光伏物理与光伏材料-第四章 高效III-V族化合物太阳能电池ppt课件

光伏物理与光伏材料 山东大学光学高等研究中心李永富2014 4 10 第四章高效III V族化合物太阳能电池 光伏的能源应用 课号课序号0123312910 100 III V族材料的特性 1 III V族材料的生长技术 2 III V族太阳能电池的发展历程 3 III V族太阳能电池研究热点 4 III V族太阳能电池设计考虑因素 5 III V族化合物包括磷化铝 AlP 砷化铝 AlAs 锑化铝 AlSb 磷化镓 GaP 砷化镓 GaAs 锑化镓 GaSb 氮化铟 InN 砷化铟 InAs 等化合物及化合物组合 固溶体化合物 III V族化合物优点 硅为间接带隙半导体 几乎所有的 V族化合物为直接带隙半导体 这两者的差别在于 当电子从价带激发到导带时 除了能量的改变之外 具有间接带隙的硅会同时发生晶体动量的改变 但具有直接带隙的 V族化合物不会发生晶体动量的改变 这使得 V族化合物在许多微电子的应用上比硅具有更佳的特性 III V族化合物优点 III V族化合物的带隙宽 而且使用三元或四元的混合III V族化合物 如InGaP AlGaAs GaInNAs GaNAs等 更能使带隙的设计的变化更大一些常见半导体材料的晶格常数与带隙 在不同材料之间的连接线 表示结合不同比例的这两种材料所形成的三元或四元化合物的带隙大小 III V族化合物与Si相比的优点 太阳电池的理论转换效率与半导体的能隙大小有关 一般最佳的太阳电池测量的能隙为1 4 1 5eV之间 所以能隙为1 43eV的GaAs及1 35eV的InP会比1 1eV的硅更适合用在高效率的太阳电池上 利用各种 V族化合物所形成的多结太阳电池可增加被吸收波长的范围 更可达到高效率化的目的 III V族化合物与Si相比的优点 硅是间接带隙材料 对于光的吸收系数较小 一般需要采用200um以上的厚度 才能吸收到足够的太阳光 而 V族化合物多为直接带隙材料 对于光的吸收较强 仅需要数微米的厚度 就能吸收到足够的太阳光 只要使用薄膜的III V族化合物 就可达到很高的效率 III V族化合物与Si相比的优点 GaAs太阳电池的温度系数较小 能在较高的温度下正常工作 GaAs电池效率的温度系数约为 0 23 而Si电池效率的温度系数约为 0 48 温度升高到200 GaAs 电池效率下降近50 而硅电池效率下降近75 III V族化合物与Si相比的优点 GaAs基系太阳电池具有较强的抗辐照性能 辐照实验结果表明 经过1Mev高能电子辐照 即使其剂量达到1 1015cm 2之后 GaAs基系太阳电池的能量转换效率仍能保持原值的75 以上 而先进的高效空间Si太阳电池在经受同样辐照的条件下 其转换效率只能保持其原值的66 以低地球轨道的商业卫星为例 对于初期效率分别为18 和13 8 的GaAs电池和Si电池 初始两效率之比为1 1 3 经低地球轨道运行的质子辐照后 其终期效率 EOL效率 将分别下降为14 9 和10 0 此时GaAs电池的效率为Si电池的1 5倍 可制成效率更高的多结叠层太阳电池随着外延技术的日益完善 族三元 四元化合物半导体材料 GaInP AlGaInP GaInAs 的生长技术取得重大突破 为多结叠层太阳电池研制提供了多种可供选择的材料 III V族化合物与Si相比的优点 各种太阳能电池抗辐照特性 III V族太阳电池也有其固有的缺点 主要有以下几方面 GaAs材料的密度较大 5 32g cm3 为Si材料密度 2 33g cm3 的两倍多 GaAs材料的机械强度较弱 易解理 易碎 GaAs材料价格昂贵 约为Si材料价格的10倍 InP基系太阳电池的抗辐照性能比GaAs基系太阳电池还好 但转换效率略低 而且InP材料的价格比GaAS材料更贵 材料表面易氧化而形成复合中心 钝化困难 材料生长对设备要求高 制作成本高 III V族化合物材料的缺点 多应用于空间领域 III V族材料的生长技术 2 III V化合物的薄膜生长技术 III V族化合物的薄膜生长技术 主要是利用外延生长法 又可细分为液相外延 