1、III_V族化合物半導(dǎo)體整體多結(jié)級連太陽電池_光伏技術(shù)的新突破_續(xù)_.txt心態(tài)決定狀態(tài)，心胸決定格局，眼界決定境界。當(dāng)你的眼淚忍不住要流出來的時(shí)候，睜大眼睛，千萬別眨眼，你會看到世界由清晰到模糊的全過程。 本文由飛過無痕zr貢獻(xiàn) pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 評 論 族化合物半導(dǎo)體整體多結(jié)級連太陽電池 光伏技術(shù)的新突破（續(xù)） 陳文浚 三 結(jié) 電 池 的 效 率 水 平 從 未 超 過 晶 格 完 全 匹 配 ， 即 組 分 約 為 時(shí) 的 最 高 實(shí) 踐 記 錄 。事 實(shí) 上 ， 當(dāng) 組 分 為 ， 即 理 論 上 效 率 應(yīng) 為 最

2、高 時(shí) ， 迄 今 為 止 實(shí) 際 所 達(dá) 到 的 三 結(jié) 電 池 效 率 要 更 低 得 多 。 上 述 晶 格 失 配 的 三 結(jié) 電 池 的 性 能 難 以 提 高 ， 是 因 為 對 電 池 轉(zhuǎn) 換 效 率 貢 獻(xiàn) 最 大 的 兩 級 頂電池的晶體質(zhì)量仍難免或多或少地受到失配缺陷的影響。 最 近 有 人 提 出 了 一 個(gè) 很 有 希 望 的 新 方 案 ， 即 以 為 襯 底 ， 先 反 次 序 生 長 晶 格 匹 配 的 頂 電 池 和 中 間 電 池 。 帶 然 后 ， 在 組 分 過 渡 層 后 ， 生 長 組 分 為 、 隙 寬 度 為 、 格 失 配 的 ， 代 替 作 為

3、 第 三 級 底 電 晶 作者近照 池 。 在 制 作 器 件 時(shí) ， 將 電 池 外 延 層 從 襯 底 上 剝 離 下 基于 的空間用多結(jié)級連太陽電池進(jìn) 一步的研究課題 用晶格失配的材料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與太陽光譜更好的 匹配 前 面 已 提 到 ， 與 晶 格 匹 配 的 （） 三 結(jié) 電池材料系統(tǒng)無論對于空間還是地面陽光， 都不是最理想的 選擇。圖 給出了三級子單純的外量子效率光譜響應(yīng)及 來 形 成 薄 膜 結(jié) 構(gòu) 。 的 底 電 池 可 比 更 有 效 地 利 用 太 陽 的紅外光譜。而更重要的是， 在這種晶格失 配 的 三 結(jié) 電 池 中 ， 晶 格 失 配 缺 陷 將 只 影 響 到 底

4、電 池 ， 而 底 電 池 對 電 池 效 轉(zhuǎn) 換 率 的 貢 獻(xiàn) 相 對 兩 級 頂 電池來說要小得多。 陽 光 下 光 生 電 流 密 度 按 單 位 光 子 能 量 繪 制 的 光 由 譜 分 布 曲 線 。 于 在 （ ） 的 吸 收 限 （ 約 ） 以 外 ， 太 陽 光 譜 中 仍 有 相 當(dāng) 豐 富 的 紅 外 光 可 以 被 底 電 池 所 利 用 ， 使 其 短 路 電 流 密 度 遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 高 于 電 流 匹 配 的 兩 級 頂電池。 了更有效地把太陽光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?可以通過改變 為 組 分 比 ， 調(diào) 低 兩 級 頂 電 池 的 帶 隙 寬 度 。 當(dāng) 中 間 電 池 帶

5、 隙 寬 度 為 左 右 ， 而 頂 電 池 與 其 晶 格 匹 配 且 族 亞 晶 格 完 全 無 序 時(shí) ， （） 三 結(jié) 電 池 的 理 論 效 率 最 高 ， 。 但 此 時(shí) ， 圖 具有寬帶隙頂電池的 三結(jié)電 度按單位光子能量繪制的光譜分布 池的外量子效率光譜響應(yīng)及 陽光下光生電流密 兩 級 頂 電 池 已 與 襯 底 嚴(yán) 重 晶 格 失 配 ， 失 配 率 接 近 。 于 是 ， （） 三 結(jié) 電 池 的 研 究 者 們 ， 在 沿 著 材 料 選擇晶格匹配優(yōu)先的途徑走了很遠(yuǎn)以后又發(fā)現(xiàn)， 或許應(yīng)該再 回過頭來考慮另一條途徑的優(yōu)點(diǎn)， 即通過努力實(shí)現(xiàn)晶格失配 材料的外延生長來獲得材料帶

