III-V族化合物半导体整体多结级连太阳电池-光伏技术的新突破-续-.doc

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 族化合物半导体整体多结级连太阳电池 光伏技术的新突破（续） 陈文浚 三 结 电 池 的 效 率 水 平 从 未 超 过 晶 格 完 全 匹 配 ， 即 组 分 约 为 时 的 最 高 实 践 记 录 。事 实 上 ， 当 组 分 为 ， 即 理 论 上 效 率 应 为 最 高 时 ， 迄 今 为 止 实 际 所 达 到 的 三 结 电 池 效 率 要 更 低 得 多 。 上 述 晶 格 失 配 的 三 结 电 池 的 性 能 难 以 提 高 ， 是 因 为 对 电 池 转 换 效 率 贡 献 最 大 的 两 级 顶电池的晶体质量仍难免或多或少地受到失配缺陷的影响。 最 近 有 人 提 出 了 一 个 很 有 希 望 的 新 方 案 ， 即 以 为 衬 底 ， 先 反 次 序 生 长 晶 格 匹 配 的 顶 电 池 和 中 间 电 池 。 带 然 后 ， 在 组 分 过 渡 层 后 ， 生 长 组 分 为 、 隙 宽 度 为 、 格 失 配 的 ， 代 替 作 为 第 三 级 底 电 晶 作者近照 池 。 在 制 作 器 件 时 ， 将 电 池 外 延 层 从 衬 底 上 剥 离 下 基于 的空间用多结级连太阳电池进 一步的研究课题 用晶格失配的材料系统实现与太阳光谱更好的 匹配 前 面 已 提 到 ， 与 晶 格 匹 配 的 （） 三 结 电池材料系统无论对于空间还是地面阳光， 都不是最理想的 选择。图 给出了三级子单纯的外量子效率光谱响应及 来 形 成 薄 膜 结 构 。 的 底 电 池 可 比 更 有 效 地 利 用 太 阳 的红外光谱。而更重要的是， 在这种晶格失 配 的 三 结 电 池 中 ， 晶 格 失 配 缺 陷 将 只 影 响 到 底 电 池 ， 而 底 电 池 对 电 池 效 转 换 率 的 贡 献 相 对 两 级 顶 电池来说要小得多。 阳 光 下 光 生 电 流 密 度 按 单 位 光 子 能 量 绘 制 的 光 由 谱 分 布 曲 线 。 于 在 （） 的 吸 收 限 （ 约 ） 以 外 ， 太 阳 光 谱 中 仍 有 相 当 丰 富 的 红 外 光 可 以 被 底 电 池 所 利 用 ， 使 其 短 路 电 流 密 度 远 远 高 于 电 流 匹 配 的 两 级 顶电池。 了更有效地把太阳光能转变为电能， 可以通过改变 为 组 分 比 ， 调 低 两 级 顶 电 池 的 带 隙 宽 度 。 当 中 间 电 池 带 隙 宽 度 为 左 右 ， 而 顶 电 池 与 其 晶 格 匹 配 且 族 亚 晶 格 完 全 无 序 时 ， （） 三 结 电 池 的 理 论 效 率 最 高 ， 。 但 此 时 ， 图 具有宽带隙顶电池的 三结电 度按单位光子能量绘制的光谱分布 池的外量子效率光谱响应及 阳光下光生电流密 两 级 顶 电 池 已 与 衬 底 严 重 晶 格 失 配 ， 失 配 率 接 近 。 于 是 ， （） 三 结 电 池 的 研 究 者 们 ， 在 沿 着 材 料 选择晶格匹配优先的途径走了很远以后又发现， 或许应该再 回过头来考虑另一条途径的优点， 即通过努力实现晶格失配 材料的外延生长来获得材料带隙宽度选择的更大自由度。这 一技术途径的关键在于如何减小因晶 格失配引起的线缺陷对电池性能的影 响 。 采 用 逐 步 改 变 组 分 的 缓冲层有可能较好地把晶格失配缺陷 限制在初始外延层内， 而不延伸进 三级以上的多结整体级连电池 如 上 所 述 ， 现 行 三 结 电 池 结 构 不 能 充 分 利 用 太 阳 中 以 外 的 红 外 部 分 。人 们 早 就 希 望 能 在 和 之 间 再 加 入 另 一 级 带 隙 宽 度 为 左 右 的 子 电 池 ， 作者简介： 陈文浚 （ ）， 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。 