1、高效疊層太陽能電池的設計疊層太陽能電池的設計 1、光電轉化的效率問題 2、疊層太陽能電池 3、高效三結GaInP/GaAs/Ge太陽能電池的設計1、光電轉換的效率問題 1.1光電轉化的技術原理 光伏效應是現在主要太陽能電池的技術基礎。當太陽光照射太陽能電池表面時，一部分光子（能量大于材料禁帶寬度）的能量被材料吸收，使內部電子發生了躍遷，成為自由電子，形成的新的空穴-電子對在p-n結內部電勢壘的作用下，空穴流向p區，電子流向n區，在PN結兩側集聚形成了電位差，形成光生伏特效應。接通電路后就形成電流，從而完成光能向電能的轉換。針對現在常用的硅、鍺材料，存在有兩個制約光電轉換效率提高的內在因素： （

2、1）材料的光譜特性造成的限制 由于材料各自禁帶寬度的限制，入射到硅、鍺光電池材料表面的太陽光只有一部分能被吸收，進而發生光電轉換，并且只有對一種材料對應的峰值波長光子表現出較高的轉換效率，這樣就制約了太陽能的充分利用和向電能的高效轉換。Si光電池對波長在0.4-1.15微米區域中的光子能有效吸收，進行光電轉換，并且只在峰值08微米左右光電轉換率最大；Ge光電池則只能對波長在0.5微米左右很窄范圍內的入射光子高效吸收利用。 （2）材料內部載流子復合造成的限制 受光照的P-N結，所激發出的電子-空穴對有存在結區的，也有在P區、N區的。在結區的電子-空穴對很容易被內建電場分離，從而在勢壘兩側形成電荷

3、積累；但是產生于P區或者是N區的電子-空穴對就要通過濃度梯度導致的擴散到達結界面處，之后內建電場才能把它們分開。這就導致產生于P區或者是N區的電子-空穴對只有滿足離PN結的距離小于它的擴散長度，才有一定的概率能夠擴散到結界面處，對電荷積累有貢獻。 實際上，對于光電池中普遍使用的硅、鍺，由于材料PN結結構以及載流子壽命的原因，導致在材料吸收的有限光子中只有部分能對最終光生電流的產生做出貢獻，進一步地阻礙了光電轉換效率的提高。2、疊層太陽能電池 由于太陽光光譜的能量分布較寬，現有的任何一種半導體材料都只能吸收其中能量比其禁帶寬度值高的光子。太陽光中能量較小的光子將透過電池被背電極金屬吸收，轉變成熱

4、能；而高能光子超出禁帶寬度寬度的多余能量，則通過光生載流子的能量熱釋作用傳給電池材料本身的點陣原子，使材料本身發熱。這些能量都不能通過光生載流子傳給負載變成有效電能。因此對于單結太陽能電池，即使是晶體材料制成的，其轉換效率的理論極限一般也只有25%左右。 太陽光光譜可以被分成連續的若干部分，用 能帶寬度與這些部分有最好匹配的材料做成電池，并按禁帶寬度從大到小的順序從外向里疊合起來，讓波長最短的光被最外邊的寬隙材料電池利用，波長較長的光能夠透射進去讓較窄禁帶寬度材料電池利用，這就有可能最大限度地將光能變成電能，這樣結構的電池就是疊層太陽能電池。3、GaInP/GaAs/Ge三結疊層光電池的設三結

5、疊層光電池的設計計三種半導體材料的禁帶寬度如下所示：三種半導體材料的禁帶寬度如下所示： 材料材料 Eg（eV） a（ ） GaInP 2.1 5.65 GaAs 1.43 5.65 Ge 0.67 5.65由于光具有波粒二象性，表明光波可以被看做粒子，也就是我們所說的光由于光具有波粒二象性，表明光波可以被看做粒子，也就是我們所說的光子。光子能量子。光子能量 E = hE = h，其中，其中h h是布朗克常量，是布朗克常量，是頻率；光速是頻率；光速 c=c=。光子的波長和能量有如下關系：光子的波長和能量有如下關系： = c/= hc/E = 1.24/E m = c/= hc/E = 1.24/

6、E m目前國際上統一規定地面太陽能電池的標準測試條件是：光源輻照度為：1000 W/；測試溫度：25 C；AM1.5地面太陽光譜輻照度分布；AM0和AM1.5的同樣光譜輻照度分布如圖2-3所示。下圖是幾種不同半導體材料的吸收系數與波長的關系下圖是幾種不同半導體材料的吸收系數與波長的關系下圖為下圖為GaInP/GaAs/Ge三結疊層太陽能電池的示意圖：三結疊層太陽能電池的示意圖： 其制備工藝是利用金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)技術制備了GaInP/GaAs/Ge三結疊層光電池(5 mm5 mm),生長源主要包括三甲基鎵(TMGa)、三甲基銦(TMIn)、三甲基鋁(TMAl)、砷烷和磷烷,生長溫度范圍為600700.電池結構示意圖如圖1所示,它是由GaInP,GaAs和Ge三個子電池通過隧道結串聯而成。 三結疊層太陽