博士论文：聚光多结太阳能电池的设计、制备及可靠性研究

分 类 号 学 号D200977650 学校代码 10487 密 级 博士学位论文博士学位论文 聚光聚光多结多结太阳能电池太阳能电池的的设计设计、 制备及、 制备及可可 靠性靠性研究研究 学位申请人学位申请人: 宋明辉宋明辉 学 科 专 业学 科 专 业 : 光电信息工程光电信息工程 指 导 教 师指 导 教 师 : 陈长清陈长清 教授教授 吴志浩吴志浩 副教授副教授 答 辩 日 期答 辩 日 期 : 2012 年年 5 月月 20 日日 A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in Science Design, Fabrication and Reliability Study of Concentrator Multi-junction Solar Cells Ph.D.Candidate : Minghui Song Major : Opto-Electronic Information Engineering Supervisor : Prof. Changqing Chen A. P. Zhihao Wu Huazhong University of Science and Technology Wuhan, Hubei 430074, P. R. China May, 2012 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 I 摘摘 要要 随着全球能源危机和环境污染的日益加剧，开发利用新型可再生清洁能源已经 成为人们生产、生活，维持社会可持续发展的迫切需求。近年来开发利用太阳能， 光伏发电技术已经吸引了人们的普遍关注，其中聚光光伏发电技术以其独特的优势， 如较高的转换效率和较低的发电成本，已被公认为最具潜力的地面应用发电技术。 聚光型多结化合物半导体太阳能电池是聚光发电技术的核心器件，具有目前最高的 光电转换效率，良好的温度特性，抗辐射性能好，以及寿命长等优点。本论文主要 从电池结构设计、器件制备以及可靠性三个方面对聚光多结化合物半导体太阳能电 池开展研究，具体研究内容如下： （1）开展聚光多结化合物半导体太阳能电池的理论研究和结构设计。首先将聚 光 Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge 三结太阳能电池分成三个子电池，分别研究 pn 结掺杂浓度、 界面特性、载流子迁移率等参数对各子电池性能的影响，其次设计并优化各子电池 结构，其中考虑到高倍聚光测试要求，着重优化了 GaInP 顶电池发射层结构。最后 完成子电池间电流匹配的优化设计， 从而获得了高性能的聚光 Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge 三 结太阳能电池，1000 倍聚光测试下具有 38.1%的转换效率。 （2）对聚光 GaInP/InGaAs/Ge 三结太阳能电池关键工艺技术进行研究。首先运 用金属有机化学气相沉积（MOCVD）外延生长技术，不断摸索外延生长工艺，克服 外延反相畴、晶格匹配以及 GaInP 有序化等外延问题，进而生长完成高质量、高转 换效率的单结子电池；优化高掺杂超薄外延层的生长条件，获得了峰值隧穿电流密 度达 150A/cm2的高性能 GaAs 隧穿结；完成高质量、低表面缺陷的三结太阳能电池 的外延生长。 其次优化设计电极占空比， 获得优化的电极图形； 设计并制备 Al2O3/TiO2 双层减反膜结构，使得电池短路电流提升 33.3%。最后成功制备高效聚光 GaInP/InGaAs/Ge 三结太阳能电池， 在 1000 倍聚光条件下实现了 39.2%的转换效率。 （3） 开展聚光多结化合物半导体太阳能电池的可靠性研究。 首先运用三维 （3-D） 等效电路模型分别考察了光照和外接恒流源情况下电池表面缺陷的缺陷行为，发现 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 II 对具有表面缺陷的三结电池进行作用，使用外接恒流源的方式将比直接光照的方式 使电池衰退的更快。其次依据 IEC62108 检验标准，对表面良好和表面缺陷样品进行 快速老化实验研究，老化测试结果表明，表面良好和表面缺陷样品性能衰退均在 8% 以内，完全满足 IEC62108 检验标准要求。 （4）开展新型 III-V 族化合物半导体太阳能电池的理论研究工作。首先，研究 了应力补偿多量子阱 GaAs 太阳能电池在不同组分多量子阱 In1-xGaxAs/GaAsyP1-y结 构下的电池性能，与标准 GaAs 电池对比发现，应力补偿多量子阱 GaAs 电池具有较 高的短路电流，但是开路电压和填充因子相对较低，电池效率低于标准 GaAs 电池。 另外，提出了新型应力补偿多量子阱 AlGaAs/GaAs 电池结构设计，模拟结果显示新 型电池结构具有比标准电池更高的短路电流和开路电压，但是填充因子较应力补偿 多量子阱 GaAs 电池和标准电池低。其次，针对无定形 GaInP/InGaAs/Ge 三结电池的 特殊结构，研究电池在不同位错密度下的性能变化，发现当位错密度大于 106/cm2时 电池转换效率明显降低。