IIIV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文库.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流IIIV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文库.精品文档. 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 光伏技术的新突破 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
2、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 的 机 理 , 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 。 使 是 带 隙 宽 即 度 与 太 阳 光 谱 较 为 匹 配 的 单 结 电 池 , 已 实 现 的 效 率 的 最 好 结 果 也 仅 为 。 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
3、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 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, 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 年, 就已经 有人提出这样的设计思想。 从上个世纪 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
4、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 。 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 的 族 化 合 物 半 导 体 和 带 隙 约 为 从 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 多 年 的 发 展 历 史 。 在 上 个 世 纪 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,
5、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 族 化 合 物 半 导 体 多 晶 薄 膜 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 年 的 进 展 , 基 于 砷 化 镓 的 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 , ( ) 三 结 级 连 太 阳 电 池
6、 大 规 模 生 产 的 平 均 效 率 已 接 近 , 使 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 。在 高 倍 聚 光 条 件 下 , 这 种 多 结 太 阳 电 池 的 实 验 室 效 率 已 接 近 。极 高 的 光 电 转 换 效 率 使 其 在 未 来 的 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 , 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。 的 族 化 合 物 半 导 体 构 成 的 双 结 电 池 实 现
7、了 的 光电转换效率 。由 和 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 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 “ 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 ( ), 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
8、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。 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 评 论 的 课 题 。 后
9、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 三 结 级 连 太 阳 电 池 为 代 表 的 光 伏 技 术 新 突 破 。 事 实 上 , 由 于 单 结 电 池 从 上 个 世 纪 年 代 初 开 始 已 通 过 方 法 投 入 成 熟 的 大 规 模 生 产 , 虽 然 有 人 尝 试 过 两 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 双 结
10、电 池 。尽 管 早 在 上 世 纪 年 代 末 已 实 现 很 高 的 转 换 效 率 , 但 双 结 电 池 的 进 一 步 发 展 却 受 到 限 制 。 由 于 与 底 电 池 相 搭 配 , 顶 电 池 的 组 分 要 足 够 高 , 以 使 带 隙 宽 度 接 近 图 多结叠层级连太阳电池示意图 。这 时 已 从 直 接 带 隙 材 料 转 变 为 间 接 带 隙 材 料 ( 见 图 ) , 实 现 电 流 匹 配 则 需 要 相 当 厚 的 顶 电 池 。 而 且 , 底时, 搀杂浓度不能太高。 外, 如图 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,
11、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 个 输 出 端( ) , 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 只 电 池 串 连 实 现 与 () 顶 电 池 的 电 压 匹 配 , 再 把 两 级 电 池 并 连 成 两 端 器 件 。 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。 生 长 时 , 源 对 残 余 氧 的 敏 感 性 也 为 制 备 高
12、 质 量 的 高 组 分 带 来 困 难 。 图 两端 双结级连太阳电池示意图 半 导 体 材 料 外 延 生 长 技 术 , 特 别 是 族 化 合 物 半 导 体 的 金 属 有 机 物 气 相 外 延( ) 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 所示的模拟 计 算 结 果 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 和 左 右 。虽 然 近 几 年 有 人 报 道 了 在 ( 为 ) 衬 底 上 直 接 生 长 晶 格 匹 配 的 四 元 化 合 物
13、 半 导 体( 为 ) 的 研 究结果 ( ) 子电池电流匹配( 虚线以下部分) ( ) 顶电池无穷厚 图 双结级连太阳电池的 理论效率 与子电池带隙宽度的关系 等 于 上 世 纪 年 代 中 期 率 先 开 展 了 晶 格 匹 配 整 体 级 连 双 结 电 池 的 研 究 。如 图 所 示 , 与 晶 格 匹 配 的 具 有 与 高 组 分 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 源 和 设 备 水 平 的 限 制 , 在 早 期 很 难 生 长 出 高 质 量 的 材 料 , 因 此 这 一 方 案 并 不 被 看 好 。 但 随 着 技 术
14、 的 发 展 和 对 越 来 越 深 入 的 认 识 , , 但在实践上很难找到在带隙宽度上如此理想搭配, 晶格常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 双 结 电 池 迅 速 取 得 超 过 其 它 任 何 材 料 系 统 所 达 到
15、的 转 换 效 率 , 第 一 次 实 现 了 把 的 阳 光( , 非 聚 评 论 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 。 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 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 太 阳 电
16、 池 和 单 由 结 电 池 , 三 结 电 池 的 应 用 使 太 阳 方 阵 的 面 积 图 部分 族化合物半导体的带隙宽度与晶格常数 比功率和质量比功率都得到改进, 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 。 我 们 可 以 通 过 解 读 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 单 晶 片 为 衬 底 的 太 阳 电 池 已 大 量 应 用 于 卫 星 能 源 系 统 。 等 在 双 结 电 池 研 究 中 所 取 得 的 成 果 , 在 上 个 世 纪
17、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( 和 ) 实 现 商 业 化 应 用 。 年 月 , 装 备 了 衬 底 这 双 结 电池 的 第 一 颗 商 业 通 信 卫 星 被 发 射 升 空 。 颗 美 国 休 斯 公 司 的 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 的 双 结 电 池 取 代 太 阳 电 池 , 方 阵 的 输 出 功 率 就 从 提 高 了 一 倍 , 达 到 , 大 大 增 加 了 卫 星 的 有 效 载 荷 , 成 为 空 间
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