有机金属化学气相淀积法 分子束外延等 所谓的外延是指在一晶体上有次序的生长另一层晶体如果衬底与所长的外延层材料相同的话 就叫做同质外延 如果衬底与所长的外延层材料不相同的话 就叫做异质外延使用不同的衬底材料会影响所生长的 V族化合物薄膜的电学及光学性能 在生长这些薄膜时要注意的是晶格常数的匹配性 如果衬底与薄膜的晶格常数的差异过大的话 会导致过大的应力和晶格缺陷 例如Ge GaAs AlAs三者间的晶格常数就很接近当衬底与所要长的薄膜的晶格常数差异太大时 可以慢慢调节变化 V族化合物中元素组成比例 来逐步改变晶格常数 III V化合物的薄膜生长技术 液相外延法是由液态物质来长出外延层 在生长GaAs的外延过程 它可借由添加杂质来降低液态物质的熔点 例如GaAs As的熔点比纯GaAs来得低 因此液态物质可以保持在比较低的温度 而不会去把GaAs的衬底熔化掉 慢慢降低溶液的温度 使得化合物因过饱和而在GaAs衬底上析出 因为溶液中的杂质浓度会随着晶体的生长而递增 因此溶液的熔点会递减 所以LPE的温度也要不断调降 以维持外延的生长 III V化合物的薄膜生长技术 MOCVD为有机金属化学气相沉积外延技术 它是在低压下 约60torr 利用有机金属 例如三甲基镓 TMGa 三甲基铝 TMAl 等 与特殊气体 例如砷化氢 AsH3 磷化氢 PH3 等 在反应器内进行化学反应 并使反应物沉积在被加热到600 800 的晶片上 而得到外延片的生产技术 III V化合物的薄膜生长技术 III V族有机金属的来源可为液态 如TMGa TMAl 或固态 如TMIn 它一般储存在气泡室内 并借由传输气体 如H2 将之带入反应室中 利用改变气泡室的温度 可以控制有机金属材料的的气相分压 掺杂物可使用有机金属来源 例如二甲基锌 DMZn 二硅乙烷 Si2H6 DEBe TESn CCl4等 衬底置于一石墨制成的基座上 并以RF线圈或热电阻丝等加热之 使得有机金属分子进行扩散 热解等化学反应 热解后的离子团则于衬底表面进行生长薄膜的生长速率主要是由反应气体流量来控制 MOCVD的化学反应式可由下式表示 III V化合物的薄膜生长技术 III V化合物的薄膜生长技术 分子束外延技术 MBE 是在超高真空状态下 10 10torr 让热原子或热分子束自原料中分离出来 然后在基板表面进行反应 而沉积产生外延薄膜的一种技术 由于使用高真空及十分洁净的设备 因此可以用来产生高纯度的外延层 III V化合物的薄膜生长技术 MBE技术的特点 生长温度低 生长速度慢 可生长出极薄的单晶层 甚至可以实现单原子层生长 MBE技术很容易在异质衬底上生长外延层 实现异质结构的生长 MBE技术可严格控制外延层的层厚 组分和掺杂浓度 MBE生长出的外延片的表面形貌好 平整光洁 III V化合物的薄膜生长技术 III V族太阳能电池的发展历程 3 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基单结太阳能电池 GaAs GaAs同质结太阳电池GaAs太阳电池的研究始于20世纪60年代 但初期研究并不顺利 GaAs体单晶材料的质量远比Si体单晶材料的质量差 GaAs是二元化合物 它的问题比单质Si材料的问题复杂得多 因而GaAs体单晶材料无论是纯度还是完整性都远不如Si体单晶材料好 用简单的扩散技术制成的GaAs的p n结性能很差 不能满足器件的要求 在研究初期 人们普遍采用液相外延 LPE 技术来研制GaAs太阳电池 衬底采用GaAs单晶片 生长出的电池为GaAs GaAs同质结太阳电池 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基单结太阳能电池 LPE技术研制GaAs太阳电池时的主要问题 GaAs材料的表面复合速率高GaAs是直接带隙材料 对短波长光子的吸收系数高达105cm 1以上 高能量光子的吸收集中在表面 但许多光生载流子被表面复合中心复合 不能被收集成为太阳电池的电流 高的表面复合速率会大大降低GaAs太阳电池的短路电流Isc GaAs没有像SiO2 