光伏物理與光伏材料課件-第四章 高效III-V族化合物太陽能電池

1、光伏物理與光伏材料光伏物理與光伏材料 山東大學(xué)光學(xué)高等研究中心山東大學(xué)光學(xué)高等研究中心李永富李永富2014.4.10第四章第四章 高效高效III-V族化合物太陽能電池族化合物太陽能電池光伏的能源應(yīng)用光伏的能源應(yīng)用 課號課序號課號課序號 0123312910-100III-V族材料的特性族材料的特性1III-V族材料的生長技術(shù)族材料的生長技術(shù)2III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3III-V族太陽能電池研究熱點族太陽能電池研究熱點4III-V族太陽能電池設(shè)計考慮因素族太陽能電池設(shè)計考慮因素5III-V族材料的特性族材料的特性1III-V族材料的特性族材料的特性1III-V族化合

2、物包括族化合物包括 磷化鋁(AlP) 砷化鋁(AlAs) 銻化鋁(AlSb) 磷化鎵(GaP) 砷化鎵(GaAs) 銻化鎵(GaSb) 氮化銦(InN) 砷化銦(InAs)等化合物及化合物組合(固溶體化合物)III-V族化合物優(yōu)點族化合物優(yōu)點n 硅為間接帶隙半導(dǎo)體，幾乎所有的-V族化合物為直接帶隙半導(dǎo)體，這兩者的差別在于，當(dāng)電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶時，除了能量的改變之外，具有間接帶隙的硅會同時發(fā)生晶體動量的改變，但具有直接帶隙的-V族化合物不會發(fā)生晶體動量的改變，這使得-V族化合物在許多微電子的應(yīng)用上比硅具有更佳的特性。III-V族材料的特性族材料的特性1III-V族化合物優(yōu)點族化合物優(yōu)點n II

3、I-V族化合物的帶隙寬，而且使用三元或四元的混合III-V族化合物（如InGaP、AlGaAs、GaInNAs、GaNAs等）更能使帶隙的設(shè)計的變化更大n 一些常見半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)與帶隙，在不同材料之間的連接線，表示結(jié)合不同比例的這兩種材料所形成的三元或四元化合物的帶隙大小。III-V族材料的特性族材料的特性1III-V族化合物與族化合物與Si相比的優(yōu)點相比的優(yōu)點n 太陽電池的理論轉(zhuǎn)換效率與半導(dǎo)體的能隙大小有關(guān)，一般最佳的太陽電池測量的能隙為1.41.5eV之間，所以能隙為1.43eV的GaAs及1.35eV的InP會比1.1eV的硅更適合用在高效率的太陽電池上，n 利用各種-V族化合物所

4、形成的多結(jié)太陽電池可增加被吸收波長的范圍，更可達(dá)到高效率化的目的。III-V族材料的特性族材料的特性1III-V族化合物與族化合物與Si相比的優(yōu)點相比的優(yōu)點n 硅是間接帶隙材料，對于光的吸收系數(shù)較小，一般需要采用200um以上的厚度，才能吸收到足夠的太陽光，而-V族化合物多為直接帶隙材料，對于光的吸收較強(qiáng)，僅需要數(shù)微米的厚度，就能吸收到足夠的太陽光。只要使用薄膜的III-V族化合物，就可達(dá)到很高的效率。III-V族材料的特性族材料的特性1III-V族化合物與族化合物與Si相比的優(yōu)點相比的優(yōu)點n GaAs太陽電池的溫度系數(shù)較小，能在較高的溫度下正常工作。 GaAs電池效率的溫度系數(shù)約為-0.23

5、%/，而Si電池效率的溫度系數(shù)約為-0.48%/。 溫度升高到200，GaAs，電池效率下降近50%，而硅電池效率下降近75%。III-V族材料的特性族材料的特性1)(pnLSCLLAqGII)exp(0 xNG00ln1lnIIqnkTIIqnkTVLLocpnpnpnLpDLnDqAI000III-V族化合物與族化合物與Si相比的優(yōu)點相比的優(yōu)點n GaAs基系太陽電池具有較強(qiáng)的抗輻照性能。 輻照實驗結(jié)果表明，經(jīng)過1Mev高能電子輻照，即使其劑量達(dá)到11015cm-2之后，GaAs基系太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率仍能保持原值的75%以上，而先進(jìn)的高效空間Si太陽電池在經(jīng)受同樣輻照的條件下，其轉(zhuǎn)換效

6、率只能保持其原值的66%。 以低地球軌道的商業(yè)衛(wèi)星為例，對于初期效率分別為18%和13.8%的GaAs電池和Si電池，初始兩效率之比為1:1.3。經(jīng)低地球軌道運行的質(zhì)子輻照后，其終期效率(EOL效率)將分別下降為14.9%和10.0%，此時GaAs電池的效率為Si電池的1.5倍。n 可制成效率更高的多結(jié)疊層太陽電池 隨著外延技術(shù)的日益完善，族三元、四元化合物半導(dǎo)體材料（GaInP、AlGaInP、GaInAs）的生長技術(shù)取得重大突破，為多結(jié)疊層太陽電池研制提供了多種可供選擇的材料。III-V族材料的特性族材料的特性1III-V族化合物與族化合物與Si相比的優(yōu)點相比的優(yōu)點n 各種太陽能電池抗輻照