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 年起享受政府特殊津贴， 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， 领导组建了国内第一条 砷 化 镓 太 阳 电 池 金 属 有 机 物 气 相 外 延（ ） 生 产 线 ， 专 门 从 事 基 于 砷 化 镓 的 单结与多结电池研究与生产。第六届全国 学术会议以后， 为历届此会议组 织委员会委员。 两 级 顶 电 池 。 但 是 ， 尽 管 对 于 组 分 为 至 的 中 间 电 池 的 设 计 已 获 得 了 相 当不错的结果， 但晶格失 配的 评 论 构 成 四 结 级 连 电 池 。 由 于 掺 入 极 少 量 的 就 可 以 大 大 改 变 高能粒子辐照的能力将优于三结电池， 从而有可能在实现与 三 结 电 池 相 近 的 （ 寿 命 初 期 ） 效 率 时 ， 在 空 间 应 用 中 获 得 更 高 的 （ 寿 命 终 期 ） 性 能 ， 。 的 带 隙 宽 度 ， 与 晶 格 匹 配 、 的 新 材 料 在 几 年 前 吸 引 了 广 泛 的 关 注 。但 是 ， 一 定 程 度 上 受 到 源 材 料 的 限 制 ， 新 材 料 的 研 究 并 未 取 得 重 大 进 展 ， 其 极 短 的 少 子 扩 散 长 度 使 作 为 第 三 级 的 子 电 池 电 流 密度远低于预期的水平 超薄型和薄膜多结电池 质 量 对 于 空 间 能 源 系 统 是 一 个 很 重 要 的 因 素 。 和 。这使人们不得不暂时越过 ， 的 密 度 比 大 一 倍 多 ， 对 降 低 单 体 电 池 的 质 量 很 不 利 。尽 管 用 机 械 强 度 高 的 取 代 后 ， 基 于 的 族 化 合 物 半 导 体 太 阳 电 池 的 衬 底 厚 度 已 从 最 初 的 减 薄 到 四 结 级 连 电 池 概 念 ， 把 注 意 力 更 多 六 地转向其它技术途径， 探索五结、 结级连电池的可行性 。 图 为 正 在 开 发 的 五 结 和 六 结 整 体 级 连 电 结 构 示 意 图 。由 于 太 阳 光 谱 被“ 平 分 ”为 与 各 级 子 电 池 带 隙 宽 度 相 应 的 更 多 的 区 域 （ 见 图 ） ， 当 各 级 子 电 池 电 流 匹 配 时 ， 电 池 的 短路电流密度将低于四结电池设计。 少对于六结电池设计， 至 ， 再 减 薄 到 ， 又 进 一 步 减 至 ， 人 们 仍希望能制备更薄的电池以实现更高的质量比功率。通过把 衬 底 减 薄 ， 德 国 的 和 美 国 的 都 宣 布 已 能 制 备 厚 度 至 的 ， 可 弯 曲 的 三 结 电 池 ， 尽 管 效 率 还 只 有 左 右 ，。 早 在 上 个 世 纪 年 代 ， 等 就 曾 成 功 地 把 太阳电池结构从其外延衬底上剥离下来， 制备成 薄 膜 电 池 。 基 于 的 多 结 电 池 实 现 了 迄 今 为 止 最 高 的 光 电 转 换 效 率 后， 研制 高效薄膜电池再次引起兴趣。 等 在 子 电 池 有 可 能 在 实 践 上 满 足 电 流 匹 配 的 要 求 。 洲 欧 国 家 避 开 ， 很 早 就 开 始 研 究 带 隙 宽 度 组 合 为 的 的 五 结 电 池 ， 并 进 行 了 辐 照 实 验 。 在 技 术 上 ， 五 结 和 六 结 多 结 整 体 级 连 电 池 所 面 临 的 挑 战 是 ： 研 制 带 隙 宽 度 高 于 的 高 性 能 第 一 级 顶 电 池 。 实 现 年 首 次 报 道 了 双 结 薄 膜 太 阳 电 池 的 研 究 结 果 并 在 年 的 第 十 五 届 （ 上 海 ） 上 展 示 了 原 型 样 品 。 