同时获得不同聚光倍数下电池的性能参数，300 倍聚光下电 池指出了最高的转换效率。最后，开展新型 InGaN 太阳能电池的理论研究，优化设 计 n-on-p 型 InGaN 电池结构，获得了 20.8%的较高转换效率，同时讨论位错密度对 InGaN 电池性能的影响，发现相比于 GaAs 太阳能电池，InGaN 太阳能电池具有更好 的稳定性和耐久性。 关键词：关键词：高倍聚光 化合物半导体太阳能电池 结构设计 外延生长 减反膜 可靠性 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 III Abstract Since the global energy crisis and environmental pollution are increasingly serious, it is vital for the sustainable development of human society to explore renewable energy. Recently, photovoltaic technology has attracted increasing attention, which can convert sunlight into electricity. Concentrator photovoltaic with its special advantages, such as higher efficiency and lower cost, has been recognized to be the most promising power generation technology for terrestrial application. Concentrator multijunction solar cell is the key of concentrator photovoltaic, and has the highest photoelectric conversion efficiency, good temperature characteristic, superior radiation-resistant property, and long lasting lifetime span, and so on. This work is mainly divided into three parts, cell design, device fabrication and reliability study for the III-V compound semiconductor concentrator multi-junction solar cells, and the main achievements are summarized as follows: 1. The theoretical study on concentrator GaInP/GaAs/Ge triple-junction solar cell was carried out. Firstly, by changing the doping concentration of p- and n-layer, interface recombination and carrier mobility, and so on, the characteristics of three subcells from concentrator GaInP/GaAs/Ge triple-junction solar cell, GaInP top cell, GaAs middle cell and Ge bottom cell, were investigated. Secondly, in order to achieve high efficiency under high concentration, the subcell structures, especially emitter structure of GaInP top cell, were designed and optimized. Finally, by complying with current matching of subcells, high-efficient concentrator Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge triple-junction solar cell was obtained with efficiency of 38.1% at 1000 suns. 2. The key techniques of growing concentrator GaInP/InGaAs/Ge triple-junction solar cell were studied. By exploring the MOCVD growth process, we solve the problems