Si那样好的表面钝化层 不能用简单的钝化技术来降低GaAs表面复合速率 在GaAs太阳电池研究的初期 电池效率长时间未能超过10 直到1973年 Hovel等提出在GaAS表面生长一薄层AlxGa1 xAs窗口层后 这一困难才得以克服 当x 0 8时 AlxGa1 xAs是间接带隙材料 Eg 2 1ev 对光的吸收很弱 大部分光将透过AlxGa1 xAs层进入到GaAs层中 AlxGa1 xAs层起到了窗口层的作用 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基单结太阳能电池 1995年 西班牙Cuidad大学研制的LPEGaAs太阳电池 在AM1 5 600倍聚光条件下 效率高达25 8 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基单结太阳能电池 LPE GaAs太阳电池在空间能源领域得到了很好的应用 苏联于1986年发射的和平号轨道空间站 上面装备了10kW的AlxGa1 xAs GaAs异质界面太阳电池 单位面积比功率达到180w m2 这些GaAs太阳电池便是用LPE技术生产的 据1994年IEEE光伏会上报道 这些GaAs太阳电池阵列在空间运行8年后输出功率总衰退不超过15 我国首次GaAs电池试验是在1988年9月 当时发射的FY21A卫星的太阳方阵帆板上使用了20mm 20mm 0 3mm单结GaAs电池 2001年1月发射的 神舟3号 飞船和2002年5月发射的 海洋21 卫星上 应用单结GaAs GaAs电池 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基单结太阳能电池 GaAs Ge异质结太阳电池用LPE技术和MOCVD技术在GaAs衬底上生长的GaAs GaAs同质结太阳电池获得了大于20 的高效率 但GaAs材料存在密度大 机械强度差 价格贵等缺点 使GaAs太阳电池的空间应用受到限制 Ge的晶格常数 5 646埃 与GaAs的晶格常数 5 653埃 相近 热膨胀系数两者也比较接近 所以容易在Ge衬底上实现GaAs单晶外延生长 Ge衬底比GaAs衬底便宜 而且机械强度高 不易破碎 提高了电池的成品率 近年来 随着多结叠层电池研究的进展 Si衬底上生长GaAs外延层的研究开始出现 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基单结太阳能电池 采用LPE技术实现GaAs Ge异质结构的生长存在困难 而用MOCVD技术和MBE技术则容易实现GaAs Ge异质结构的生长 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基单结太阳能电池 GaAs Ge电池在空间中已获得日益广泛的应用德国的TEMPO数字通信卫星 采用80000片GaAs Ge电池 43 43 mm2 片 组成三块太阳电池阵列 电池效率为18 3 美国的两次火星探测发射 火星地表探测者 MGS 两翼共有四块太阳电池阵列 其中 两块用GaAs Ge电池组成 两块用高效Si电池组成 每块太阳电池阵列面积为 1 85 1 7 m2 电池效率18 8 Si电池效率15 火星探路者 1996年在火星上登陆 它的供电系统由三块GaAs Ge电池阵列与可充电银 锌电池组成 超过了预期工作寿命 30天 由于火星灰尘在电池表面的积累 使电池效率每天下降0 28 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基多结叠层太阳能电池 太阳光谱的能量范围很宽 分布在0 4 4eV 而材料的禁带宽度为固定值Eg能量小于Eg的光子无法被吸收 能量大于Eg的光子被太阳电池吸收 激发出高能光生载流子 但高能光生载流子会很快弛豫到能带边 将能量大于Eg的部分传递给晶格 转变为热能浪费掉单结太阳电池效率的提高受到限制解决途径 能充分吸收太阳光谱的电池结构 叠层电池 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基多结叠层太阳能电池 