6、隙寬度選擇的更大自由度。這 一技術(shù)途徑的關(guān)鍵在于如何減小因晶 格失配引起的線缺陷對電池性能的影 響 。 采 用 逐 步 改 變 組 分 的 緩沖層有可能較好地把晶格失配缺陷 限制在初始外延層內(nèi)， 而不延伸進(jìn) 三級以上的多結(jié)整體級連電池 如 上 所 述 ， 現(xiàn) 行 三 結(jié) 電 池 結(jié) 構(gòu) 不 能 充 分 利 用 太 陽 中 以 外 的 紅 外 部 分 。人 們 早 就 希 望 能 在 和 之 間 再 加 入 另 一 級 帶 隙 寬 度 為 左 右 的 子 電 池 ， 作者簡介： 陳文浚 （ ）， 男， 北京市人。現(xiàn)為中國電 子 科 技 集 團(tuán) 第 十 八 研 究 所（ 天津電源研究所） 研究員級

7、高級工程師。 年畢業(yè)于清華大學(xué)半導(dǎo)體材料與 器件專業(yè)。三十七年來一直在第一線從事太陽電池的基礎(chǔ)研究與生產(chǎn) ， 曾獲得八項(xiàng) 國家及部市級科技進(jìn)步獎(jiǎng)。從 年起享受政府特殊津貼， 年國家勞動人事 部授予 有突出貢獻(xiàn)中、 青年專家 稱號。在過去的十年里， 領(lǐng)導(dǎo)組建了國內(nèi)第一條 砷 化 鎵 太 陽 電 池 金 屬 有 機(jī) 物 氣 相 外 延 （ ） 生 產(chǎn) 線 ， 專 門 從 事 基 于 砷 化 鎵 的 單結(jié)與多結(jié)電池研究與生產(chǎn)。第六屆全國 學(xué)術(shù)會議以后， 為歷屆此會議組 織委員會委員。 兩 級 頂 電 池 。 但 是 ， 盡 管 對 于 組 分 為 至 的 中 間 電 池 的 設(shè) 計(jì) 已 獲 得 了

8、相 當(dāng)不錯(cuò)的結(jié)果， 但晶格失 配的 評 論 構(gòu) 成 四 結(jié) 級 連 電 池 。 由 于 摻 入 極 少 量 的 就 可 以 大 大 改 變 高能粒子輻照的能力將優(yōu)于三結(jié)電池， 從而有可能在實(shí)現(xiàn)與 三 結(jié) 電 池 相 近 的 （ 壽 命 初 期 ） 效 率 時(shí) ， 在 空 間 應(yīng) 用 中 獲 得 更 高 的 （ 壽 命 終 期 ） 性 能 ， 。 的 帶 隙 寬 度 ， 與 晶 格 匹 配 、 的 新 材 料 在 幾 年 前 吸 引 了 廣 泛 的 關(guān) 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 進(jìn) 展 ， 其 極 短

9、 的 少 子 擴(kuò) 散 長 度 使 作 為 第 三 級 的 子 電 池 電 流 密度遠(yuǎn)低于預(yù)期的水平 超薄型和薄膜多結(jié)電池 質(zhì) 量 對 于 空 間 能 源 系 統(tǒng) 是 一 個(gè) 很 重 要 的 因 素 。 和 。這使人們不得不暫時(shí)越過 ， 的 密 度 比 大 一 倍 多 ， 對 降 低 單 體 電 池 的 質(zhì) 量 很 不 利 。盡 管 用 機(jī) 械 強(qiáng) 度 高 的 取 代 后 ， 基 于 的 族 化 合 物 半 導(dǎo) 體 太 陽 電 池 的 襯 底 厚 度 已 從 最 初 的 減 薄 到 四 結(jié) 級 連 電 池 概 念 ， 把 注 意 力 更 多 六 地轉(zhuǎn)向其它技術(shù)途徑， 探索五結(jié)、 結(jié)級連電池的可行