7、特性III-V族材料的特性族材料的特性1III-V族太陽電池也有其固有的缺點，主要有以下幾方面:n GaAs材料的密度較大(5.32g/cm3)，為Si材料密度(2.33g/cm3)的兩倍多;n GaAs材料的機(jī)械強(qiáng)度較弱(易解理)，易碎;n GaAs材料價格昂貴，約為Si材料價格的10倍；n InP基系太陽電池的抗輻照性能比GaAs基系太陽電池還好，但轉(zhuǎn)換效率略低，而且InP材料的價格比GaAS材料更貴；n 材料表面易氧化而形成復(fù)合中心，鈍化困難；n 材料生長對設(shè)備要求高，制作成本高。III-V族化合物材料的缺點族化合物材料的缺點多應(yīng)用于空間領(lǐng)域III-V族材料的特性族材料的特性1III-V

8、族材料的生長技術(shù)族材料的生長技術(shù)2III-V族材料的生長技術(shù)族材料的生長技術(shù)2III-V化合物的薄膜生長技術(shù)化合物的薄膜生長技術(shù)n III-V族化合物的薄膜生長技術(shù)，主要是利用外延生長法，又可細(xì)分為液相外延、有機(jī)金屬化學(xué)氣相淀積法、分子束外延等n 所謂的外延是指在一晶體上有次序的生長另一層晶體n 如果襯底與所長的外延層材料相同的話，就叫做同質(zhì)外延同質(zhì)外延，如果襯底與所長的外延層材料不相同的話，就叫做異質(zhì)外延異質(zhì)外延n 使用不同的襯底材料會影響所生長的-V族化合物薄膜的電學(xué)及光學(xué)性能。 在生長這些薄膜時要注意的是晶格常數(shù)的匹配性，如果襯底與薄膜的晶格常數(shù)的差異過大的話，會導(dǎo)致過大的應(yīng)力和晶格缺陷

9、。例如Ge、GaAs、AlAs三者間的晶格常數(shù)就很接近n 當(dāng)襯底與所要長的薄膜的晶格常數(shù)差異太大時，可以慢慢調(diào)節(jié)變化-V族化合物中元素組成比例，來逐步改變晶格常數(shù)http:/ III-V化合物的薄膜生長技術(shù)化合物的薄膜生長技術(shù)n 液相外延法液相外延法是由液態(tài)物質(zhì)來長出外延層。n 在生長GaAs的外延過程，它可借由添加雜質(zhì)來降低液態(tài)物質(zhì)的熔點（例如GaAs+As的熔點比純GaAs來得低），因此液態(tài)物質(zhì)可以保持在比較低的溫度，而不會去把GaAs的襯底熔化掉。n 慢慢降低溶液的溫度，使得化合物因過飽和而在GaAs襯底上析出。n 因為溶液中的雜質(zhì)濃度會隨著晶體的生長而遞增，因此溶液的熔點會遞減，所以L

10、PE的溫度也要不斷調(diào)降，以維持外延的生長。III-V族材料的生長技術(shù)族材料的生長技術(shù)2III-V化合物的薄膜生長技術(shù)化合物的薄膜生長技術(shù)n MOCVD為有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積外延技術(shù)，它是在低壓下（約60torr）利用有機(jī)金屬，例如三甲基鎵（TMGa）、三甲基鋁（TMAl）等，與特殊氣體，例如砷化氫（AsH3）、磷化氫（PH3）等，在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，并使反應(yīng)物沉積在被加熱到600800的晶片上，而得到外延片的生產(chǎn)技術(shù)。III-V族材料的生長技術(shù)族材料的生長技術(shù)2III-V化合物的薄膜生長技術(shù)化合物的薄膜生長技術(shù)n III-V族有機(jī)金屬的來源可為液態(tài)(如TMGa、TMAl)或固態(tài)(如TMIn

11、)，它一般儲存在氣泡室內(nèi)，并借由傳輸氣體(如H2)將之帶入反應(yīng)室中，利用改變氣泡室的溫度，可以控制有機(jī)金屬材料的的氣相分壓。n 摻雜物可使用有機(jī)金屬來源，例如二甲基鋅(DMZn)、二硅乙烷(Si2H6)、DEBe、TESn、CCl4等。n 襯底置于一石墨制成的基座上，并以RF線圈或熱電阻絲等加熱之，使得有機(jī)金屬分子進(jìn)行擴(kuò)散、熱解等化學(xué)反應(yīng)，熱解后的離子團(tuán)則于襯底表面進(jìn)行生長n 薄膜的生長速率主要是由反應(yīng)氣體流量來控制。n MOCVD的化學(xué)反應(yīng)式可由下式表示：III-V族材料的生長技術(shù)族材料的生長技術(shù)243333)(CHGaAsAsHCHGaIII-V化合物的薄膜生長技術(shù)化合物的薄膜生長技術(shù)II

