo)透鏡(jing)收集起來，大(da)大(da)減小了(le)芯片的(de)(de)面積(ji)。日本(ben)夏(xia)普公司2007年(nian)底(di)公布(bu)了(le)1000倍(bei)聚(ju)光(guang)、轉(zhuan)換效率(lv)(lv)高達40％的(de)(de)4.5mm2的(de)(de)InGaPAs系多結太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)單元。2008年(nian)初，Delaware大(da)學(xue)的(de)(de)Allen Barnett的(de)(de)研究團隊研制的(de)(de)超高效太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)（VHESC），僅在20個太(tai)陽(yang)的(de)(de)聚(ju)光(guang)條(tiao)件下即(ji)可實現42.8%的(de)(de)組(zu)合效率(lv)(lv)。2008年(nian)8月，美國能(neng)源(yuan)部可再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)實驗室（NREL）宣(xuan)布(bu)，采用倒置贗形三結結構的(de)(de)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)在326個太(tai)陽(yang)的(de)(de)聚(ju)光(guang)條(tiao)件下，其光(guang)電(dian)轉(zhuan)化效率(lv)(lv)可達40.8%，并宣(xuan)稱(cheng)這是迄今(jin)為止光(guang)伏技(ji)術(shu)中(zhong)被(bei)(bei)證實的(de)(de)最高效率(lv)(lv)。隨著效率(lv)(lv)紀錄(lu)不斷被(bei)(bei)刷(shua)新，高效多結太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)的(de)(de)研發也正進一(yi)步深入。

太陽能電池新材料的研發現狀

為了(le)提高多結太(tai)陽(yang)(yang)能電(dian)池的轉換效率，研究者們從新(xin)材料開發、器件結構(gou)乃至整個系統等方面對多結太(tai)陽(yang)(yang)能電(dian)池進行了(le)優(you)化。在(zai)新(xin)材料開發方面，主(zhu)要有摻氮(dan)材料、量子(zi)點結構(gou)，以(yi)及(ji)In(Ga)N氮(dan)化物材料。

新型(xing)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)研發始終是(shi)一個活躍的(de)(de)(de)領域，研究者們(men)首先想(xiang)到的(de)(de)(de)是(shi)摻氮材(cai)料(liao)(liao)。因為從(cong)III-V族半導體(ti)能帶(dai)結(jie)(jie)構和晶(jing)格常數關系圖中(zhong)可以(yi)看出，對于(yu)GaInNAs材(cai)料(liao)(liao)四元材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)晶(jing)格和GaAs匹配，頻(pin)寬(kuan)(kuan)為在1.05eV附近(jin)，若將其(qi)加(jia)到GaInP/GaAs/Ge三結(jie)(jie)結(jie)(jie)構上，產生的(de)(de)(de)四結(jie)(jie)電池（1.88/1.42/1.05/0.67eV），其(qi)頻(pin)寬(kuan)(kuan)更(geng)加(jia)接(jie)近(jin)理(li)想(xiang)值。在具有相同結(jie)(jie)數的(de)(de)(de)器件中(zhong)，效(xiao)率可達到最(zui)大。對于(yu)多(duo)結(jie)(jie)太陽能電池來說，它(ta)似乎是(shi)實現(xian)高效(xiao)率的(de)(de)(de)最(zui)理(li)想(xiang)的(de)(de)(de)方法。但(dan)是(shi)，復雜的(de)(de)(de)四元材(cai)料(liao)(liao)體(ti)系在生長上很難保證材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)品質(zhi)，更(geng)無法保證材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)重(zhong)復性穩定性等問題(ti)。比如少數載流子擴散(san)長度的(de)(de)(de)問題(ti)就阻(zu)礙了(le)GaInNAs材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)進展。近(jin)十年來，GaInNAs在光(guang)伏方面(mian)的(de)(de)(de)應用正在逐漸減(jian)少。

