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1、本文由飞过无痕zr贡献pdf文档可能在 WAP端浏览体验不佳。建议您优先选 择TXT ,或下载源文件到本机查看。 评论III- V族化合物半导体整体多结级连太 阳电池一光伏技术的新突破 一一陈文浚带电子激发到导带，不能对光生电流产 生贡献，这构成了光电 转换中的电流损失。而能量高于半导体带隙宽度的光子只 能将一个电子激发到导带，把与带隙宽度相当的能量传给光生载流 子，多余的能量则将以声子的形式传给晶格，变成热能，构成光电转换中所谓的电压损失。因此，若选择窄带隙半导 体，则太阳电池的短路电流密度高而开路电 压低；若选择宽带 隙半导体，则太阳电池的开路电压高而短路电流密度低。此顾而失彼，除非引入新
2、的机理4，其光电转换效率为固有的带 隙宽度所限制，非聚光条件下的理论上限为30% o使是带隙宽即 度与太阳光谱较为匹配的GaAs单结电池，已实现的AM1.5效 率的最好结果也仅为25%5 o作者近照显然，以多种带隙宽度不同 的半导体材料构成级连太阳 电池，用各级子电池去吸收利用与其带隙宽度最相匹 配的那部分太阳光谱，从而减小上述单结电池在光电转换过程中的“电流损失和电压损失”是突破上述光电转换效率限制的最好途径。图1所 示，当设计方案为各级子电池相互叠加 如时，子电池要按材料的带隙宽度从宽到 窄依次排列。阳光首 太先进入顶部带隙最宽的第一级，未被吸收的波长较长的光则逐级向下透射进入下层各级电池
3、，直至被全部吸收。 事实上，早在硅太阳电池在贝尔实验室诞生的第二年， 即1 9 5 5年，就已经有人提出这样的设计思 想。从上个世纪7 0年代起，在硅和砷化 镓等单结太阳电池达到较高性能水平 后，为了实现更高的光电 转换效率，人们开始更多地注意多结级连太阳电池的研 究，有越来越多的论文对理论设计和方案选择开展探讨6。实现多结级连太阳电池结构最简单易行的方法就是分别 制备各级子电池，然后把它们机械地叠加 起来。例如，有人曾用带隙为1.42 eV的IH-V族化合物半导体Ga As和带隙约为1.0从1 954年第一只光电转换效率达到实际应 用水平的硅太阳电池在美国贝尔实验室诞生起，光伏技术已有了5
4、0多年的发展历史。在上个世纪70年代引发的能源危机刺激下， 在空间飞行器能源系统需求的牵引下， 这一技术领域内不断取 得重要技术突破。晶 体硅太阳电池、晶硅薄膜太阳电池、非川一n-族化合物半导体 多晶薄膜v族化合物半导体太阳电池、太阳电池等，越来越多的太阳电 池技术日趋成熟。电转换效 光率的不断提高及制造成本的持续降低，使今天的光伏技术在空间和地面都得到了越来越广泛的应用。而回顾和评价光伏技术在最近io年的进展，基于砷化傢的m-v族化合物半导体多结太阳电池技 术的迅速发展应是最引人瞩目的里程碑式 突破。时至今天，GaInP2/ Ga( In ) As/Ge三结级连太阳电池大规模生产的平均AM0
5、 效率已接近30%1，使10年前占据空间能源应用主导地位的硅太阳电池几乎让出了全部空间市 场2。在高倍聚光条件下，这种多结太 阳电池的实验室AM1.5效率已接近40%3。极高的光电转换 效率使其在未来的10年里有可能与传统的平板式硅太阳电池发电系统在地 面应用中争夺市场。最近的发展动态表明，m-v族化合物半导体多 结太阳电池，作为光伏领域内新的技术突破， 有着广阔的发展与 应用前景。e V的Im W族化合物半导体CuInSe2构成的双结电池实现了 2 3.1%的 AM0光电转换效率 7。由 GaAs/Ge8和 GaA s/GaSb9 构成的机械叠加双结电池也都曾实现较高的性能。但即使是 对于最