10、性 。 圖 為 正 在 開 發(fā) 的 五 結(jié) 和 六 結(jié) 整 體 級 連 電 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 。由 于 太 陽 光 譜 被“ 平 分 ”為 與 各 級 子 電 池 帶 隙 寬 度 相 應(yīng) 的 更 多 的 區(qū) 域 （ 見 圖 ） ， 當(dāng) 各 級 子 電 池 電 流 匹 配 時(shí) ， 電 池 的 短路電流密度將低于四結(jié)電池設(shè)計(jì)。 少對于六結(jié)電池設(shè)計(jì)， 至 ， 再 減 薄 到 ， 又 進(jìn) 一 步 減 至 ， 人 們 仍希望能制備更薄的電池以實(shí)現(xiàn)更高的質(zhì)量比功率。通過把 襯 底 減 薄 ， 德 國 的 和 美 國 的 都 宣 布 已 能 制 備 厚 度 至 的 ， 可 彎 曲 的 三 結(jié) 電 池 ，

11、盡 管 效 率 還 只 有 左 右 ，。 早 在 上 個(gè) 世 紀(jì) 年 代 ， 等 就 曾 成 功 地 把 太陽電池結(jié)構(gòu)從其外延襯底上剝離下來， 制備成 薄 膜 電 池 。 基 于 的 多 結(jié) 電 池 實(shí) 現(xiàn) 了 迄 今 為 止 最 高 的 光 電 轉(zhuǎn) 換 效 率 后， 研制 高效薄膜電池再次引起興趣。 等 在 子 電 池 有 可 能 在 實(shí) 踐 上 滿 足 電 流 匹 配 的 要 求 。 洲 歐 國 家 避 開 ， 很 早 就 開 始 研 究 帶 隙 寬 度 組 合 為 的 的 五 結(jié) 電 池 ， 并 進(jìn) 行 了 輻 照 實(shí) 驗(yàn) 。 在 技 術(shù) 上 ， 五 結(jié) 和 六 結(jié) 多 結(jié) 整 體 級

12、連 電 池 所 面 臨 的 挑 戰(zhàn) 是 ： 研 制 帶 隙 寬 度 高 于 的 高 性 能 第 一 級 頂 電 池 。 實(shí) 現(xiàn) 年 首 次 報(bào) 道 了 雙 結(jié) 薄 膜 太 陽 電 池 的 研 究 結(jié) 果 并 在 年 的 第 十 五 屆 （ 上 海 ） 上 展 示 了 原 型 樣 品 。 圖 為 其 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 和 用 塑 料 薄 膜 封 裝 起 來 的 實(shí) 物 照 片。通過在電池背面引入重?cái)v雜的隧穿結(jié)改善與與金屬膜間 的歐姆接觸， 電池樣品的 效率已達(dá)到 。 更 理 想 的 寬 帶 隙 隧 穿 結(jié) ， 用 于 頂 層 子 電 池 間 的 互 連 。 提 高 晶 體 質(zhì) 量 ， 突 破

13、其 對 整 體 電 池 的 電 流 限 制 。 在 筆 者 看來， 由于前兩項(xiàng)的限制， 六級以上的多結(jié)整體級連電池在實(shí) 踐上將很難獲得理論上所預(yù)期的更高的轉(zhuǎn)換效率。 圖 五結(jié)和六結(jié)整體級連電結(jié)構(gòu)示意圖 圖 雙結(jié)薄膜太陽電池 由 于 背 面 金 屬 膜 的 光 反 射 作 用 ， 雙 結(jié) 薄 膜 電 池 的 底電池可以減薄厚度而不會過多影響其電流密度， 這將有助 由 于 改 進(jìn) 電 池 的 抗 輻 照 性 能 ， 。 于 這 種 高 效 多 結(jié) 薄 膜 電 池 與 薄 膜 封 裝 技 術(shù) 相 配 合 ， 將 有 可 能 實(shí) 現(xiàn) 至 的 空 圖 用六結(jié)級連電結(jié)的子電池帶隙寬度將太陽光 譜分區(qū) 間

14、系 統(tǒng) 質(zhì) 量 比 功 率 ， 等 廠 家 最 近 也 都 開 始 了 同 樣 的 探 索 ， 。 但 無 論 如 何 ， 即 便 電 池 結(jié) 構(gòu) 的 外 延 生 長 和 剝 離 并 不 成 為 問 題 ， 為 滿 足 空 間 應(yīng) 用 的 高 可 靠 性 要 求 ， 這 種 族單晶薄膜高效電池的器件加工工藝和電池間的互連技術(shù)等 將面臨難度很大的挑戰(zhàn)。 事 實(shí) 上， 盡 管 已 實(shí) 現(xiàn) 了 高 于 的 開 路 電 壓 ， 迄 今 為 止 已演示的五結(jié)和六結(jié)整體級連電結(jié)的光電轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 現(xiàn) 行 （） 三 結(jié) 電 池 ， 效 率 僅 為 左 右 ， 。然 而 ， 由 于 各 級 子 電 池 具