叠层电池的原理用具有不同带隙Eg的材料作成多个子太阳电池 然后按Eg的大小从宽至窄顺序叠起来 组成一个串接式多结太阳电池 每个子电池吸收和转换太阳光谱中不同波段的光 叠层电池对太阳光谱的吸收和转换等于各个子电池的吸收和转换的总和 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基多结叠层太阳能电池 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基多结叠层太阳能电池 叠层电池的原理 三端器件和四端器件对子电池的电流和电压没有限制 计算叠层电池的效率时 先分别计算两个子电池的效率 然后把两个效率相加 两端器件中的两个子电池属于串联连接 对其有许多限制 首先要求两个子电池的极性相同 即都是p n结构或都是n p结构 此外 要求两个子电池的短路电流尽可能接近 这样整个叠层电池才能获得最大的短路电流 否则 短路电流几将受子电池中最小的短路电流的限制 这就将影响叠层电池效率的提高 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基多结叠层太阳能电池 AlGaAs GaAs叠层电池 1987年 日本NTT电子通讯实验室采用MBE技术成功研制隧道结Al0 4Ga0 6As GaAs叠层电池 效率达到了20 1988年 B Chung等用MOCVD技术生长了AlGaAs GaAs双结叠层电池 其AM0和AM1 5效率分别达到22 3 和23 9 电池面积为0 5cm2 未能实现隧道结连接 而是采用了复杂的电极制作工艺 正由于这些困难的存在 以后长期没有人在这个方向取得新的进展 2001年 日本NTT电子通讯实验室采用MOCVD技术 采用pp n n结构的Al0 36Ga0 64As顶电池 和n Al0 15Ga0 85As p GaAs隧道结连接顶电池和pn结构的GaAs底电池 研制出了效率达到27 6 的叠层电池 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基多结叠层太阳能电池 AlGaAs GaAs叠层电池 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基多结叠层太阳能电池 AlGaAs GaAs叠层电池 2005年KenTakahashi等在AlxGa1 xAs顶电池的生长过程中采用Se代替Si作为n型掺杂剂 提高AlxGa1 xAs层的少子寿命 提高了AlxGa1 xAs顶电池的短路电流密度Jsc 采用GaAs隧道结连接顶电池和底电池 用C代替Zn作为p型掺杂剂 减少了隧道结内部P型杂质的扩散 提高了隧道结的峰值电流密度 减小了隧道结的电学损失 KenTakahashi等研制的AlxGa1 xAs GaAs叠层电池的效率提高到28 85 AM1 5 25 这是迄今为止AlGaAs GaAs叠层电池的最高效率 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基多结叠层太阳能电池 GaInP GaAs叠层电池 美国国家可再生能源实验室 NREL 的J M Olson等在20世纪80年代末提出了Ga1 xInxP GaAs叠层电池结构 Ga0 5In0 5P是另一种宽带隙的与GaAs材料晶格匹配的材料 根据光致发光衰减时间常数推算 与Al0 4Ga0 6As GaAs和Al0 5Ga0 5As GaAs相比 Ga0 5In0 5P GaAs界面的复合速率低 约为1 5cm s 而Al0 4Ga0 6As GaAs和Al0 5Ga0 5As GaAs的界面复合速率分别为200cm s和900cm s Ga0 5In0 5P GaAs界面质量最好 1994年 效率29 5 AM1 5 25 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基多结叠层太阳能电池 GaInP GaAs叠层电池 