for expitial growth, such as anti-phase domains, lattice-matching, and ordering in GaInP semiconductor, and achieve the epitaxial growth of high-quality and high-efficient single-junction subcells, Ga0.51In0.49P top subcell, In0.01Ga0.99As middle subcell and Ge bottom subcell. By optimizing the growth condition for high-doping and ultrathin epitaxial layer, high-performance GaAs tunneling junction with peak tunneling current density of 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 IV 150A/cm2 was obtained. And epitaxial growth of high quality triple-junction solar cell with lower surface defect was achieved. Then, investigating into the influence of the ratio of electrode width and space on characteristics of multijunction solar cells, the optimal electrode pattern was obtained. By designing and optimizing antireflection film structure, the optimal Al2O3/TiO2 dual-layer film shown superior performance, enhancing short-circuit current of solar cell by 33.3%. Finally, the high-performance GaInP/InGaAs/Ge triple-junction solar cell was obtained with efficiency of 39.2% at 1000 suns. 3. Reliability of concentrator multi-junction solar cell was studied. First, by 3-D equivalent circuit model, the characteristics of surface defect of multi-junction solar cells were studied under illumination and external constant current source, respectively, and it was found that the power degradation of multijunction solar cell with surface defect is greater under external constant current source than that under illumination. Then, according to IEC 62108 standard the accelerated aging tests of cell samples with good surface and defective surface were carried out, and the aging results showed that the performance degradation of all samples was within 8%, meeting the requirement of IEC 62108 standard. 4. The theoretical study on the novel III-V compound semiconductor solar cells was carried out. Firstly, the characteristics of strain-compensated multi-quantum well GaAs solar cells with different molar fraction In1-xGaxAs/GaAsyP1-y multi-quantum wells were simulated, and in contrast with GaAs control sample, strain-compensated multi-quantum well GaAs solar cells showed higher short-circuit current, but lower