叠层化合物太阳能电池原理及应用

叠层化合物太阳能电池原理及应用讲课：王彦朋PPT制作：张硕史磊材料收集：王强一、太阳能电池结构及原理太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应。当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。二、叠层化合物太阳能电池的产生•由于太阳光光谱的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其禁带宽度值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池被背电极金属吸收，转变成热能；而高能光子超出禁带宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效电能。因此对于单结太阳能电池，即使是晶体材料制成的，其转换效率的理论极限一般也只有25%左右。所以为了提高太阳能电池转换效率，叠层太阳能电池问世。三、叠层化合物太阳能电池原理•太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按禁带宽度从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄禁带宽度材料电池利用，这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样结构的电池就是叠层太阳能电池。四、叠层太阳能电池的制备方法叠层太阳能电池的制备可以通过两种方式得到。一种是机械堆叠法，先制备出两个独立的太阳能电池，一个是高带宽的,一个则是低带宽的。然后把高带宽的堆叠在低带宽的电池上面；另一种是一体化的方法，先制备出一个完整的太阳能电池，再在第一层电池上生长或直接沉积在第一层电池上面。25oC,AM0条件下太阳电池效率电池类型面积(cm2)效率(%)电池结构多结叠层电池GaInP/GaAs426.9单片叠层双结太阳电池GaInP/GaAs/Ge425.5单片叠层双结太阳电池GaInP/GaAs/Ge427.0单片叠层三结太阳电池多结叠层聚光电池GaInP/GaAs0.2526.4单片叠层双结太阳电池GaAs/GaSb0.0530.5机械堆叠太阳电池GaAs半导体材料的特点GaAs是典型的III-V族化合物半导体材料，具有直接能带隙，带隙宽度为1.42eV（300K），正好为高吸收率太阳光的值，因此，是很理想的太阳能电池材料。[1]其主要特点：1.光吸收系数高。GaAs太阳能电池的有源区厚度多选取3um左右，就可以吸收95%的太阳光谱中最强的部分。2.带隙宽度与太阳光谱匹配。GaAs的带隙宽度正好位于最佳太阳电池材料所需要的能隙范围，具有更高的理论转换效率。3.耐高温性能好。GaAs太阳能电池效率随温度升高降低比较缓慢，可以工作在更高的温度范围。4.抗辐照性能强。GaAs是直接带隙材料，少数载流子寿命较短，在离结几个扩散度外产生损伤，对光电流和暗电流均无影响，因此，GaAs太阳能电池具有较好的抗辐照性能。5.多结叠层太阳电池的材料。由于III-V族三、四元化合物（GaInP、AlGaInP、GaInAs等）半导体材料生长技术日益成熟，使电池的设计更为灵活，从而大幅度提高太阳电池的效率并降低成本。五、GaAs叠层太阳能电池GaAs叠层太阳能电池结构及原理图2GaInP2/GaAs双结太阳能电池电池由宽禁带的顶电池、隧道结和窄禁带的底电池三部分依次串联而成，顶电池用于吸收太阳光谱中的短波部分、低电池用于吸收太阳光谱中的长波部分，隧道结用于对各子电池进行电流匹配。图2所示光电转换效率分别是27.3%(AM1.5)和29.5%(AM1.5)GaInP2/GaAs级联电池。这两种都是用MOCVD法生长，III族元素气源是TMIn，TMGa，TMAI，V族元素气源是AsH3，PH3，掺杂剂是DEZn和H2Se。图2的电池其生长温度Tg=700℃，GaInP2(AlInP2,)的生长速率是80-100nm/min,V/III是30；GaAs(AlGaAs)120-150nm/minV/III是35。GaAs隧道结生长速率40nm/min。该电池的两个子电池的基区掺杂水平是2×1017cm-3。发射层、窗口层Se掺杂水平是1018cm-3，而GaAs隧道结的掺杂浓度是1019cm-3左右。级联电池的短路电流JSC=13.6mA/cm2，开路电压VOC=2.29V，填充因子FF=0.87，电池面积是0.25cm2，顶电池带宽Eg=1.85eV。三结GaAs太阳能电池对太阳光谱的利用率六、叠层化合物太阳能电池应用•最近厦门三安的GaAs/Ge多结太阳能电池外延片关键技术研制及产业化项目宣称，其研制的多结太阳能电池光电转换效率达27%，远高于19.5%的硅电池最高转换效率。并具有更强的抗辐照能力、更好的耐高性能，加上聚光技术的应用（降低成本），将是新一代高性能长寿命太阳能电池最具发展潜力的产品。主要应用于通信卫星供电、太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。太阳能路灯电池板和应用产品七、发展趋势GaAs叠层电池的设计，关键是调节各子电池材料的带隙、各个异质结之间的带隙匹配及各子电池的厚度，使各子电池之间的电流匹配，尽可能大的吸收和转换太阳光谱的不同子域，以获得最大的能量输出，从而大大提高电池的转换效率。优化GaAs叠层电池的结构仍然是研究的重点，为更好的提高太阳电池的转换效率，在叠层电池设计中采用聚光技术成为开发的新热点。GaAs叠层太阳能电池由于制造成本较高，尚未大量进入地面应用市场,目前主要应用于空间电源系统。但由于其具有超高转换效率、强抗辐照性等独特性能，因此随着制备工艺的进步和聚光技术及跟踪系统技术的成熟，相信其地面应用前景更加美好。