器件结构和系统的优化设计
摘要：太阳能光伏技术经过近几十年的发展，已经在新能源领域确立了其重要地位。大力发展太阳能光伏发电已成为人类解决未来能源问题的重要途径。在产业界，当前太阳能技术的重点仍是硅太阳能电池，包括多晶硅和非晶硅薄膜电池等。本文就为大家介绍太阳能电池的器件结构和系统的优化设计。
高效多结太阳能电池技术 器件结构和系统的优化设计
太阳能光伏技术经过近几十年的发展，已经在新能源领域确立了其重要地位。大力发展太阳能光伏发电已成为人类解决未来能源问题的重要途径。在产业界，当前太阳能技术的重点仍是硅太阳能电池，包括多晶硅和非晶硅薄膜电池等。
由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有相对较高的转换效率和相对较低的成本，逐渐成为市场的主导产品。而其它种类的薄膜电池由于技术不是很成熟，似乎很难在短期内替代硅系太阳能电池。目前的硅系太阳能电池最高转换效率只有20%左右，要想再进一步提高已经非常困难。众所周知，提高转换效率和降低成本是太阳能光伏技术中的根本因素。开展高效太阳能电池技术研究，开发新的电池材料、电池结构，也一直是该领域的热点。在这其中，高效多结太阳能电池技术的研究尤为引人注目。
认识高效多结太阳能电池技术
一般所说的高效多结太阳能电池是指针对太阳光谱，在不同的波段选取不同频宽的半导体材料做成多个太阳能子电池，最后将这些子电池串联形成多结太阳能电池。目前研究较多的III-V族材料体系，如InGaP/GaAs/Ge三结电池，所报导的转换效率可达42.8%左右。也有选取II-VI族材料的，但目前还处于研究阶段。本文将主要介绍InGaP/GaAs/Ge等III-V族材料体系。
图1是一个典型的多结太阳能电池示意图。其中顶层的InGaP电池、中层的GaAs电池和底层的Ge电池带隙分别为1.86eV、1.40eV和0.65eV。在顶层和中层相邻两个电池间设有宽带隙的异质结构隧道结，使得入射光能顺利通过顶层电池到达中层的GaAs电池。同时提供高的结间势垒，防止两层中产生的少子扩散。
高效多结太阳能电池技术 器件结构和系统的优化设计
多结太阳能电池经过近十几年的发展，其在太空领域已经被广泛应用，效率纪录也不断被刷新。但由于成本等原因，很难得以大规模地面推广。因此必须尽可能地提高其转换效率，降低成本，才能显出其优势。
目前降低成本主要采用聚光镜技术，将太阳光通过透镜收集起来，大大减小了芯片的面积。日本夏普公司2007年底公布了1000倍聚光、转换效率高达40％的4.5mm2的InGaPAs系多结太阳能电池单元。2008年初，Delaware大学的Allen Barnett的研究团队研制的超高效太阳能电池（VHESC），仅在20个太阳的聚光条件下即可实现42.8%的组合效率。2008年8月，美国能源部可再生能源实验室（NREL）宣布，采用倒置赝形三结结构的太阳能电池在326个太阳的聚光条件下，其光电转化效率可达40.8%，并宣称这是迄今为止光伏技术中被证实的最高效率。随着效率纪录不断被刷新，高效多结太阳能电池的研发也正进一步深入。
太阳能电池新材料的研发现状
为了提高多结太阳能电池的转换效率，研究者们从新材料开发、器件结构乃至整个系统等方面对多结太阳能电池进行了优化。在新材料开发方面，主要有掺氮材料、量子点结构，以及In(Ga)N氮化物材料。
新型材料的研发始终是一个活跃的领域，研究者们首先想到的是掺氮材料。因为从III-V族半导体能带结构和晶格常数关系图中可以看出，对于GaInNAs材料四元材料的晶格和GaAs匹配，频宽为在1.05eV附近，若将其加到GaInP/GaAs/Ge三结结构上，产生的四结电池（1.88/1.42/1.05/0.67eV），其频宽更加接近理想值。在具有相同结数的器件中，效率可达到最大。对于多结太阳能电池来说，它似乎是实现高效率的最理想的方法。但是，复杂的四元材料体系在生长上很难保证材料的品质，更无法保证材料的重复性稳定性等问题。比如少数载流子扩散长度的问题就阻碍了GaInNAs材料的进展。近十年来，GaInNAs在光伏方面的应用正在逐渐减少。