图 为 其 结 构 示 意 图 和 用 塑 料 薄 膜 封 装 起 来 的 实 物 照 片。通过在电池背面引入重搀杂的隧穿结改善与与金属膜间 的欧姆接触， 电池样品的 效率已达到 。 更 理 想 的 宽 带 隙 隧 穿 结 ， 用 于 顶 层 子 电 池 间 的 互 连 。 提 高 晶 体 质 量 ， 突 破 其 对 整 体 电 池 的 电 流 限 制 。 在 笔 者 看来， 由于前两项的限制， 六级以上的多结整体级连电池在实 践上将很难获得理论上所预期的更高的转换效率。 图 五结和六结整体级连电结构示意图 图 双结薄膜太阳电池 由 于 背 面 金 属 膜 的 光 反 射 作 用 ， 双 结 薄 膜 电 池 的 底电池可以减薄厚度而不会过多影响其电流密度， 这将有助 由 于 改 进 电 池 的 抗 辐 照 性 能 ， 。 于 这 种 高 效 多 结 薄 膜 电 池 与 薄 膜 封 装 技 术 相 配 合 ， 将 有 可 能 实 现 至 的 空 图 用六结级连电结的子电池带隙宽度将太阳光谱分区 间 系 统 质 量 比 功 率 ， 等 厂 家 最 近 也 都 开 始 了 同 样 的 探 索 ， 。 但 无 论 如 何 ， 即 便 电 池 结 构 的 外 延 生 长 和 剥 离 并 不 成 为 问 题 ， 为 满 足 空 间 应 用 的 高 可 靠 性 要 求 ， 这 种 族单晶薄膜高效电池的器件加工工艺和电池间的互连技术等 将面临难度很大的挑战。 事 实 上， 尽 管 已 实 现 了 高 于 的 开 路 电 压 ， 迄 今 为 止 已演示的五结和六结整体级连电结的光电转换效率远远低于 现 行 （） 三 结 电 池 ， 效 率 仅 为 左 右 ， 。然 而 ， 由 于 各 级 子 电 池 具 有 更 薄 的 光 吸 收 区 ， 其 抗 空 间 评 论 多 结 电 池 在 高 倍 聚 光 系 统中的应用前景 空 间 多 结 电 池 的 成 功 发 展 也 为 地 面 应 用 的聚光太阳电池带来了新的希望。在高倍聚光太阳电池发电 两 个 百 分 点 。 这 给 早 期 的 工 作 造 成 了 混 乱 。 天 津 电 源 研 究 所 在 开 展 基 于 的 多 结 级 连 电 池 的 机 理和材料研究的同时， 逐渐健全了单结电池和整体三结级连 电池光谱响应的相关测试手段， 自制了双光源太阳模拟器并 引 进 了 美 国 的 三 结 电 池 伏 安 特 性 测 试 专 用 太 阳 模 拟 器 ， 为 三 结 电 池 研 制 提 供 了 保 证 。 在 通 过 双 结 电 池 研 究 对 多 结 电 池 的 结 构 和 机 理 获 得 基 本 认 识 后 ， 立 即 转 入 了 三 结 电 池 的 研 究 。沿 用 单 结 电 池 的 极 性 ， 首 先 在 型 结 构 研 究 中 取 得 突 破 ， 开 路 电 压 达 到 ， 比 国 外 同 类 电 池 的 研 究 结 果 高 至 （） 系 统 中 ， 太 阳 电 池 的 面 积 比 非 聚 光 系 统 要 小 几 百 倍 。 电池本身的成本所占的比例相对很小， 而电池的转换效率却 对 降 低 系 统 的 发 电 成 本 起 着 重 要 作 用 。 进 入 本 世 纪 后 ， 美 欧 国 ， 、 洲 和 日 本 几 乎 所 有 在 多 结 电 池 研 究 领 域 内 工 作的研究小组都先后开展了多结聚光电池的研究。在高倍聚 光 下 ， 电 池 效 率 很 快 突 破 了 美 国 能 源 部 提 出 的“ 三 分 之 一 个 太 阳 ”， 即 的 转 换 效 率 目 标 ， 并 随 着 空 间 电 池 的 进 步 升 到 ， 最 后 逼 近 。 等 原 有 的 聚 光 系 统 生 产 商 开 始 用 三 结 电 池 取 代 原 来 的 高 效 硅 聚 光 电 池 ， 而 和 等 从 一 开 始 就 积 极 投 入 了 多 结 高 效 聚 光 电 池 系 统 的 研 发 。 