open-circuit voltage, fill factor, and efficiency. In addition, the novel strain-compensated multi-quantum well AlGaAs/GaAs solar cell was studied, and shown higher short-circuit current and open-circuit voltage, but the lowest fill factor. Secondly, considering the special structure of metamorphic GaInP/InGaAs/Ge triple-junction solar cell, the influence of dislocation density on performance parameters of solar cell was studied, and it was found that solar cell efficiency shows visual degradation with more than 106/cm2 of dislocation density. In addition, investigating into efficiency dependence of metamorphic GaInP/InGaAs/Ge triple-junction solar cell on sun concentration, the highest efficiency was obtained at 300 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 V suns. Finally, the theoretical study on the novel InGaN solar cell was carried out, and the higher efficiency of 20.8% was obtained by using n-on-p device structure. By investigating into the influence of dislocation density on the characteristics, the greater stability and durability of InGaN solar cell was shown compared with GaAs solar cell. Keywords: High concentrator Compound semiconductor solar cell Design Epitaxial growth Anti-reflection coating Reliability 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 VII 目目 录录 摘摘 要要 . I Abstract III 1 绪绪 论论 1.1 光伏技术应对全球能源危机 . (1) 1.2 光伏技术的发展概况及趋势 . (3) 1.3 III-V 族化合物半导体太阳能电池研究进展 (6) 1.4 本文内容概述 . (9) 2 化合物半导体太阳能电池基本理论化合物半导体太阳能电池基本理论 2.1 半导体 pn 结的光生伏特效应 . (11) 2.2 太阳能电池的特征参数 . (12) 2.3 化合物半导体太阳能电池基本结构 . (16) 2.4 化合物半导体多结太阳能电池工作原理 . (18) 3 聚光多结太阳能电池的结构设计和优化聚光多结太阳能电池的结构设计和优化 3.1 聚光多结太阳能电池的结构参数与理论模型 . (22) 3.2 聚光多结太阳能电池各子电池的结构设计和优化 . (25) 3.3 聚光多结太阳能电池整体结构的设计和优化 . (36) 3.4 本章小结 . (38) 4 聚光聚光 GaInP/InGaAs/Ge 三结太阳能电池关键工艺技术研究三结太阳能电池关键工艺技术研究 4.1 多结太阳能电池外延生长与器件表征技术简介 . (39) 4.2 单结 Ge 底电池外延生长与表征. (45) 4.3 具有高隧穿电流密度隧穿结的外延生长与表征 . (50) 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 VIII 4.4 单结 InGaP 顶电池的外延生长与表征 . (51) 4.5 聚光 GaInP/InGaAs/Ge 三结太阳能电池的外延生长与表征 . (55) 4.6 聚光 GaInP/InGaAs/Ge 三结太阳能电池电极图形的设计与优化 . (58) 4.7 聚光 GaInP/InGaAs/Ge 三结太阳能电池减反膜研究 . (61) 4.8 聚光 GaInP/InGaAs/Ge 三结太阳能电池性能表征 . (64) 4.9 本章小结 . (65) 5 聚光多结太阳能电池可靠性研究聚光多结太阳能电池可靠性研究 5.1 聚光多结太阳能电池检验标准 . (66) 5.2 聚光多结太阳能电池外延缺陷研究 . (67) 5.3 聚光多结太阳能电池可靠性试验研究 . (75) 5.4 本章小结 . (79) 6 新型新型 III-V 族化合物半导体太阳能电池的族化合物半导体太阳能电池的探索性探索性研究研究 6.1 应力补偿多量子阱 GaAs 太阳能电池的理论研究 (82) 6.2 无定形 GaInP/InGaAs/Ge 三结太阳能电池的理论模拟 . (90) 6.3 新型 InGaN 太阳能电池的理论研究和结构设计 (96) 6.4 本章小结 . (104) 7 总结与展望总结与展望 . (105) 致致 谢谢 (108) 参考文献参考文献 (109) 附录附录 1 攻读博士学位期间攻读博士学位期间已已发表发表或或完成完成的论文的论文 (119) 附录附录 2 攻读博士学位期间攻读博士学位期间已已授权授权或公开或公开的专利的专利 (120) 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 1 1 绪绪 论论 1.1 光伏技术应对全球能源危机光伏技术应对全球能源危机 自 18 世纪第一次工业革命以来，煤炭、石油成为了人类赖以生存的能量来源。 随着人类日益增长的物资需求和工业化生产的不断发展进步，煤炭、石油的消耗日 益严重，能源危机不断恶化。到 2001 年末，世界石油剩余可开采总量约为 1.43 1011 吨， 中国石油剩余可开采总量约为3.3 109吨， 其余大部分石油则分布在沙特阿拉伯、 伊拉克等中东地区，而世界煤炭可开采总量约为 9.84 1011吨，主要分布在亚太、北 美等地区，欧洲存储量约占总存储量的 12.7%，中国的煤炭剩余可开采量占世界的 11.6%，仅次于美国和俄罗斯。据统计，2001 年一年内世界石油消耗总量为 3.51 109 吨，煤炭消耗总量为 2.26 109吨，据此计算，目前世界常规化石能源中石油的储量 最多将只能够维持人类半个世纪的生存需求，而煤炭则最多可维持四个世纪1。对于 不可再生的天然气能源，其形势也不容乐观。中国作为世界上最大的发展中国家， 创造了经济快速发展的神话， 同时能源消耗也有明显增加。 从1998年改革开放以来， 中国的能源消耗开始上升，而自 1993 年起，中国则由能源净出口国变成净进口国， 能源总消费量已大于自身总供给量，能源需求的对外依存度迅速增大。2008 年中国 能源消耗量位居世界第二，仅次于美国，其中石油消耗量 3.76 108吨，比 2007 年增 加 3.6%，煤炭消耗 1.41 109吨，比 2007 年上升 7.1%。中国拥有世界排名第二的煤 炭存储量， 石油储量列入世界前十， 但是天然气储量甚少。 作为世界第二储煤大国， 中国的能源消费主要以煤炭为主，石油消费位次，这反应了中国能源结构也存在着 不合理性。 另一方面，燃烧化石能源同时带来了严重的环境污染和生态破坏。由于大量的 工业废气、汽车尾气等，目前世界每年将向大气中排放几百亿吨 CO2、SO2和粉尘等 有害物质。CO2的大量排放促使温室效应的形成，导致目前气候反常、全球变暖， 海平面上升，大量冰川被融化。2005 年世界冰川的平均厚度减少了 0.5 米，而 2006 年则变成 1.6 米，格陵兰岛的冰盖每年将有约 220 立方公里的冰融入海洋，喜马拉雅 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 2 山每年有 40 亿吨的冰川被融化。据预测，到下个世纪中期地球表层温度将上升 1.54.5 度，南北极部分冰雪将被融化，世界海平面将上升 25100 厘米，严重危害人 类的生命和财产安全。 SO2的大量排放导致了酸雨的形成。 酸雨是 SO2与大气中氮氧 化合物溶解在雨水中，从而形成的 pH 较低的雨水。它具有多方面的危害性，可以使 土壤、水泊水质酸化，严重影响水生物和农作物的生长，造成作物大面积减产，森 林日益萎缩， 水族生态恶化。 目前在世界范围已经形成了三大酸雨区， 北美酸雨区、 北欧酸雨区和中国的西南酸雨区， 造成难以预估的经济损失。 中国是一个产煤大国， 也是一个主要依赖煤炭提供能源的国家，然而煤炭利用率相对较低，造成严重的环 境污染。大量的煤炭消耗使中国的 SO2和 CO2排放量分别位居世界第一和第二位。 通过对中国23个省市测试表明， 21个省市均发现酸雨， 长江以南地区酸雨更为严重。 大量的酸雨造成中国每年260多万公顷的农田被污染， 大量河流湖泊水质严重下降， 每年直接经济损失上百亿元。另外，严重的大气污染和生态破坏已对人类生命安全 造成挑战。据报道，由于大气污染造成的癌病和呼吸道疾病受灾人群正逐年增加。 目前，常规能源消耗造成了世界范围内的环境污染、气候变暖、土地和森林日 益萎缩，并严重影响着人类的生命安全，已被世界公认。日益枯竭的化石能源储量 也对人类的持续发展带来严重挑战，世界范围的能源危机表现日益加重。发展新型 可再生清洁能源部分取代传统能源来缓解世界能源危机，进一步改善生存生态环境， 成为各国相关研究人员研究的焦点。目前可再生能源主要包括：太阳能、风能、地 热能、潮汐能、生物质转化能、氢能等。其中太阳能是以太阳发出的光作为能量来 源的，它将是目前最有前途的可再生能量来源之一，是最绿色环保、最长久可靠的 新型能源，将在未来世界发展中占有重要地位。 