12、I-V族材料的生長技術(shù)族材料的生長技術(shù)2III-V化合物的薄膜生長技術(shù)化合物的薄膜生長技術(shù)n 分子束外延技術(shù)分子束外延技術(shù)(MBE)，是在超高真空狀態(tài)下（10-10torr），讓熱原子或熱分子束自原料中分離出來，然后在基板表面進(jìn)行反應(yīng)，而沉積產(chǎn)生外延薄膜的一種技術(shù)。n 由于使用高真空及十分潔凈的設(shè)備，因此可以用來產(chǎn)生高純度的外延層。III-V族材料的生長技術(shù)族材料的生長技術(shù)2III-V化合物的薄膜生長技術(shù)化合物的薄膜生長技術(shù)III-V族材料的生長技術(shù)族材料的生長技術(shù)2MBE技術(shù)的特點:n 生長溫度低，生長速度慢，可生長出極薄的單晶層，甚至可以實現(xiàn)單原子層生長;n MBE技術(shù)很容易在異質(zhì)襯底上生

13、長外延層，實現(xiàn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長;n MBE技術(shù)可嚴(yán)格控制外延層的層厚，組分和摻雜濃度;n MBE生長出的外延片的表面形貌好，平整光潔。http:/ III-V化合物的薄膜生長技術(shù)化合物的薄膜生長技術(shù)III-V族材料的生長技術(shù)族材料的生長技術(shù)2液相外延液相外延(LPE)有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)分子束外延分子束外延(MBE)量產(chǎn)能力量產(chǎn)能力高中低外延速度外延速度高中中低薄層薄膜外延薄層薄膜外延困難容易容易外延層平整度外延層平整度差好好外延層純度外延層純度高高高III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3

14、GaAs基單結(jié)太陽能電池基單結(jié)太陽能電池GaAs/GaAs同質(zhì)結(jié)太陽電池同質(zhì)結(jié)太陽電池n GaAs太陽電池的研究始于20世紀(jì)60年代。但初期研究并不順利。 GaAs體單晶材料的質(zhì)量遠(yuǎn)比Si體單晶材料的質(zhì)量差。GaAs是二元化合物，它的問題比單質(zhì)Si材料的問題復(fù)雜得多，因而GaAs體單晶材料無論是純度還是完整性都遠(yuǎn)不如Si體單晶材料好。用簡單的擴(kuò)散技術(shù)制成的GaAs的p/n結(jié)性能很差，不能滿足器件的要求。 在研究初期，人們普遍采用液相外延(LPE)技術(shù)來研制GaAs太陽電池。襯底采用GaAs單晶片，生長出的電池為GaAs/GaAs同質(zhì)結(jié)太陽電池。III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展

15、歷程3GaAs基單結(jié)太陽能電池基單結(jié)太陽能電池LPE技術(shù)研制GaAs太陽電池時的主要問題：GaAs材料的表面復(fù)合速率高n GaAs是直接帶隙材料，對短波長光子的吸收系數(shù)高達(dá)105cm-1以上，高能量光子的吸收集中在表面，但許多光生載流子被表面復(fù)合中心復(fù)合，不能被收集成為太陽電池的電流。高的表面復(fù)合速率會大大降低GaAs太陽電池的短路電流Isc。n GaAs沒有像SiO2/Si那樣好的表面鈍化層，不能用簡單的鈍化技術(shù)來降低GaAs表面復(fù)合速率。n 在GaAs太陽電池研究的初期，電池效率長時間未能超過10%。直到1973年，Hovel等提出在GaAS表面生長一薄層AlxGa1-x As窗口層后，這

16、一困難才得以克服。當(dāng)x=0.8時，AlxGa1-xAs是間接帶隙材料，Eg=2.1ev。對光的吸收很弱，大部分光將透過AlxGa1-x As層進(jìn)入到GaAs層中，AlxGa1-xAs層起到了窗口層的作用。III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3GaAs基單結(jié)太陽能電池基單結(jié)太陽能電池 1995年，西班牙Cuidad大學(xué)研制的LPE GaAs太陽電池，在AM1.5，600倍聚光條件下，效率高達(dá)25.8%。III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3GaAs基單結(jié)太陽能電池基單結(jié)太陽能電池n LPE-GaAs太陽電池在空間能源領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。 蘇聯(lián)于1986年發(fā)射