1997年日本能源公司的T Takamot等在p GaAs衬底上研制了大面积 4cm2 InGaP GaAs双结叠层电池 同Olson等的电池结构相比较 主要的改进点 用InGaP隧道结取代GaAs隧道结 隧道结处于在高掺杂的AlInP层之间 对下电池起窗口层作用 对上电池起背场作用 提高了开路电压和短路电流 效率达到30 28 AM1 5 25 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基多结叠层太阳能电池 GaInP GaAs Ge三结叠层电池的发展 GalnP GaAs叠层太阳电池领域所获得的重大成果吸引了空间科学部门和产业界的注意力 美国能源部光伏中心在1995年9月提出了发展GaInP GaAs Ge太阳电池的产业计划 到1997年底试生产出16000cm2的GaInP GaAs Ge叠层电池组件 电池的批量平均效率为24 AM0 1个太阳光强 单块电池面积16cm2 电池厚度140 m 电池的抗辐照性能与单结GaAs Ge电池相当 即经过1Mev剂量为1 1015 cm2的电子辐照后 其转换效率仍保持原值的75 以上 而叠层电池的生产成本不超过单结GaAs Ge电池生产成本的15 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基多结叠层太阳能电池 GaInP GaAs Ge三结叠层电池的发展 太阳能产业计划 主要由TECSTAR和Spectrolab两家公司承担前者主要采用pn pn n Ge 双结叠层电池结构 Ge为无源衬底后者采用np np np Ge 三结叠层电池结构 Ge衬底中包含第三个有源np结小批量试生产的结果 TECSTAR生产的双结叠层电池的批量平均效率为22 4 最高效率为24 1 而Spectrolab试生产的三结叠层电池的批量平均效率为24 2 最高效率为25 5 Ga0 5In0 5P GaAs Ge叠层电池的抗辐照性能和温度系数均与GaAs Ge电池相当或略优于后者 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基多结叠层太阳能电池 GaInP GaAs Ge三结叠层电池的发展 1998年 美国Spectrolab公司和日本JE公司研制的GaInP InGaAs Ge三结叠层电池AM1 5效率达到31 5 在GaAs中引入1 的In后 使其晶格与Ge衬底更好地匹配 2002年 美国Spectrolab公司利用无序GaInP提高顶电池带隙至1 89ev 将GaInP InGaAs Ge结叠层电池AM1 5效率提高到32 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基多结叠层太阳能电池 GaAs GaSb机械叠层电池 由GaAs电池和GaSb电池用机械方法相叠合而成 GaAs顶电池和GaSb底电池在光学上是串联的 而在电学上相互独立 用外电路串并联实现子电池的电压匹配 这类电池是四端器件 它们对于子电池的极性不要求相同 也不要求子电池材料的晶格常数匹配 叠层电池的效率简单地等于GaAs顶电池的效率和GaSb底电池的效率之和 因而容易获得高效率 1990年 L M Fraas等研制的GaAs Gasb机械叠层电池的效率已达到31 AM0 100倍太阳光强 是当时太阳电池效率的世界记录 2005年 L M Fraas等把单体结构的GaInP GaAs两结叠层电池与GaSb电池组成三结机械叠层电池 获得了34 AM0 15倍太阳光强 的高效率 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs GaSb机械叠层电池 GaAs基多结叠层太阳能电池 机械叠层电池的器件工艺复杂 顶电池的下电极需做成梳状电极 而且必须与底电池的上电极的图形相同 并严格对准 才能让未被顶电池吸收的红外光透过顶电池 进入底电池 在实际应用时 需通过复杂的电路进行串并联 实现电压匹配 机械叠层电池存在的缺点使它们不太适宜于空间应用 III