6、简单的双结电池，机械级连的方法也具有难以克服的缺点。 先，顶电池对于底电池必须是透明”的。使用厚衬首当“1多结级连 太阳电池的高光电转换效率机理和发展背景基于只有能量高于半导体带隙宽作者 简介：陈文浚( 1 9 4 5 -)，男，北京市人。现为中国电 子科技集团第 十八研究所(天津电源研究所) 研究员级高级工程师。1 9 6 8 年毕业于清华 大学半导体材料与 器件专业。三十七年来一直在第一线从事太阳电池的基础研究 与生产，曾获得八项 国家及部市级科技进步奖。从 1 9 9 2年起享受政府特殊 津贴，1 9 9 4年国家劳动人事 部授予有突出贡献中、青年专家称号。在 过去的十年里，领导组建了国
7、内第一条 砷化傢太阳电池金属有机物气相外 延(M OVP E )生产线，专门从事基于砷化傢的单结与多结电池研究与生产。第六届全国 MOCVD学术会议以后，为历届此会议组 织 委员会委员。度的个光子才能且只能激发产生一对 光生载流子的原理，由单一半 导体材料 构成的单结太阳电池只能将太阳光谱 中的某一部分有效地转化为电能。 量能低于半导体带隙宽度的光子无法将价 972007.2 Vol.31 N 0.2评论的课题。后一种途径，虽永远无法达到与太阳光谱的最 佳匹而配，却更容易实现高光电转换效率的现实目标。是这后一种 正选择实现了我们今天所看到的，以GaInP2/GaAs/Ge 三结级连太 阳电池为
8、代表的光伏技术新突破。事实上，由于Al GaAs/G aAs单结电池从上个世纪80年代初开始已通过MOVPE方法投 入成熟的大规模生产，虽然有人尝试过两InP/GaInAs等其 它材料系统，而早期的晶格匹配、端整体级连电池的研究主要集中 于AlGaAs/GaAs 双结电池。尽管早在上世纪80年代末已实 现很高的转换效率12，但AlGaAs/GaAs 双结电池的进 一步发展却受到限制。由于与GaAs底电池相搭配，AlGaAs 顶电池的Al组分要足够高，以使带隙宽度接近图1多结叠层级连太 阳电池示意图1.9 eV。这时AlGaAs已从直接带隙材料转变为 间接带隙材料(见图4)，实现电流匹配则需要相
9、当厚的顶电池。 而且，底时，搀杂浓度不能太高。夕卜，如图2所示，顶层电池的下电 另极金 属接触也必须象上电极一样做成栅线构型，而且要与两 级子电池的上电极图形精确对准。两级子电池一般具有 4个输出端(terminal )，通常要在 电学上先把几个同级子电池互连，再去与另一级子电池相连接， 对外构成 一个两端器件。，如先将4只CuInSe2电池串连实现与Ga(A l)As顶电池的电压匹配，再把两级电池并连成两端器件7。 电学上互连的复杂程度使机械级连叠层电池很难真正投入大规模的生产与应 用。机械级连电池的各级子电池一般都要使用各自的衬底，这也大大增加了制造成本。MOVPE生长时，Al源对残余氧的
10、敏感性也为制备高质量 的高 Al组分AlGaAs 带来困难 13。图2两端Ga As /CIS双结级连太阳电池示意图 7半导 体材料外延生长技术，特别是II I-V族化合物半导体的金属有 机物气相外延（M OVPE ）技术的成熟发展使得制备整体集成式多结 级连太阳电池成为可能。由图 3所示的模拟计算结果10看，双结级 连电池的材料最佳匹配选择应是顶电池和底电池的带隙宽度分别为 1.75 eV和1 .12 eV左右。虽然近几年有人报道了在Si（E g为1.1 eV ）衬底上直接生长晶格匹配的GaNPAs四元化合 物半导体（Eg为1.61.9 eV ）的研究结果11（ a ）子电池电流匹配（虚线以
11、下部分）（b ）顶电池无穷厚 图3双结级连太阳电池的 A M1.5理论效率与子电池带隙宽度的关系 10 Jerry M. Olso n等于上世纪80年代中期率先开展了 GaInP2/GaAs 晶格匹 配整体级连双结电池的研究13。如图4所示，与GaAs晶格 匹配的GaInP2具有与高Al组分AlGaAs相当的带隙宽度， 却 不存在上面所提到的两个问题。可能是由 很于受到当时MO源和M OVPE设备水平的限制，在早期很难生长出高质量的GaInP2材料，因 此这一方案并不被看好。但随着M OVPE技术的发展和对GaIn P2越来越深入的认识14，但在实践上很难找到在带隙宽度上如此 理想搭配，晶格常