17、的和平號軌道空間站，上面裝備了10kW的AlxGa1-x As/GaAs異質(zhì)界面太陽電池，單位面積比功率達(dá)到180w/m2。這些GaAs太陽電池便是用LPE技術(shù)生產(chǎn)的。 據(jù)1994年IEEE光伏會上報道，這些GaAs太陽電池陣列在空間運行8年后輸出功率總衰退不超過15%。n 我國首次GaAs 電池試驗是在1988年9月，當(dāng)時發(fā)射的FY21A 衛(wèi)星的太陽方陣帆板上使用了20mm20mm 0.3mm 單結(jié)GaAs 電池。 2001 年1 月發(fā)射的“神舟3號”飛船和2002 年5 月發(fā)射的“海洋21”衛(wèi)星上，應(yīng)用單結(jié)GaAs/ GaAs 電池。III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3

18、GaAs基單結(jié)太陽能電池基單結(jié)太陽能電池GaAs/Ge異質(zhì)結(jié)太陽電池異質(zhì)結(jié)太陽電池n 用LPE技術(shù)和MOCVD技術(shù)在GaAs襯底上生長的GaAs/GaAs同質(zhì)結(jié)太陽電池獲得了大于20%的高效率。但GaAs材料存在密度大、機(jī)械強(qiáng)度差、價格貴等缺點，使GaAs太陽電池的空間應(yīng)用受到限制。n Ge的晶格常數(shù)(5.646埃)與GaAs的晶格常數(shù)(5.653埃)相近；熱膨脹系數(shù)兩者也比較接近；所以容易在Ge襯底上實現(xiàn)GaAs 單晶外延生長。Ge襯底比GaAs襯底便宜，而且機(jī)械強(qiáng)度高，不易破碎，提高了電池的成品率。n 近年來，隨著多結(jié)疊層電池研究的進(jìn)展，Si襯底上生長GaAs外延層的研究開始出現(xiàn)。III-

19、V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3GaAs基單結(jié)太陽能電池基單結(jié)太陽能電池n 采用LPE技術(shù)實現(xiàn)GaAs/Ge異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長存在困難，而用MOCVD技術(shù)和MBE技術(shù)則容易實現(xiàn)GaAs/Ge異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長。III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3GaAs基單結(jié)太陽能電池基單結(jié)太陽能電池GaAs/Ge電池在空間中已獲得日益廣泛的應(yīng)用n 德國的TEMPO數(shù)字通信衛(wèi)星，采用80000片GaAs/Ge電池(4343)mm2/片)組成三塊太陽電池陣列，電池效率為18.3%。n 美國的兩次火星探測發(fā)射?！盎鹦堑乇硖綔y者”(MGS)兩翼共有四塊太陽電池陣列，其中，兩塊用GaAs/

20、Ge電池組成，兩塊用高效Si電池組成。每塊太陽電池陣列面積為 (1.851.7)m2。電池效率18.8%，Si電池效率15%。 “火星探路者”1996年在火星上登陸，它的供電系統(tǒng)由三塊GaAs/Ge電池陣列與可充電銀/鋅電池組成，超過了預(yù)期工作壽命(30天)。由于火星灰塵在電池表面的積累，使電池效率每天下降0.28% 。III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3GaAs基多結(jié)疊層太陽能電池基多結(jié)疊層太陽能電池n 太陽光譜的能量范圍很寬，分布在0.4-4eV，而材料的禁帶寬度為固定值Eg 能量小于Eg的光子無法被吸收； 能量大于Eg的光子被太陽電池吸收，激發(fā)出高能光生載流子，但高能

21、光生載流子會很快弛豫到能帶邊，將能量大于Eg的部分傳遞給晶格，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芾速M掉 單結(jié)太陽電池效率的提高受到限制 解決途徑：能充分吸收太陽光譜的電池結(jié)構(gòu)-疊層電池。III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3GaAs基多結(jié)疊層太陽能電池基多結(jié)疊層太陽能電池n 疊層電池的原理疊層電池的原理 用具有不同帶隙Eg的材料作成多個子太陽電池，然后按Eg的大小從寬至窄順序疊起來，組成一個串接式多結(jié)太陽電池，每個子電池吸收和轉(zhuǎn)換太陽光譜中不同波段的光，疊層電池對太陽光譜的吸收和轉(zhuǎn)換等于各個子電池的吸收和轉(zhuǎn)換的總和。III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3GaAs基多結(jié)疊層太陽能電池

22、基多結(jié)疊層太陽能電池III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3GaAs基多結(jié)疊層太陽能電池基多結(jié)疊層太陽能電池n 疊層電池的原理疊層電池的原理 三端器件和四端器件對子電池的電流和電壓沒有限制，計算疊層電池的效率時，先分別計算兩個子電池的效率，然后把兩個效率相加。 兩端器件中的兩個子電池屬于串聯(lián)連接，對其有許多限制。首先要求兩個子電池的極性相同，即都是p/n結(jié)構(gòu)或都是n/p結(jié)構(gòu)；此外，要求兩個子電池的短路電流盡可能接近，這樣整個疊層電池才能獲得最大的短路電流，否則，短路電流幾將受子電池中最小的短路電流的限制，這就將影響疊層電池效率的提高。III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池