其次(ci)，量(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)(dian)結(jie)構也是新材料開發方面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)熱點(dian)(dian)。主要理念是將(jiang)量(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)(dian)層(ceng)放(fang)在(zai)(zai)(zai)p-n結(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)耗盡(jin)區內，在(zai)(zai)(zai)光(guang)生(sheng)(sheng)載(zai)流子(zi)復合(he)之前(qian)(qian)被集(ji)中起(qi)來(lai)。這其實是一種(zhong)使用(yong)中間(jian)帶(dai)的(de)(de)(de)(de)(de)方法(fa)，通過提(ti)高(gao)(gao)量(liang)(liang)(liang)子(zi)效(xiao)(xiao)率(lv)來(lai)獲得高(gao)(gao)效(xiao)(xiao)率(lv)。很容(rong)易看出(chu)，必須有足夠多的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)品質(zhi)量(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)(dian)作為(wei)吸(xi)收層(ceng)才能(neng)(neng)實現提(ti)高(gao)(gao)效(xiao)(xiao)率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)(de)，這就在(zai)(zai)(zai)量(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)(dian)材料生(sheng)(sheng)長方面(mian)提(ti)出(chu)了很高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)要求(qiu)。例(li)如，日本(ben)筑(zhu)波(bo)大(da)(da)學的(de)(de)(de)(de)(de)研究(jiu)者(zhe)(zhe)利用(yong)量(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)單(dan)元的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)電(dian)(dian)轉(zhuan)換效(xiao)(xiao)率(lv)可(ke)(ke)達到(dao)8.54％。其量(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)(dian)型(xing)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)是在(zai)(zai)(zai)p-n結(jie)之間(jian)層(ceng)疊多個(ge)量(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)(dian)層(ceng)，在(zai)(zai)(zai)1cm2的(de)(de)(de)(de)(de)GaAs襯底上(shang)(shang)交替疊加(jia)了30層(ceng)GaNAs和30層(ceng)InAs的(de)(de)(de)(de)(de)超(chao)晶(jing)格(ge)結(jie)構（見圖2）。在(zai)(zai)(zai)GaNAs上(shang)(shang)生(sheng)(sheng)長InAs時，自(zi)組(zu)織生(sheng)(sheng)成(cheng)高(gao)(gao)為(wei)3～4nm、直徑為(wei)20～30nm的(de)(de)(de)(de)(de)量(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)(dian)。同時，超(chao)晶(jing)格(ge)結(jie)構導致量(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)(dian)之間(jian)產生(sheng)(sheng)結(jie)合(he)后(hou)，在(zai)(zai)(zai)傳導帶(dai)上(shang)(shang)形成(cheng)微帶(dai)，使各種(zhong)波(bo)長的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)吸(xi)收成(cheng)為(wei)可(ke)(ke)能(neng)(neng)。多個(ge)早期研究(jiu)量(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)研究(jiu)組(zu)目前(qian)(qian)正對(dui)量(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)(dian)在(zai)(zai)(zai)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)中的(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)進行深入研究(jiu)，如英(ying)國格(ge)拉斯哥大(da)(da)學、日本(ben)東京大(da)(da)學等。量(liang)(liang)(liang)子(zi)點(dian)(dian)型(xing)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)理論轉(zhuan)換效(xiao)(xiao)率(lv)可(ke)(ke)達60％以上(shang)(shang)，是頗受矚目的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)效(xiao)(xiao)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)候選者(zhe)(zhe)之一。

高效(xiao)多結太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)技術 器件結構和系統(tong)的優化設計

InN和(he)InGaN的(de)(de)(de)全氮化(hua)物太陽能電(dian)池是一種非常吸引人的(de)(de)(de)高效電(dian)池，理(li)論上它(ta)可(ke)以連續復(fu)蓋0.7到2.4eV光譜。南京大學的(de)(de)(de)研究(jiu)者們通過計算得出，在理(li)想情(qing)況下(xia)，InGaN材料(liao)應用(yong)于單結(jie)(jie)、雙結(jie)(jie)和(he)三結(jie)(jie)太陽電(dian)池時，其轉(zhuan)換效率可(ke)分別高達27.3%、36.6%和(he)41.3%。但(dan)是，氮化(hua)物本身也存在很多問(wen)題，如襯底材料(liao)選擇、材料(liao)品質控制(zhi)、p型材料(liao)的(de)(de)(de)摻雜、隧(sui)道二極(ji)管(guan)的(de)(de)(de)問(wen)題等(deng)，因(yin)此目前的(de)(de)(de)研究(jiu)還處于開發基礎材料(liao)和(he)器件的(de)(de)(de)階段。