V族太阳能电池的发展历程 3 III V族聚光太阳能电池 太阳能具有分散性 在地面单位面积上可接收到的太阳能密度不是很大 AM1 5条件下 每平方米地面接收到的最大的太阳能量为1000W m2 实际上在最好的天气条件下 地面上每平方米面积上接收到的太阳能只有约850W m2 太阳能的这一特点为太阳电池的大规模应用造成了困难 解决这一困难的一个途经是采用聚光太阳电池 聚光太阳电池的原理 用凸透镜或抛物面镜把太阳光的光强聚焦到几倍 甚至上千倍太阳光强 然后投射到太阳电池上 太阳电池接受能量增加产生的电功率亦会相应增加 III V族太阳能电池的发展历程 3 III V族聚光太阳能电池 III V族太阳能电池的发展历程 3 III V族聚光太阳能电池 III V族太阳能电池的发展历程 3 III V族聚光太阳能电池 与普通平板型太阳电池相比较而言 它的优势是在产出相同电能情况下 聚光太阳电池所需要的半导体材料大大减少 太阳电池的成本大大降低 虽然增加了聚光系统 但采用成熟的费涅尔透镜聚光系统或抛物面镜聚光系统 还是比较低的 综合比较 聚光太阳电池系统的成本比普通平板型太阳电池系统的成本在一定条件下要降低许多 III V族化合物太阳电池比Si太限电池耐高温 因而更适合于做成聚光太阳电池 III V族太阳能电池的发展历程 3 薄膜型III V族太阳能电池 GaAs为代表的III V族太阳电池共同的缺点 即材料密度大 功率质量比低GaAs太阳电池的功率质量比大于300W kg柔性衬底a Si的功率质量比可高于1000W kg采用剥离技术制备薄膜型 超薄型 GaAs太阳电池 在太阳电池制备完成后 正面粘贴到玻璃或塑料膜上 采用选择腐蚀方法把GaAs衬底剥离掉 只将约3 m厚的电池有源层转移到金属膜上 即可获得柔性薄膜型 超薄型 GaAs太阳电池 2005年10月 上海PVSEC 15 第15届国际光伏科学与工程会议 会议上 Sharp公司展出了他们研制的效率高达28 5 AM1 5 的柔性薄膜型 超薄型 GaInP GaAs两结叠层电池 其功率质量比为2631W Kg 这是迄今为止获得的最高功率质量比 III V族太阳能电池的发展历程 3 薄膜型III V族太阳能电池 2006年 美国NREL的M Wanlass等在GaAs衬底上用反向生长和剥离技术研制出了超薄型的GaInP GaAs GaInAs三结叠层电池 其中 上 中 下三个子电池的带隙宽度近似于理想值 分别为1 9ev 1 4ev和1 0ev 在AMI 5光谱 10 1倍太阳光强下 该电池获得了37 9 的高效率 1955年 Jackson提出多结光电池概念1987年 C Amano等分子束外延 MBE 技术研制出效率叠层电池Al0 4Ga0 6As GaAs 效率20 2 1988年 B Chung等用化学气相外延 MOCVD 技术生长了Al0 4Ga0 6As GaAs双结电池 效率23 9 1990年 J M Olson等p型GaAs衬底 Ga0 5In0 5P GaAs双结电池 效率27 3 1994年 J M Olson等栅线改进型Ga0 5In0 5P GaAs双结电池 效率29 5 1997年 JapanEnergyCorporation和SumitomoElectricIndustrialCorporation采用GaInP隧道结构 GaInP GaAs Ge双结光电池效率提高至30 28 1998年 GaInP GaAs Ge三结级联光电池 效率33 3 2001年 美国Spectrolab公司三结叠层太阳能电池Ga0 5In0 5P GaAs Ge AM0及47倍聚光条件下 效率32 3 2005年5月 美国可再生能源实验室 NREL 多结光电池 10倍聚光条件下效率37 9 2005年6月 美国Spectrolab公司多结光电池 236倍聚光条件下 效率39 2007年5月 美国Spectrolab公司GaInP GaInAs Ge三结光电池 240倍聚光条件下 效率40 7 III V族太阳能电池的发展历程 3 2008年 NREL GaInP GaAs