23、的發(fā)展歷程3GaAs基多結(jié)疊層太陽能電池基多結(jié)疊層太陽能電池n AlGaAs/GaAs疊層電池疊層電池 1987年，日本NTT電子通訊實驗室采用MBE技術(shù)成功研制隧道結(jié)隧道結(jié)Al0.4Ga0.6As /GaAs疊層電池，效率達(dá)到了20%。 1988年，B.Chung等用MOCVD技術(shù)生長了AlGaAs/GaAs雙結(jié)疊層電池，其AM0和AM1.5效率分別達(dá)到22.3%和23.9%，電池面積為0.5cm2。未能實現(xiàn)隧道結(jié)連接，而是采用了復(fù)雜的電極制作工藝而是采用了復(fù)雜的電極制作工藝。正由于這些困難的存在，以后長期沒有人在這個方向取得新的進(jìn)展。 2001年，日本NTT電子通訊實驗室采用MOCVD技術(shù)

24、，采用pp-n-n結(jié)構(gòu)的Al0.36Ga0.64As頂電池，和n+-Al0.15Ga0.85As/p+-GaAs隧道結(jié)隧道結(jié)連接頂電池和pn結(jié)構(gòu)的GaAs底電池，研制出了效率達(dá)到27.6%的疊層電池。III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3GaAs基多結(jié)疊層太陽能電池基多結(jié)疊層太陽能電池n AlGaAs/GaAs疊層電池疊層電池III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3GaAs基多結(jié)疊層太陽能電池基多結(jié)疊層太陽能電池n AlGaAs/GaAs疊層電池疊層電池 2005年Ken Takahashi等在AlxGa1-xAs頂電池的生長過程中采用Se代替代替Si作為作為

25、n型摻型摻雜劑，提高雜劑，提高AlxGa1-xAs層的少子壽命層的少子壽命。提高了AlxGa1-xAs頂電池的短路電流密度Jsc； 采用GaAs隧道結(jié)隧道結(jié)連接頂電池和底電池，用C代替Zn作為p型摻雜劑摻雜劑，減少了隧道結(jié)內(nèi)部P型雜質(zhì)的擴(kuò)散，提高了隧道結(jié)的峰值電流密度，減小了隧道結(jié)的電學(xué)損失。 Ken Takahashi等研制的AlxGa1-xAs/GaAs疊層電池的效率提高到28.85%(AM1.5，25)，這是迄今為止AlGaAs/GaAs疊層電池的最高效率。III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3GaAs基多結(jié)疊層太陽能電池基多結(jié)疊層太陽能電池n GaInP/GaAs疊層

26、電池疊層電池 美國國家可再生能源實驗室(NREL)的J.M.Olson等在20世紀(jì)80年代末提出了Ga1-xInxP/GaAs疊層電池結(jié)構(gòu)。 Ga0.5In0.5P是另一種寬帶隙的與GaAs材料晶格匹配的材料。根據(jù)光致發(fā)光衰減時間常數(shù)推算，與Al0.4Ga0.6As/GaAs和Al0.5Ga0.5As/GaAs相比，Ga0.5In0.5P/GaAs界面的復(fù)合速率低，約為1.5cm/s；而Al0.4Ga0.6As/GaAs和Al0.5Ga0.5As/GaAs的界面復(fù)合速率分別為200cm/s和900 cm/s。 Ga0.5In0.5P/GaAs界面質(zhì)量界面質(zhì)量最好。1994年，效率29.5%(A

27、M1.5，25)III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3GaAs基多結(jié)疊層太陽能電池基多結(jié)疊層太陽能電池n GaInP/GaAs疊層電池疊層電池 1997年日本能源公司的T.Takamot等在p+GaAs襯底上研制了大面積(4cm2) InGaP/GaAs雙結(jié)疊層電池。同Olson等的電池結(jié)構(gòu)相比較，主要的改進(jìn)點： 用用InGaP隧道結(jié)取代隧道結(jié)取代GaAs隧道結(jié)隧道結(jié)； 隧道結(jié)處于在高摻雜的高摻雜的AlInP層層之間，對下電池起窗口層窗口層作用，對上電池起背場作用背場作用。 提高了開路電壓和短路電流； 效率達(dá)到30.28%(AM1.5，25)III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族

28、太陽能電池的發(fā)展歷程3GaAs基多結(jié)疊層太陽能電池基多結(jié)疊層太陽能電池n GaInP/GaAs/Ge三結(jié)疊層電池的發(fā)展三結(jié)疊層電池的發(fā)展 GalnP/GaAs疊層太陽電池領(lǐng)域所獲得的重大成果吸引了空間科學(xué)部門和產(chǎn)業(yè)界的注意力。 美國能源部光伏中心在1995年9月提出了發(fā)展GaInP/GaAs/Ge太陽電池的產(chǎn)業(yè)計劃： 到1997年底試生產(chǎn)出16000cm2的GaInP/GaAs/Ge疊層電池組件； 電池的批量平均效率為24%(AM0,1個太陽光強(qiáng))，單塊電池面積16cm2，電池厚度140m;電池的抗輻照性能與單結(jié)GaAs/Ge電池相當(dāng)，即經(jīng)過1 Mev劑量為11015/cm2的電子輻照后，其轉(zhuǎn)