器件結構和系統的優化設計

器(qi)件(jian)結(jie)構(gou)(gou)和系統的(de)優化設計(ji)也是提高多結(jie)太陽能電池效率的(de)重要方法。器(qi)件(jian)結(jie)構(gou)(gou)及系統改進方面主要包括贗形(xing)層結(jie)構(gou)(gou)、機(ji)械疊加(jia)結(jie)結(jie)構(gou)(gou)等等。

贗形(xing)層(ceng)結構(gou)是指在已有的(de)GaInP/GaAs/Ge三結電池上增加一個(ge)晶格失配層(ceng)（贗形(xing)層(ceng)），其實這是結合材料生長與器件結構(gou)優化的(de)一種(zhong)方法。

一(yi)般(ban)多結(jie)(jie)(jie)電(dian)(dian)池(chi)的(de)外延層(ceng)是晶格失配生(sheng)長，會產生(sheng)很多位錯，減(jian)少了少子擴(kuo)散長度，降(jiang)低了器件性能(neng)。在(zai)(zai)(zai)贗(yan)形(xing)層(ceng)結(jie)(jie)(jie)構多結(jie)(jie)(jie)太(tai)陽能(neng)電(dian)(dian)池(chi)中(zhong)，使(shi)(shi)用(yong)組分漸變(bian)方(fang)法在(zai)(zai)(zai)GaInP/GaAs雙結(jie)(jie)(jie)上生(sheng)長InGaAs結(jie)(jie)(jie)，使(shi)(shi)得所有(you)位錯都局限在(zai)(zai)(zai)低頻寬的(de)InGaAs結(jie)(jie)(jie)中(zhong)。其實贗(yan)形(xing)層(ceng)方(fang)法在(zai)(zai)(zai)GaAs基HEMT的(de)開發中(zhong)廣(guang)泛應用(yong)，近幾年在(zai)(zai)(zai)GaAs基長波(bo)長雷射器中(zhong)也有(you)應用(yong)。值得一(yi)提的(de)是，倒(dao)置(zhi)(zhi)的(de)贗(yan)形(xing)層(ceng)多結(jie)(jie)(jie)太(tai)陽能(neng)電(dian)(dian)池(chi)結(jie)(jie)(jie)構（IMM）是EMCORE公司的(de)專利(li)技術（見圖(tu)3），它(ta)采用(yong)倒(dao)置(zhi)(zhi)的(de)方(fang)法生(sheng)長和Ge或GaAs襯(chen)(chen)底(di)匹(pi)配的(de)GaInP和GaAs結(jie)(jie)(jie)，InGaP首(shou)先(xian)被(bei)淀積在(zai)(zai)(zai)基于Ge襯(chen)(chen)底(di)的(de)子電(dian)(dian)池(chi)上面。這種設計保(bao)持了GaInP/GaAs結(jie)(jie)(jie)的(de)品(pin)質，它(ta)對整個器件總(zong)的(de)發電(dian)(dian)能(neng)力具(ju)有(you)決定性的(de)作用(yong)。倒(dao)置(zhi)(zhi)贗(yan)性三結(jie)(jie)(jie)結(jie)(jie)(jie)構據稱可(ke)與多項其它(ta)工(gong)藝相容(rong)，如柔性襯(chen)(chen)底(di)。因為Ge襯(chen)(chen)底(di)能(neng)夠被(bei)去除(chu)，從而器件可(ke)以安裝在(zai)(zai)(zai)如聚醯(xi)亞胺膠帶等柔性襯(chen)(chen)底(di)上。