一直以来，太阳每时每刻都向地球发射出 1.9 1014 KW 的太阳能，途经大气层 反射和大气吸收两道屏障后，最终将有 47%的太阳能到达地球表面，通过计算，每 秒钟太阳向地球输送的能量将相当于消耗 500 万吨煤所供给的能量。从世界地区经 纬分布来看，处于赤道附近的北非、中东地区、美国、墨西哥、欧洲南部、澳大利 亚以及中国西部等地区具有较强的太阳能辐射和最佳的日照时间。位于北非的埃及 每年太阳辐射总量 10080MJ/m2，阿尔及利亚太阳能年辐射总量 9720MJ/m2，其它太 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 3 阳能年辐射总量大于 8280MJ/m2的还有摩洛哥、利比亚等国家和地区。澳大利亚的 太阳能可利用资源也很丰富，其北部地区大约一半的面积太阳年辐射总量大于 8000MJ/m2， 全国 80%的地区每年太阳能辐射量均在 6500MJ/m2以上。 中国也是一个 太阳能资源非常丰富的国家， 广大中西部地区平均太阳辐射总量在 6000MJ/m2以上， 相当于日辐射量 5KWh/m2。此外，西藏西部地区是中国太阳能资源最丰富的地区， 太阳能辐射量为 2333 KWh/m2，位居世界第二位，仅次于撒哈拉沙漠。 利用太阳能发电为人类生产生活提供清洁能源，已经成为人类普遍关注的热点。 它主要包括两种发电方式，太阳能热发电和光伏发电。太阳能热发电技术是通过利 用大型的抛物或碟形镜面对太阳光进行聚焦从而收集太阳热能，通过换热装置提供 蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的。它分为槽式，塔式，碟 式三种热发电系统，从年净效率来看，碟式发电效率最高，为 12%25%，槽式系统 效率最低，为 11%16%。据计算，由于建筑热存贮技术的大量花费，这种发电方式 其发电成本一般在 1.312.6 美元每瓦之间。相比之下，光伏发电技术是通过太阳能 电池芯片接受太阳光，通过电子空穴对的分离从而实现光电转换，具有较高的发电 效率。例如，目前通过聚光方式发电的聚光光伏（CPV）发电具有 40%左右的发电 效率，系统效率 28%以上。然而，光伏发电方式也具有很高的发电成本，目前多晶 硅电池的发电成本是常规能源发电价格的三倍以上，但是随着技术水平的不断进步 和相关辅助产业的不断完善，光伏发电成本将逐步降低。据统计，2006 年世界光伏 发电装机容量已达到 1744MW，比 2005 年同期增长了 19%。在北美、欧洲地区光伏 太阳能发电市场应用前景十分广阔，仅屋顶应用就超过 50 万兆瓦，加上地面应用之 后的总容量甚至要超过百万兆瓦。自 20 世纪 80 年代开始，我国光伏产业才开始起 步， 到 2007 年则以具备了年产 1000MW 的光伏电池生产能力， 光伏发电成本也随之 不断下降。据 SEMI 预测，到 2016 年中国太阳能辐射一般的地区也将实现一元一度 电的价格2。 1.2 光伏技术的发展概况及趋势光伏技术的发展概况及趋势 太阳以光能的形式每年向地球输送数以亿计的能量，使用太阳能电池芯片接受 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 4 太阳光能，然后通过芯片自身的光伏效应直接将光能转换为电能，这种技术被称为 光伏技术。大多数太阳能电池都是基于半导体材料制得的，其工作原理主要是基于 pn 结的光伏效应，即电池材料吸收太阳光将产生电子空穴对，然后由 pn 结处的内建 电场将其分离，并通过电极将电子引出，形成电流，从而实现光电转换。太阳能电 池的光电转换效率主要由电池材料的光、电性质决定，如半导体带隙、少数载流子 寿命和迁移率、半导体光吸收系数等，因此根据电池材料不同，目前太阳能电池可 以分为晶硅（Si）太阳能电池、铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池、III-V 族半导体 太阳能电池和染料敏化太阳能电池（DSSC）等。在短短数十年的发展过程里，为人 类实现光伏发电应用的电池芯片已经发展了几代产品。 晶硅太阳能电池是光伏领域的第一代应用产品，从 1960 年起美国空间卫星上就 已开始了这类产品的应用， 目前已经成为商业化规模最大、 应用最广的太阳能电池。 晶硅太阳能电池最早以单晶硅太阳能电池为主，后续发展了多晶硅太阳能电池。单 晶硅太阳能电池在硅电池中转换效率最高， 实验室水平为 24.7%， 最新报道的工业生 产水平为 18.8%，是由无锡尚德公司完成。单晶硅电池是以单晶硅为主要原料的，一 般制造单晶硅的方法为用西门子法获得高纯度的多晶硅原料，再通过直拉法和悬浮 区熔法制造单晶硅片。由于单晶硅材料对太阳光吸收效率较低，通常单晶硅电池需 要厚度在 350450 微米的高质量的硅片才能有效吸收太阳能，这就导致电池芯片的 价格一直居高不下，难以进行地面推广应用，为此人们探索了许多提高电池效率， 降低电池发电成本的方法和途径，如改进电池制备工艺，改进电池结构（如表面织 构、双层减反膜、发射极钝化等3） 。对太阳能电池来说，生产成本低廉，而且转换 效率较高的产品是理想的，但是通常情况下两者很难兼得。