29、換效率仍保持原值的75%以上； 而疊層電池的生產(chǎn)成本不超過單結(jié)GaAs/Ge電池生產(chǎn)成本的15%。III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3GaAs基多結(jié)疊層太陽能電池基多結(jié)疊層太陽能電池n GaInP/GaAs/Ge三結(jié)疊層電池的發(fā)展三結(jié)疊層電池的發(fā)展 太陽能產(chǎn)業(yè)計劃，主要由TECSTAR和Spectrolab兩家公司承擔(dān) 前者主要采用pn/pn/n(Ge)雙結(jié)疊層電池結(jié)構(gòu)，Ge為無源襯底 后者采用np/np/np(Ge)三結(jié)疊層電池結(jié)構(gòu)，Ge襯底中包含第三個有源np結(jié) 小批量試生產(chǎn)的結(jié)果： TECSTAR生產(chǎn)的雙結(jié)疊層電池的批量平均效率為22.4%，最高效率為24.1%; 而

30、Spectrolab試生產(chǎn)的三結(jié)疊層電池的批量平均效率為24.2%，最高效率為25.5%。 Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge疊層電池的抗輻照性能和溫度系數(shù)均與GaAs/Ge電池相當(dāng)或略優(yōu)于后者。 III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3GaAs基多結(jié)疊層太陽能電池基多結(jié)疊層太陽能電池n GaInP/GaAs/Ge三結(jié)疊層電池的發(fā)展三結(jié)疊層電池的發(fā)展 1998年，美國Spectrolab公司和日本JE公司研制的GaInP/InGaAs/Ge三結(jié)疊層電池AM1.5效率達(dá)到31.5%。 在GaAs中引入1%的In后。使其晶格與Ge襯底更好地匹配。 2002年，美國Spectro

31、lab公司利用無序GaInP提高頂電池帶隙至1.89ev，將GaInP/InGaAs/Ge結(jié)疊層電池AM1.5效率提高到32%。近年來InGaP/InGaAs/Ge三結(jié)疊層電池的研究和生產(chǎn)進(jìn)展公司最高效率產(chǎn)品平均效率AM0AM1.5AM0SPL(美國)32%(4cm2)30.5%(4cm2)28.1%(26.4cm2)Emcore(美國)29%(27.5cm2)27.6%(27.5cm2)RWE, FH-ISE(德國)28.6%(30.2cm2)27.8%(30.2cm2)Sharp(日本)31.5%(1cm2)29.2%(1cm2)28.9%(27.5cm2)III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程

32、族太陽能電池的發(fā)展歷程3GaAs基多結(jié)疊層太陽能電池基多結(jié)疊層太陽能電池n GaAs/GaSb機(jī)械疊層電池機(jī)械疊層電池 由GaAs電池和GaSb電池用機(jī)械方法相疊合而成。 GaAs頂電池和GaSb底電池在光學(xué)上是串聯(lián)的，而在電學(xué)上相互獨立，用外電路串并聯(lián)實現(xiàn)子電池的電壓匹配。 這類電池是四端器件。它們對于子電池的極性不要求相同，也不要求子電池材料的晶格常數(shù)匹配。 疊層電池的效率簡單地等于GaAs頂電池的效率和GaSb底電池的效率之和，因而容易獲得高效率。 1990年，L.M.Fraas等研制的GaAs/Gasb機(jī)械疊層電池的效率已達(dá)到31%(AM0，100倍太陽光強(qiáng))，是當(dāng)時太陽電池效率的世界

33、記錄。2005年，L.M.Fraas等把單體結(jié)構(gòu)的GaInP/GaAs兩結(jié)疊層電池與GaSb電池組成三結(jié)機(jī)械疊層電池，獲得了34%(AM0，15倍太陽光強(qiáng))的高效率。III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3n GaAs/GaSb機(jī)械疊層電池機(jī)械疊層電池GaAs基多結(jié)疊層太陽能電池基多結(jié)疊層太陽能電池機(jī)械疊層電池的器件工藝復(fù)雜: 頂電池的下電極需做成梳狀電極，而且必須與底電池的上電極的圖形相同，并嚴(yán)格對準(zhǔn)，才能讓未被頂電池吸收的紅外光透過頂電池，進(jìn)入底電池。 在實際應(yīng)用時，需通過復(fù)雜的電路進(jìn)行串并聯(lián)，實現(xiàn)電壓匹配。機(jī)械疊層電池存在的缺點使它們不太適宜于空間應(yīng)用。III-V族太陽能