高效多(duo)結(jie)太陽能電池技術 器件結(jie)構和系統的優化(hua)設計

機械(xie)疊(die)加(jia)多芯(xin)片結一(yi)般是指(zhi)，將生長(chang)在不同(tong)(tong)襯(chen)(chen)底(di)上(shang)不同(tong)(tong)頻寬(kuan)(kuan)的電(dian)(dian)(dian)池(chi)壓(ya)焊(han)到一(yi)起而形成所謂的多芯(xin)片結。如將Ge或GaAs襯(chen)(chen)底(di)上(shang)的頻寬(kuan)(kuan)較寬(kuan)(kuan)的GaInP/GaAs多結結構(gou)(gou)電(dian)(dian)(dian)池(chi)壓(ya)焊(han)到InP襯(chen)(chen)底(di)上(shang)的頻寬(kuan)(kuan)較窄(zhai)的GaInAsP/GaInAs（1.05/0.75eV）串聯結構(gou)(gou)電(dian)(dian)(dian)池(chi)之上(shang)。也(ye)可(ke)采用(yong)光(guang)電(dian)(dian)(dian)互連以(yi)及機械(xie)疊(die)加(jia)相結合的方法，如Delaware大學(xue)的Allen Barnett的研(yan)究團隊研(yan)制的超(chao)高(gao)效太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)（VHESC），組合效率在20個太(tai)陽聚光(guang)條件(jian)下可(ke)達42.8%。這種超(chao)高(gao)效太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)采用(yong)全新的橫向光(guang)學(xue)聚焦系統，使入射(she)光(guang)的不同(tong)(tong)光(guang)譜波段被光(guang)學(xue)地分離和定向，然后被不同(tong)(tong)頻寬(kuan)(kuan)的太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)所吸收（見圖4）。這種光(guang)學(xue)聚焦系統具有較寬(kuan)(kuan)的接收角度，從而不需要復雜的定位跟(gen)蹤(zong)系統。但是我們(men)可(ke)以(yi)看出，機械(xie)疊(die)加(jia)類(lei)型的結構(gou)(gou)設計在生長(chang)工(gong)藝需要多種襯(chen)(chen)底(di)，工(gong)藝中需要襯(chen)(chen)底(di)的剝離，在外延層(ceng)上(shang)壓(ya)焊(han)芯(xin)片等，成本較高(gao)和而且器(qi)件(jian)品質很難保(bao)證。

高效多結(jie)太陽能(neng)電(dian)池技術 器件(jian)結(jie)構和系(xi)統(tong)的優化(hua)設計

發展前景廣闊

高效(xiao)多結(jie)(jie)(jie)太(tai)陽能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)技術(shu)的研(yan)(yan)究一直是(shi)(shi)太(tai)陽能(neng)(neng)(neng)光(guang)伏(fu)技術(shu)中的熱點之(zhi)一，國外多家研(yan)(yan)究機(ji)構(gou)、公司等投入了大量(liang)的人力物力。我(wo)(wo)國在這方面(mian)的研(yan)(yan)究起步(bu)也較早，如電(dian)(dian)子18所、航太(tai)811所、中科院(yuan)半導體(ti)所等等。最(zui)近廈門(men)三安的GaAs/Ge多結(jie)(jie)(jie)太(tai)陽能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)外延片關鍵技術(shu)研(yan)(yan)制(zhi)及(ji)產(chan)業化項目宣稱，其研(yan)(yan)制(zhi)的多結(jie)(jie)(jie)太(tai)陽能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)光(guang)電(dian)(dian)轉(zhuan)換效(xiao)率達27%，遠高于19.5%的硅電(dian)(dian)池(chi)最(zui)高轉(zhuan)換效(xiao)率。并具(ju)有(you)更強的抗輻照(zhao)能(neng)(neng)(neng)力、更好(hao)的耐高性能(neng)(neng)(neng)，加上(shang)聚光(guang)技術(shu)的應用（降低成本(ben)），將是(shi)(shi)新一代高性能(neng)(neng)(neng)長壽命太(tai)陽能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)最(zui)具(ju)發展(zhan)潛力的產(chan)品。但(dan)我(wo)(wo)們可以看出，相(xiang)比國外來說，轉(zhuan)換效(xiao)率相(xiang)對較低，并且(qie)器件(jian)指標還有(you)一定差距。總(zong)之(zhi)，從新材(cai)料開(kai)發、器件(jian)結(jie)(jie)(jie)構(gou)乃至整個系(xi)統(tong)設(she)計方面(mian)，在高效(xiao)多結(jie)(jie)(jie)太(tai)陽能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)方面(mian)還有(you)很(hen)多工作值得(de)進一步(bu)深入研(yan)(yan)究。