12、数又非常匹配的两种材料来实现整体级连电池结构。人们不得不在两种相反的技术途径之间择其一：优先考虑光 学和电学上的要求，即对带隙宽度的要求，努力去用晶格渐 变、晶格结构等方法实现非晶格匹配材料的生长； 优先考虑 超晶体学上的要求，即对材料晶格匹配的要求， 以实现高质量晶 体材 料的生长，而放宽对带隙宽度的最佳匹配选择。 今为止迄的实践表明，非晶格 匹配材料的生长始终是个难以理想解决 GaInP2/GaAs 双结电池迅速 取得超过其它任何材料系统所达到的转换效率，第一次实现了把3 0% 的阳光（AM1.5，非聚 2 0 0 7.2 Vol.31 No.2 98 评 论2 Ga In P 2/ Ga
13、 As /Ge三结空间电池的持续进步当前应用 卫星的两个重要发展趋势， 即大功率及超大功 率通信卫星和用于各种目的的小型及超小型卫星，都对太阳 电池性能提出了更高的要求。GaInP2/GaAs/Ge 三结电池正 是在这种空间应用的需求牵引下产生和发展的。上所述，在最如近10年里，这项技术进步之快，光电转换效率的上升、破之突持续和迅速， 是光伏技术发展史上其它类型太阳电池所没有 经历过的。于转换效率远远 高于Si太阳电池和 GaAs/Ge 单由结电池，GaInP2/GaA s/Ge三结电池的应用使太阳方阵的面积图4部分III V族化合 物半导体的带隙宽度与晶格常数 15比功率和质量比功率都得到改
14、进， 且在 系统水平上降低了单位功率的制造成本。在这一领域一直处于领先地位的是美国 波音公司下属的子公司Spectrolab 。我们可以通过解读Sp ec光)转换成电能，成为整体多结级连太阳电池研究的关注 焦点。与此 同时，以Ge单晶片为衬底的GaAs太阳电池已大量应用于卫星 能源系统。Jerry M. Olson 等在GaInP2/GaAs 双结 电池研究中所取得的成果，在上个世纪90年代中期很快以技术转 让的形式在美国的两个空间电池生产厂家(Spectrolab 和T ecstar )实现商业化应用16。1997年8月，装备了 Ge衬底这GaInP2/GaAs 双结电池的第一颗商业通信卫星
15、被发 射升空。颗美国休斯公司的H S601电视直播卫星，不改变太阳 方阵的原有设计，仅仅以平均效率为21.6%的GaInP2/Ga InAs/Ge双结电池取代Si太阳电池，方阵的输出功率就从 4.8 kW提高了一倍，达到10 kW,大大增加了卫星的有效载 荷，成为空间能源系统的一个新的里程碑。 从图4可以看到，GaInP 2、GaAs和Ge从上到下三点成一线，带隙宽度分别为1.8 6、1.42 eV和0 .67 eV，正好构成晶格匹配的级连三结电池材料系统，虽然并不完全理想。 外延生在长GaAs中间电池和GaInP2 顶电池的同时，通过控制V族和trolab在这一领域内所解决的 各项关键技术来
16、了解这一技术最近10年来的进展。图5为Spectrolab 的各种效率水平的太阳电池第一次 应用于空间飞行器的年代表1。从图中可以看到，GaInP2 /GalnAs/Ge 多结电池的进步速度和趋势与Si太阳电池及G aAs单结电池形成鲜明对比。Spectrolab 的多结电池已经 历四代更新，即双结(DJ -Dual Junction )16三、结(TJ 23 Triple Junction ) tion )2221、改进型三结(ITJ -Improved Triple June ,平均和超高效三结(UTJ -Ultra Triple Junctio n)效率(AMO, 28 C )分别为 21.8%、25.1%、2 6.8%和2 8%。产品的效率水平差不多平均每年提高一个绝对百分点。图 6为这四代多结电