34、電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3III-V族聚光太陽能電池族聚光太陽能電池 太陽能具有分散性，在地面單位面積上可接收到的太陽能密度不是很大。AM1.5條件下，每平方米地面接收到的最大的太陽能量為1000W/m2。實際上在最好的天氣條件下，地面上每平方米面積上接收到的太陽能只有約850W/m2。太陽能的這一特點為太陽電池的大規(guī)模應(yīng)用造成了困難。解決這一困難的一個途經(jīng)是采用聚光太陽電池。 聚光太陽電池的原理：用凸透鏡或拋物面鏡把太陽光的光強(qiáng)聚焦到幾倍，甚至上千倍太陽光強(qiáng)，然后投射到太陽電池上。太陽電池接受能量增加產(chǎn)生的電功率亦會相應(yīng)增加。)(pnLSCLLAqGII)exp(0 xNG00l

35、n1lnIIqnkTIIqnkTVLLocpnpnpnLpDLnDqAI000III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3III-V族聚光太陽能電池族聚光太陽能電池III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3III-V族聚光太陽能電池族聚光太陽能電池III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3III-V族聚光太陽能電池族聚光太陽能電池 與普通平板型太陽電池相比較而言，它的優(yōu)勢是在產(chǎn)出相同電能情況下，聚光太陽電池所需要的半導(dǎo)體材料大大減少，太陽電池的成本大大降低；雖然增加了聚光系統(tǒng)，但采用成熟的費涅爾透鏡聚光系統(tǒng)或拋物面鏡聚光系統(tǒng)，還是比較低的，綜合比較，聚光

36、太陽電池系統(tǒng)的成本比普通平板型太陽電池系統(tǒng)的成本在一定條件下要降低許多。III-V族化合物太陽電池比Si太限電池耐高溫，因而更適合于做成聚光太陽電池。III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3薄膜型薄膜型III-V族太陽能電池族太陽能電池 GaAs為代表的III-V族太陽電池共同的缺點：即材料密度大，功率質(zhì)量比低 GaAs太陽電池的功率質(zhì)量比大于300W/kg 柔性襯底a-Si的功率質(zhì)量比可高于1000W/kg 采用剝離技術(shù)制備薄膜型(超薄型)GaAs太陽電池：在太陽電池制備完成后，正面粘貼到玻璃或塑料膜上，采用選擇腐蝕方法把GaAs襯底剝離掉，只將約3m厚的電池有源層轉(zhuǎn)移到金屬

37、膜上。即可獲得柔性薄膜型(超薄型)GaAs太陽電池。 2005年10月，上海PVSEC-15(第15屆國際光伏科學(xué)與工程會議)會議上。Sharp公司展出了他們研制的效率高達(dá)28. 5%(AM1.5)的柔性薄膜型(超薄型)GaInP/GaAs兩結(jié)疊層電池，其功率質(zhì)量比為2631W/Kg。這是迄今為止獲得的最高功率質(zhì)量比。 III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3薄膜型薄膜型III-V族太陽能電池族太陽能電池 2006年，美國NREL的M.Wanlass等在GaAs襯底上用反向生長和剝離技術(shù)研制出了超薄型的GaInP/GaAs/GaInAs三結(jié)疊層電池。其中，上、中、下三個子電池的

38、帶隙寬度近似于理想值，分別為1.9ev, 1.4ev和1.0ev。在AMI.5光譜，10.1倍太陽光強(qiáng)下，該電池獲得了37.9%的高效率。1955年，Jackson 提出多結(jié)光電池概念1987年，C.Amano等分子束外延(MBE)技術(shù)研制出效率疊層電池Al0.4Ga0.6As/GaAs，效率20.2%1988年，B.Chung等用化學(xué)氣相外延(MOCVD)技術(shù)生長了Al0.4Ga0.6As/GaAs雙結(jié)電池，效率23.9%1990年，J.M.Olson等p型GaAs襯底，Ga0.5In0.5P/GaAs雙結(jié)電池，效率27.3%1994年，J.M.Olson等柵線改進(jìn)型Ga0.5In0.5P/

39、GaAs雙結(jié)電池，效率29.5%1997年，Japan Energy Corporation和Sumitomo Electric Industrial Corporation采用GaInP隧道結(jié)構(gòu)， GaInP/GaAs/Ge雙結(jié)光電池效率提高至30.28%1998年， GaInP/GaAs/Ge三結(jié)級聯(lián)光電池，效率33.3%2001年，美國Spectrolab公司三結(jié)疊層太陽能電池Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge，AM0及47倍聚光條件下，效率32.3%2005年5月，美國可再生能源實驗室(NREL)，多結(jié)光電池，10倍聚光條件下效率37.9%，2005年6月，美國Spectrolab

40、公司多結(jié)光電池，236倍聚光條件下，效率39%2007年5月，美國Spectrolab公司GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)光電池，240倍聚光條件下，效率40.7%III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程32008年， NREL， GaInP/GaAs/InGaAs三結(jié)光電池，326倍聚光條件下，效率40.8%2009年，日本Sharp公司，非聚光三結(jié)光電池，效率35.8%2009年，德國 Fraunhofer ISE太陽能，In0.65Ga0.35P/In0.17Ga0.83As/Ge三結(jié)光電池，454倍聚光條件下，效率41.1%2009年，美國Spectrolab公司晶格匹