多晶硅电池相对是一种 折中的电池产品，其最终发电成本较单晶硅低一些。相比于单晶硅电池，多晶硅材 料价格较为低廉，但是由于晶体质量较差，故其转换效率相对于单晶硅电池较低， 目前实验室最高转换效率为 20.4%，大规模工业化转换效率为 16%左右。2010 年无 锡尚德公司推出了其新技术冥王星， 使其下多晶硅电池工业化转换效率达到 17.2%。 表 1-1 列出了国内外部分晶硅太阳能电池研究机构的电池结构及转换效率。据统计， 2011 年中国多晶硅发电成本已降至 1.5 元/瓦左右。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 5 表表 1-1 国内外部分晶硅太阳能电池研究机构的电池结构及转换效率国内外部分晶硅太阳能电池研究机构的电池结构及转换效率 电池种类电池种类 研究机构研究机构 转换效率转换效率 电池结构电池结构 单晶硅电池 Fraunhofer 研究所 23.4% n 型半导体底板、发射极和背面钝化 新南威尔士大学 24.7% 钝化发射极、背面局域化 北京太阳能研究所 19.8% 倒金字塔、发射区钝化 多晶硅电池 新南威尔士大学 19.8% 背面局域化 日本京瓷公司 17.7% RIE 技术 美国 NREL 20.4% - 为了进一步降低成本，推动光伏技术的地面应用，人们又开发出了非晶硅太阳 能电池，它的原材料是通过化学方法沉积到较为廉价的基板上，故生产成本较低。 另外，与单晶硅材料相比，非晶硅薄膜材料具有更高的吸收系数，几乎是单晶硅吸 收系数的 10 倍以上。一层约 1 微米的非晶硅就可以吸收大约 80%的可见光，大大降 低了电池对原材料的使用量，大幅度降低了生产成本。非晶硅电池厚度很薄，故被 称为薄膜太阳能电池。制备非晶硅电池一般使用辉光放电、等离子增强化学气相沉 积（PECVD） 、低压化学气相沉积（LPCVD）等方法，在玻璃基板上使用不同的方 法可以制备出单结或者多结非晶硅薄膜电池。由于非晶硅电池 pn 结界面处载流子复 合效率很高，对电池性能将产生极坏的影响，故非晶硅电池一般均使用 p-i-n 结构， 目前此类单结薄膜电池的转换效率仍在 10%以下，叠层多结串联的非晶硅电池转换 效率可以略大于 10%。 薄膜太阳能电池被称为第二代太阳能电池， 除非晶硅电池外， 还包括 CdTe、CIGS、和铜铟硒（CIS）半导体太阳能电池等。薄膜电池所使用的材 料大多都是具有直接带隙的半导体，它们通常具有较高的光吸收效率，其中 CdTe、 CIS 和 CIGS 材料的吸收系数高达 105/cm。 几微米的这类薄膜材料可将绝大部分的太 阳能转化为电能，大大降低了电池生产对材料的消耗，因此也成为了人们用来替代 高成本晶硅电池的可选产品。CIS 薄膜电池的主要原材料为 CuInSe2，它具有 1.1eV 的禁带宽度，可以吸收较宽波段的太阳光。一般制备此薄膜的方法有真空蒸镀法、 硒化法，制备的薄膜性能稳定，成本较低，但是 CIS 电池成品率较低，成为制约其 推广应用的关键因素。目前，CIS 电池的转换效率为 15%左右4。为了提高 CIS 薄膜 电池的转换效率，人们在 CuInSe2材料里掺入了一定摩尔组分的 Ga 原子，使其带隙 提高到 1.5eV，而吸收系数并无明显改变。理论和实验证实使用 CuInGaSe2材料制备 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 6 的 CIGS 薄膜电池具有更高的转换效率。 美国 NREL 研制的 CIGS 薄膜太阳能电池具 有 19.5%的转换效率。瑞典 Q-Cells 智能科技将 CuInGaSe2材料运用在镀钼玻璃基板 上， 推出了转换效率为 14.7%的电池产品。 另一种薄膜电池是 CdTe 薄膜太阳能电池。 它具有 1.46eV 的带隙，可产生较高的开路电压，也具有很高的光吸收系数 105/cm， 1 微米的薄膜即可有效吸收太阳光，因此是一种十分理想的电池材料，目前的制备方 法有丝网印刷烧结法、真空蒸发法、电镀沉积法等。用 ZnTe/ZnTe:Cu 作复合层，Au 作背电极，实验室制备的小面积 CdTe 电池具有 13.38%的效率，而采用异质结结构 p-CdTe/CdS 电池显示了 14.6%的转换效率，目前商业化 CdTe 电池平均效率为 10% 左右。 染料敏化太阳能电池是一种新型的低成本电池，最早由瑞士洛桑理工大学 Gratzel 教授在 1991 年制备得到。它的发电原理与其它电池通过 pn 结实现电荷分离 不同，这类电池由多孔半导体纳米颗粒做电极，周围分布着液态或固态染料作为光 吸收层，通过纳米电极实现电荷分离，从而实现电子输出的目的。DSSC 电池具有透 明性好、制备工艺简单、原料便宜等优点，是一种成本极为低廉的产品，现已成为 欧美许多研究机构、企业的研究热点。为了有效提高 DSSC 电池的光电效率，一方 面人们寻找了多种染料敏化剂， 以提高太阳光的吸收效率， 目前最常用、 效率最高、 稳定性最好的是无机金属配合物染料，另一方面，制备各种纳米多孔半导体电极， 降低电极缺陷对效率影响，如复合半导体薄膜、ZnO 电极等。使用液态染料制备的 DSSC 电池转换效率最高，2004 年已达到 11.04%，但是液态染料受环境影响较大， 稳定性较差。