InGaAs三结光电池 326倍聚光条件下 效率40 8 2009年 日本Sharp公司 非聚光三结光电池 效率35 8 2009年 德国FraunhoferISE太阳能 In0 65Ga0 35P In0 17Ga0 83As Ge三结光电池 454倍聚光条件下 效率41 1 2009年 美国Spectrolab公司晶格匹配InGaP InGaAs Ge三结叠层太阳能电池 效率41 6 2010年 美国Spire集团公司 三结GaAs太阳能电池 406倍聚光条件下 效率42 3 2011年11月 日本Sharp公司 非聚光三结光电池 效率36 9 2012年6月 日本Sharp公司 三结太阳能电池在306倍聚光条件下效率达到43 5 2013年9月 德国FraunhoferISE太阳能系统研究所 Soitec HelmholtzCenterBerlin 以及CEA Leti实验室 44 7 III V族太阳能电池的发展历程 3 III V族太阳能电池研究热点 4 III V族太阳能电池研究热点 4 近几年来国际上III V族太阳电池领域的研究非常活跃 研究范围广泛 进展迅速 当前lll V族化合物太阳电池的研究热点大致包括以下几个方面 更多结 三结以上 叠层电池 聚光型III V族太阳电池 超薄型 薄膜型 III V族太阳电池 量子阱 量子点太阳电池 热光伏 TPV 太阳电池等 更多结叠层电池的研究 III V族太阳能电池研究热点 4 更多结叠层电池的研究 三结叠层电池的研究已获得了巨大成功 在1个太阳常数下的转换效率已达到32 在聚光条件下的转换效率已达到44 7 通过增加子电池数目是否可以进一步提高效率 1 8eV 1 4eV 0 65eV 1 8eV 1 4eV 1eV 0 65eV III V族太阳能电池研究热点 4 III V族量子阱 量子点太阳电池 III V族多结叠层电池的发展大大提高了太阳电池的效率 多结叠层电池的结构复杂各子结材料之间要求晶格常数匹配和热膨胀系数匹配各个子电池材料的选择和连接各个子电池的隧道结材料的选择都十分严格MOCVD外延生长工艺也十分复杂人们试图寻找其他途径来提高太阳电池的效率 目的是希望能采用相对较为简单的工艺实现高效率 在众多的技术路线中 量子阱 量子点结构太阳电池是比较新颖 已有了较好的进展 也可能是比较有成功希望的一种 III V族太阳能电池研究热点 4 III V族量子阱 量子点太阳电池 III V族量子阱太阳电池 为了扩展对太阳光谱长波长范围的吸收 进而提高光电流 一个做法是p i n型太阳电池的i层中引入掺杂材料 产生能带 由于pn结的带宽Eg不会受到改变 所以开路电压Voc不会改变 同时这些中间能带可以吸收低能量的长波长光子 产生更多的光生载流子 III V族太阳能电池研究热点 4 III V族量子阱 量子点太阳电池 III V族量子阱太阳电池 电池的基质材料和垒层材料具有较宽的带隙Eb 阱层材料具有较窄的有效带隙Ea p i MQW n型电池的吸收带隙可以通过阱层材料的选择和量子阱宽度 垒宽Lb 阱宽Lz 来调控 以扩展对太阳光谱长波范围的吸收 从而提高光电流 III V族太阳能电池研究热点 4 III V族量子阱 量子点太阳电池 III V族量子阱太阳电池 III V族太阳能电池研究热点 4 III V族量子阱 量子点太阳电池 III V族量子点太阳电池 III V族量子点太阳电池的原理与量子阱太阳电池的原理相似 量子阱太阳电池是在p i n型太阳电池的i层 本征层 中植入多量子阱 MQW 结构 而量子点太阳电池是在p i n型太阳电池的i层 本征层 中植入多个量子点层 形成基质材料 量子点材料的周期结构 由于量子点的量子尺寸限制效应 可通过改变量子点的尺寸和密度对量子点材料层的带隙进行调整 有效带隙Eeff由量子限制效应的量子化能级的基态决定 III V族太阳能电池研究热点 4 III V族量子阱 量子点太阳电池 III V族量子点太阳电池 相临量子点层的量子点之间存在很强的偶合 使得光生电子和空穴可通过共振隧穿效应穿过垒层 这就提高了光生载流子的收集效率 也就是提高了太阳电池的内量