15、 有 更 薄 的 光 吸 收 區(qū) ， 其 抗 空 間 評 論 多 結(jié) 電 池 在 高 倍 聚 光 系 統(tǒng)中的應(yīng)用前景 空 間 多 結(jié) 電 池 的 成 功 發(fā) 展 也 為 地 面 應(yīng) 用 的聚光太陽電池帶來了新的希望。在高倍聚光太陽電池發(fā)電 兩 個(gè) 百 分 點(diǎn) 。 這 給 早 期 的 工 作 造 成 了 混 亂 。 天 津 電 源 研 究 所 在 開 展 基 于 的 多 結(jié) 級 連 電 池 的 機(jī) 理和材料研究的同時(shí)， 逐漸健全了單結(jié)電池和整體三結(jié)級連 電池光譜響應(yīng)的相關(guān)測試手段， 自制了雙光源太陽模擬器并 引 進(jìn) 了 美 國 的 三 結(jié) 電 池 伏 安 特 性 測 試 專 用 太 陽 模 擬

16、器 ， 為 三 結(jié) 電 池 研 制 提 供 了 保 證 。 在 通 過 雙 結(jié) 電 池 研 究 對 多 結(jié) 電 池 的 結(jié) 構(gòu) 和 機(jī) 理 獲 得 基 本 認(rèn) 識 后 ， 立 即 轉(zhuǎn) 入 了 三 結(jié) 電 池 的 研 究 。沿 用 單 結(jié) 電 池 的 極 性 ， 首 先 在 型 結(jié) 構(gòu) 研 究 中 取 得 突 破 ， 開 路 電 壓 達(dá) 到 ， 比 國 外 同 類 電 池 的 研 究 結(jié) 果 高 至 （） 系 統(tǒng) 中 ， 太 陽 電 池 的 面 積 比 非 聚 光 系 統(tǒng) 要 小 幾 百 倍 。 電池本身的成本所占的比例相對很小， 而電池的轉(zhuǎn)換效率卻 對 降 低 系 統(tǒng) 的 發(fā) 電 成 本 起

17、著 重 要 作 用 。 進(jìn) 入 本 世 紀(jì) 后 ， 美 歐 國 ， 、 洲 和 日 本 幾 乎 所 有 在 多 結(jié) 電 池 研 究 領(lǐng) 域 內(nèi) 工 作的研究小組都先后開展了多結(jié)聚光電池的研究。在高倍聚 光 下 ， 電 池 效 率 很 快 突 破 了 美 國 能 源 部 提 出 的“ 三 分 之 一 個(gè) 太 陽 ”， 即 的 轉(zhuǎn) 換 效 率 目 標(biāo) ， 并 隨 著 空 間 電 池 的 進(jìn) 步 升 到 ， 最 后 逼 近 。 等 原 有 的 聚 光 系 統(tǒng) 生 產(chǎn) 商 開 始 用 三 結(jié) 電 池 取 代 原 來 的 高 效 硅 聚 光 電 池 ， 而 和 等 從 一 開 始 就 積 極 投 入 了

18、 多 結(jié) 高 效 聚 光 電 池 系 統(tǒng) 的 研 發(fā) 。 估 算 表 明 ， 應(yīng) 用 多 結(jié) 電 池 的 聚 光 系 統(tǒng) 的 發(fā) 電 成 本 上 完 全 有 可 能 與 傳 統(tǒng) 的 平 板 系 統(tǒng) 相 比 ， 在 緯 度 較 低 的 地 區(qū) 將 更 低 于 平 板 ， 。 后 ， 通 過 控 制 不 同 雜 質(zhì) 向 襯 底 內(nèi) 的 擴(kuò) 散 實(shí) 現(xiàn) 了 電 隨 池 極 性 的 反 轉(zhuǎn) ， 完 成 了 第 一 代 型 三 結(jié) 電 池 的 研 制 。 由 于 從 一 開 始 就 采 用 了 與 襯 底 完 全 晶 格 匹 配 的技術(shù)方案和應(yīng)用寬帶隙隧穿結(jié)， 批量生產(chǎn)的平均效率達(dá)到 以 上 ， 接 近