固态 DSSC 电池稳定性较好，使用寿命相对较长，但是其最高转换效 率却只有 3%左右，难以进行实用化。此外，作为新一代太阳能电池，纳米电池、有 机太阳能电池、塑料电池也相继被提出，但都处于起步阶段，未能进行商业化。 1.3 III-V 族化合物半导体太阳能电池研究进展族化合物半导体太阳能电池研究进展 作为第二代半导体材料 GaAs 具有抗辐射性能高、温度特性好、耐高温等特点， 基于这类半导体所做的 GaAs 基太阳能电池较晶硅电池、 薄膜电池等具有更高的转换 效率，更长的使用寿命、更高的温度特性和抗辐射性能。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 7 作为新一代太空总电源，GaAs 基太阳能电池已于 20 世纪 80 年代被用于卫星等 太空飞行器上。1956 年单结 GaAs 电池的研究已经开始，当时使用扩散的方法制备 出的电池转换效率仅有 6.5%，究其原因是因为 GaAs 电池材料生长技术较差，电池 载流子复合严重。 随着液相外延 （LPE） 以及 MOCVD 等外延生长技术的不断进步， 并将此类技术用于 GaAs 电池结构外延生长中，电池效率才开始有所提高。20 世纪 80 年代，使用 LPE 设备生长的 GaAs 单结电池最高效率达到 21%，量产效率 17%。 1968 年 MOCVD 生长技术被提出，到 80 年代中后期，这项技术用于在 Ge 衬底上生 长 GaAs 电池中，获得的电池平均效率已达到 19.5%，另外，由于 Ge 材料具有更好 的机械强度，故以 Ge 为衬底可以改善 GaAs 衬底脆弱难以制备大面积电池的难题， 随后 GaAs/Ge 单结电池被广泛应用于航天工程上5。相比于 LPE 技术，MOCVD 技 术具有不可比拟的优势， 这使得后来 GaAs 及其相关材料太阳能电池外延生长均采用 此技术，MOCVD 生长技术在工业上得到广泛应用。 为了获得高效、低发电成本的太阳能发电技术，人们经过长期的理论和实验研 究发明了太阳能电池的新一代产品多结级联太阳能电池6。 一般太阳能电池都是 由单一材料作为活性层制备而成，单一材料只能吸收特定波段范围的太阳光，故电 池转换效率较为有限。理论计算表明具有 1.4eV 的半导体材料为最佳的单结电池材 料，伴随着高的晶体质量和优化结构可以实现接近 30%的电池转换效率。为了能够 吸收更宽波段的太阳光，多结级联太阳能电池设计思想被提出。使用具有不同带隙 的半导体材料做成子电池，然后使其按带隙宽度由大到小从上而下叠层起来，可以 选择性地吸收不同波段的光，带隙较宽的半导体材料子电池用来吸收短波段的光， 带隙较窄的材料用来吸收较长波段的光，从而将尽可能宽波段的太阳光为电池进行 吸收，这样就可以大幅度的提高电池单元的光电转换效率。理论计算结果表明，随 着级联结数的不断增加，在 AM0 太阳光谱辐射下三结电池的转换效率极限为 38%， 四结电池的极限效率为 41%7。另外，使用聚光的方式，我们可以进一步获得更高的 电池转换效率，同时降低发电成本。化合物半导体多结级联电池主要是由 III-V 族 GaAs 及其相关半导体材料组成的，具有最高的转换效率，并在过去 30 年间，已经 发 展 了 双 结 、 三 结 和 四 结 GaAs 级 联 太 阳 能 电 池 ， 目 前 应 用 最 广 的 为 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 8 GaInP/(In)GaAs/Ge 三结电池。表 1-2 列出了不同多结级联太阳能电池转换效率。 表表 1-2 不同多结级联太阳能电池转换效率不同多结级联太阳能电池转换效率 时间时间 研究机构研究机构 电池结构电池结构 转换效率转换效率 1989 Boeing GaAs/GaSb 机械叠加双结电池 32.6% (100suns) 1990 NREL InP/InGaAs 双结电池 31.8% (50suns) 1993 Spectrolab GaInP/InGaAs/Ge 三结电池 23.3% (1sun) 1994 NREL GaInP/GaAs 双结电池 30.2% (160suns) 1998 Fraunhofer GaAs/GaSb 机械叠加双结电池 31.1% (1sun) 2001 Fraunhofer GaInP/InGaAs 双结电池 31.3% (300suns) 2003 Sharp GaInP/InGaAs/Ge 双结电池 36% (500suns) 2005 Spectrolab GaInP/InGaAs/Ge 三结电池 39% (236suns) 2007 Spectrolab GaInP/InGaAs/Ge 三结电池 40.7% (240suns) 2008 NREL GaInP/GaAs/InGaAs 三结电池 40.8% (326suns) 2009 Spectrolab GaInP/InGaAs/Ge 三结电池 41.6% (364suns) 2009 Fraunhofer GaInP/InGaAs/Ge 三结电池 41.1% (454suns) 2011 Solar Junction GaInP/InGaAs/In