叠层太阳能电池的设计

高效叠层太阳能电池的设计叠层太阳能电池的设计•1、光电转化的效率问题•2、叠层太阳能电池•3、高效三结GaInP/GaAs/Ge太阳能电池的设计1、光电转换的效率问题•1.1光电转化的技术原理光伏效应是现在主要太阳能电池的技术基础。当太阳光照射太阳能电池表面时，一部分光子（能量大于材料禁带宽度）的能量被材料吸收，使内部电子发生了跃迁，成为自由电子，形成的新的空穴-电子对在p-n结内部电势垒的作用下，空穴流向p区，电子流向n区，在P－N结两侧集聚形成了电位差，形成光生伏特效应。接通电路后就形成电流，从而完成光能向电能的转换。针对现在常用的硅、锗材料，存在有两个制约光电转换效率提高的内在因素：（1）材料的光谱特性造成的限制由于材料各自禁带宽度的限制，入射到硅、锗光电池材料表面的太阳光只有一部分能被吸收，进而发生光电转换，并且只有对一种材料对应的峰值波长光子表现出较高的转换效率，这样就制约了太阳能的充分利用和向电能的高效转换。Si光电池对波长在0.4-1.15微米区域中的光子能有效吸收，进行光电转换，并且只在峰值0．8微米左右光电转换率最大；Ge光电池则只能对波长在0.5微米左右很窄范围内的入射光子高效吸收利用。（2）材料内部载流子复合造成的限制受光照的P-N结，所激发出的电子-空穴对有存在结区的，也有在P区、N区的。在结区的电子-空穴对很容易被内建电场分离，从而在势垒两侧形成电荷积累；但是产生于P区或者是N区的电子-空穴对就要通过浓度梯度导致的扩散到达结界面处，之后内建电场才能把它们分开。这就导致产生于P区或者是N区的电子-空穴对只有满足离PN结的距离小于它的扩散长度，才有一定的概率能够扩散到结界面处，对电荷积累有贡献。实际上，对于光电池中普遍使用的硅、锗，由于材料PN结结构以及载流子寿命的原因，导致在材料吸收的有限光子中只有部分能对最终光生电流的产生做出贡献，进一步地阻碍了光电转换效率的提高。2、叠层太阳能电池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。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。3、GaInP/GaAs/Ge三结叠层光电池的设计三种半导体材料的禁带宽度如下所示：材料Eg（eV）a（Å）GaInP2.15.65GaAs1.435.65Ge0.675.65由于光具有波粒二象性，表明光波可以被看做粒子，也就是我们所说的光子。光子能量E=hυ，其中h是布朗克常量，υ是频率；光速c=λυ。光子的波长和能量有如下关系：λ=c/υ=hc/E=1.24/Eμm•目前国际上统一规定地面太阳能电池的标准测试条件是：•光源辐照度为：1000W/㎡；•测试温度：25ºC；•AM1.5地面太阳光谱辐照度分布；•AM0和AM1.5的同样光谱辐照度分布如图2-3所示。下图是几种不同半导体材料的吸收系数与波长的关系•下图为GaInP/GaAs/Ge三结叠层太阳能电池的示意图：其制备工艺是利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)技术制备了GaInP/GaAs/Ge三结叠层光电池(5mm×5mm),生长源主要包括三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)、砷烷和磷烷,生长温度范围为600~700℃.电池结构示意图如图1所示,它是由GaInP,GaAs和Ge三个子电池通过隧道结串联而成。•三结叠层太阳能电池的等效电路如下图所示：三结叠层太阳能电池的短路电流：Jsc=Min（Jsc1、Jsc2、Jsc3）开路电压：Uoc=Uoc1+Uoc2+Uoc3光谱特性的测试偏置光的影响：偏置电压的影响：