估 算 表 明 ， 应 用 多 结 电 池 的 聚 光 系 统 的 发 电 成 本 上 完 全 有 可 能 与 传 统 的 平 板 系 统 相 比 ， 在 纬 度 较 低 的 地 区 将 更 低 于 平 板 ， 。 后 ， 通 过 控 制 不 同 杂 质 向 衬 底 内 的 扩 散 实 现 了 电 随 池 极 性 的 反 转 ， 完 成 了 第 一 代 型 三 结 电 池 的 研 制 。 由 于 从 一 开 始 就 采 用 了 与 衬 底 完 全 晶 格 匹 配 的技术方案和应用宽带隙隧穿结， 批量生产的平均效率达到 以 上 ， 接 近 国 外 的 第 二 代 三 结 电 池 水 平。在过去的一年里， 通过改进顶电池发射区和窗口层设计， 显 著 地 提 高 了 电 池 的 短 波 响 应 。 同 时 ， 由 于 采 用 了 族 亚 晶 格 完 全 无 序 的 宽 带 隙 顶 电 池 ， 电 池 的 开 路 电 压 提 高 了 以 上 。 从 图 可 以 清 楚 地 看 到 这 两 项 改 进 对 。然而， 尽管开发商们宣称， 这 种新型的聚光发电系统将会在未来的几年内进入大型光伏发 温 电 站 市 场， 高 精 度 跟 踪 、 度 控 制 和 在 运 行 环 境 下 的 可 靠 性 等 问 题 的 真 正 解 决 并 被 市 场 认 可， 仍 有 待 时 日 ， 。 （） 顶 电 池 和 （） 中 间 电 池 光 谱 响 应 的 影 响 。 这 两项改进使电池性能迈上了一个新的台阶， 由此获得的第二 图 代 三 结 电 池 的 批 生 产 平 均 效 率 已 达 到 。 所 示 为 第 二 代 三 结 电 池 在 太 阳 模 拟 器 下 测 得 的 最 好 结 果 ， 效 率 达 到 。 天 津 电 源 研 究 所 第 二 代 三 结 电 池 的 开 路 电 压 （， ） 超 过 ， 最 高 达 到 ， 这 标 志 着 产 品 水平已可与国外第三代三结电池相比。 也标志着， 我国在基 这 于 的 多 结 级 连 电 池 技 术 领 域 已 跻 身 于 国 际 先 进 行 列 。 国内 族多结电池的发展现状 “ 十 五 ”期 间 ， 为 跟 踪 国 外 在 这 一 领 域 内 的 进 展 ， 天 津 电 源 研 究 所 、 安 光 机 所 和 厦 门 三 安 光 电 技 术 有 限 公 司（与 上 海 西 航 天 局 所 协 作 ） 等 单 位 利 用 已 建 立 起 来 的 技 术 手 段 ， 先 后 开 展 了 基 于 的 多 结 级 连 电 池 的 基 础 研 究 ， 并 很快在各项关键技术上取得进展。但是， 与单结电池相比， 多 结电池的研制要远远复杂得多。其测试评估技术本身就是一 个 难 度 很 大 的 研 究 课 题 ， 缺 少 必 要 的 测 试 手 段 就 无 法 指 导 研究工作向着正确的方向调整电池的结构。首先必须具备的 测试手段就是准确地测定整体多结电池各级子电池的光谱响 应 ， 标 定 各 级 子 电 池 的 短 路 电 流 密 度 ， 以 保 证 子 电 池 在 或 光 谱 下 的 电 流 匹 配 设 计 原 则 。对 于 三 结 电 池 ， 由 于 底 电 池 具 有 足 够 高 的 电 流 密 度 ， 光 谱 响 应 测 试 的 主 要 目 的 是 确 定 正 确 的 顶 电 池 的 厚 度 ， 以 实 现 与 （） 中 间 电 池 的 电 流 匹 配 。事 实 上 ， 对 于 空 间 应 用 ， 根 据 不 同 的 飞 行 任 务 要 求 ， 需 要 将 顶 电 池 设 计 得 更 薄 ， 以 使 辐 照 衰 降 大 得 多 的 （） 中 间 电 池 在 飞 行 器 寿 命 终 期 达到与顶电池的电流平衡。为了准确地测定整体三结电池的 伏安特性， 更重要的是要建立多光源或光谱可分区调节的太 阳 模 拟 器， 以 便 能 在 模 拟