其次，量子点结构也是新材料开发方面的热点。主要理念是将量子点层放在p-n结的耗尽区内，在光生载流子复合之前被集中起来。这其实是一种使用中间带的方法，通过提高量子效率来获得高效率。很容易看出，必须有足够多的高品质量子点作为吸收层才能实现提高效率的目的，这就在量子点材料生长方面提出了很高的要求。例如，日本筑波大学的研究者利用量子点的太阳能电池单元的光电转换效率可达到8.54％。其量子点型太阳能电池是在p-n结之间层叠多个量子点层，在1cm2的GaAs衬底上交替叠加了30层GaNAs和30层InAs的超晶格结构（见图2）。在GaNAs上生长InAs时，自组织生成高为3～4nm、直径为20～30nm的量子点。同时，超晶格结构导致量子点之间产生结合后，在传导带上形成微带，使各种波长的光吸收成为可能。多个早期研究量子点的研究组目前正对量子点在太阳能电池中的应用进行深入研究，如英国格拉斯哥大学、日本东京大学等。量子点型太阳能电池的理论转换效率可达60％以上，是颇受瞩目的高效太阳能电池的候选者之一。
高效多结太阳能电池技术 器件结构和系统的优化设计
InN和InGaN的全氮化物太阳能电池是一种非常吸引人的高效电池，理论上它可以连续复盖0.7到2.4eV光谱。南京大学的研究者们通过计算得出，在理想情况下，InGaN材料应用于单结、双结和三结太阳电池时，其转换效率可分别高达27.3%、36.6%和41.3%。但是，氮化物本身也存在很多问题，如衬底材料选择、材料品质控制、p型材料的掺杂、隧道二极管的问题等，因此目前的研究还处于开发基础材料和器件的阶段。
器件结构和系统的优化设计
器件结构和系统的优化设计也是提高多结太阳能电池效率的重要方法。器件结构及系统改进方面主要包括赝形层结构、机械叠加结结构等等。
赝形层结构是指在已有的GaInP/GaAs/Ge三结电池上增加一个晶格失配层（赝形层），其实这是结合材料生长与器件结构优化的一种方法。
一般多结电池的外延层是晶格失配生长，会产生很多位错，减少了少子扩散长度，降低了器件性能。在赝形层结构多结太阳能电池中，使用组分渐变方法在GaInP/GaAs双结上生长InGaAs结，使得所有位错都局限在低频宽的InGaAs结中。其实赝形层方法在GaAs基HEMT的开发中广泛应用，近几年在GaAs基长波长雷射器中也有应用。值得一提的是，倒置的赝形层多结太阳能电池结构（IMM）是EMCORE公司的专利技术（见图3），它采用倒置的方法生长和Ge或GaAs衬底匹配的GaInP和GaAs结，InGaP首先被淀积在基于Ge衬底的子电池上面。这种设计保持了GaInP/GaAs结的品质，它对整个器件总的发电能力具有决定性的作用。倒置赝性三结结构据称可与多项其它工艺相容，如柔性衬底。因为Ge衬底能够被去除，从而器件可以安装在如聚醯亚胺胶带等柔性衬底上。
高效多结太阳能电池技术 器件结构和系统的优化设计
机械叠加多芯片结一般是指，将生长在不同衬底上不同频宽的电池压焊到一起而形成所谓的多芯片结。如将Ge或GaAs衬底上的频宽较宽的GaInP/GaAs多结结构电池压焊到InP衬底上的频宽较窄的GaInAsP/GaInAs（1.05/0.75eV）串联结构电池之上。也可采用光电互连以及机械叠加相结合的方法，如Delaware大学的Allen Barnett的研究团队研制的超高效太阳能电池（VHESC），组合效率在20个太阳聚光条件下可达42.8%。这种超高效太阳能电池采用全新的横向光学聚焦系统，使入射光的不同光谱波段被光学地分离和定向，然后被不同频宽的太阳能电池所吸收（见图4）。这种光学聚焦系统具有较宽的接收角度，从而不需要复杂的定位跟踪系统。但是我们可以看出，机械叠加类型的结构设计在生长工艺需要多种衬底，工艺中需要衬底的剥离，在外延层上压焊芯片等，成本较高和而且器件品质很难保证。
高效多结太阳能电池技术 器件结构和系统的优化设计
发展前景广阔
高效多结太阳能电池技术的研究一直是太阳能光伏技术中的热点之一，国外多家研究机构、公司等投入了大量的人力物力。我国在这方面的研究起步也较早，如电子18所、航太811所、中科院半导体所等等。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。但我们可以看出，相比国外来说，转换效率相对较低，并且器件指标还有一定差距。总之，从新材料开发、器件结构乃至整个系统设计方面，在高效多结太阳能电池方面还有很多工作值得进一步深入研究。