19、 國 外 的 第 二 代 三 結(jié) 電 池 水 平。在過去的一年里， 通過改進(jìn)頂電池發(fā)射區(qū)和窗口層設(shè)計(jì)， 顯 著 地 提 高 了 電 池 的 短 波 響 應(yīng) 。 同 時(shí) ， 由 于 采 用 了 族 亞 晶 格 完 全 無 序 的 寬 帶 隙 頂 電 池 ， 電 池 的 開 路 電 壓 提 高 了 以 上 。 從 圖 可 以 清 楚 地 看 到 這 兩 項(xiàng) 改 進(jìn) 對 。然而， 盡管開發(fā)商們宣稱， 這 種新型的聚光發(fā)電系統(tǒng)將會在未來的幾年內(nèi)進(jìn)入大型光伏發(fā) 溫 電 站 市 場， 高 精 度 跟 蹤 、 度 控 制 和 在 運(yùn) 行 環(huán) 境 下 的 可 靠 性 等 問 題 的 真 正 解 決 并 被 市

20、 場 認(rèn) 可， 仍 有 待 時(shí) 日 ， 。 （） 頂 電 池 和 （） 中 間 電 池 光 譜 響 應(yīng) 的 影 響 。 這 兩項(xiàng)改進(jìn)使電池性能邁上了一個(gè)新的臺階， 由此獲得的第二 圖 代 三 結(jié) 電 池 的 批 生 產(chǎn) 平 均 效 率 已 達(dá) 到 。 所 示 為 第 二 代 三 結(jié) 電 池 在 太 陽 模 擬 器 下 測 得 的 最 好 結(jié) 果 ， 效 率 達(dá) 到 。 天 津 電 源 研 究 所 第 二 代 三 結(jié) 電 池 的 開 路 電 壓 （， ） 超 過 ， 最 高 達(dá) 到 ， 這 標(biāo) 志 著 產(chǎn) 品 水平已可與國外第三代三結(jié)電池相比。 也標(biāo)志 著， 我國在基 這 于 的 多 結(jié) 級 連

21、 電 池 技 術(shù) 領(lǐng) 域 已 躋 身 于 國 際 先 進(jìn) 行 列 。 國內(nèi) 族多結(jié)電池的發(fā)展現(xiàn)狀 “ 十 五 ”期 間 ， 為 跟 蹤 國 外 在 這 一 領(lǐng) 域 內(nèi) 的 進(jìn) 展 ， 天 津 電 源 研 究 所 、 安 光 機(jī) 所 和 廈 門 三 安 光 電 技 術(shù) 有 限 公 司（與 上 海 西 航 天 局 所 協(xié) 作 ） 等 單 位 利 用 已 建 立 起 來 的 技 術(shù) 手 段 ， 先 后 開 展 了 基 于 的 多 結(jié) 級 連 電 池 的 基 礎(chǔ) 研 究 ， 并 很快在各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)上取得進(jìn)展。但是， 與單結(jié)電池相比， 多 結(jié)電池的研制要遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜得多。其測試評估技術(shù)本身就是一 個(gè) 難 度

22、 很 大 的 研 究 課 題 ， 缺 少 必 要 的 測 試 手 段 就 無 法 指 導(dǎo) 研究工作向著正確的方向調(diào)整電池的結(jié)構(gòu)。首先必須具備的 測試手段就是準(zhǔn)確地測定整體多結(jié)電池各級子電池的光譜響 應(yīng) ， 標(biāo) 定 各 級 子 電 池 的 短 路 電 流 密 度 ， 以 保 證 子 電 池 在 或 光 譜 下 的 電 流 匹 配 設(shè) 計(jì) 原 則 。對 于 三 結(jié) 電 池 ， 由 于 底 電 池 具 有 足 夠 高 的 電 流 密 度 ， 光 譜 響 應(yīng) 測 試 的 主 要 目 的 是 確 定 正 確 的 頂 電 池 的 厚 度 ， 以 實(shí) 現(xiàn) 與 （） 中 間 電 池 的 電 流 匹 配 。事 實(shí) 上 ， 對 于 空 間 應(yīng) 用 ， 根 據(jù) 不 同 的 飛 行 任 務(wù) 要 求 ， 需 要 將 頂 電 池 設(shè) 計(jì) 得 更 薄 ， 以 使 輻 照 衰 降 大 得 多 的 （） 中 間 電 池 在 飛 行 器 壽 命 終 期 達(dá)到與頂電池的電流平衡。為了準(zhǔn)確地測定整體三結(jié)電池的 伏安特性， 更重要的是要建立多光源或光譜可分區(qū)調(diào)節(jié)的太 陽 模 擬 器， 以