41、配InGaP/InGaAs/Ge三結(jié)疊層太陽能電池，效率41.6%2010年，美國Spire集團(tuán)公司，三結(jié)GaAs太陽能電池，406倍聚光條件下，效率42.3%2011年11月，日本Sharp公司，非聚光三結(jié)光電池，效率36.9%2012年6月，日本Sharp公司，三結(jié)太陽能電池在306倍聚光條件下效率達(dá)到43.5% 2013年9月，德國Fraunhofer ISE太陽能系統(tǒng)研究所、Soitec、Helmholtz Center Berlin、以及CEA-Leti實驗室，44.7%III-V族太陽能電池的發(fā)展歷程族太陽能電池的發(fā)展歷程3III-V族太陽能電池研究熱點族太陽能電池研究熱點4III

42、-V族太陽能電池研究熱點族太陽能電池研究熱點4 近幾年來國際上III-V族太陽電池領(lǐng)域的研究非常活躍，研究范圍廣泛，進(jìn)展迅速。當(dāng)前l(fā)ll-V族化合物太陽電池的研究熱點大致包括以下幾個方面:更多結(jié)(三結(jié)以上)疊層電池；聚光型III-V族太陽電池；超薄型(薄膜型) III-V 族太陽電池；量子阱、量子點太陽電池；熱光伏(TPV) 太陽電池等。n 更多結(jié)疊層電池的研究III-V族太陽能電池研究熱點族太陽能電池研究熱點4n 更多結(jié)疊層電池的研究更多結(jié)疊層電池的研究 三結(jié)疊層電池的研究已獲得了巨大成功，在1個太陽常數(shù)下的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到32%，在聚光條件下的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到44.7%。通過增加子電池數(shù)目是否

43、可以進(jìn)一步提高效率？ 1.8eV/1.4eV/0.65eV； 1.8eV/1.4eV/1eV/0 .65eV 。III-V族太陽能電池研究熱點族太陽能電池研究熱點4n III-V族量子阱、量子點太陽電池族量子阱、量子點太陽電池 III-V族多結(jié)疊層電池的發(fā)展大大提高了太陽電池的效率： 多結(jié)疊層電池的結(jié)構(gòu)復(fù)雜 各子結(jié)材料之間要求晶格常數(shù)匹配和熱膨脹系數(shù)匹配 各個子電池材料的選擇和連接各個子電池的隧道結(jié)材料的選擇都十分嚴(yán)格 MOCVD外延生長工藝也十分復(fù)雜 人們試圖尋找其他途徑來提高太陽電池的效率，目的是希望能采用相對較為簡單的工藝實現(xiàn)高效率。在眾多的技術(shù)路線中，量子阱、量子點結(jié)構(gòu)太陽電池是比較新

44、穎，已有了較好的進(jìn)展，也可能是比較有成功希望的一種。III-V族太陽能電池研究熱點族太陽能電池研究熱點4n III-V族量子阱、量子點太陽電池族量子阱、量子點太陽電池III-V族量子阱太陽電池族量子阱太陽電池 為了擴(kuò)展對太陽光譜長波長范圍的吸收，進(jìn)而提高光電流，一個做法是p-i-n型太陽電池的i層中引入摻雜材料，產(chǎn)生能帶。 由于pn結(jié)的帶寬Eg不會受到改變，所以開路電壓Voc不會改變。 同時這些中間能帶可以吸收低能量的長波長光子，產(chǎn)生更多的光生載流子。III-V族太陽能電池研究熱點族太陽能電池研究熱點4n III-V族量子阱、量子點太陽電池族量子阱、量子點太陽電池III-V族量子阱太陽電池族量

45、子阱太陽電池電池的基質(zhì)材料和壘層材料具有較寬的帶隙Eb；阱層材料具有較窄的有效帶隙Ea。p-i (MQW) -n型電池的吸收帶隙可以通過阱層材料的選擇和量子阱寬度(壘寬Lb，阱寬Lz）來調(diào)控，以擴(kuò)展對太陽光譜長波范圍的吸收，從而提高光電流。III-V族太陽能電池研究熱點族太陽能電池研究熱點4n III-V族量子阱、量子點太陽電池族量子阱、量子點太陽電池III-V族量子阱太陽電池族量子阱太陽電池III-V族太陽能電池研究熱點族太陽能電池研究熱點4n III-V族量子阱、量子點太陽電池族量子阱、量子點太陽電池III-V族量子點太陽電池族量子點太陽電池 III-V族量子點太陽電池的原理與量子阱太陽電池的原理相似。量子阱太陽電池是在p-i-n型太陽電池的i層(本征層)中植入多量子阱 (MQW)結(jié)構(gòu)，而量子點太陽電池是在p-i-n型太陽電池的i層(本征層)中植入多個量子點層，形成基質(zhì)材料/量子點材料的周期結(jié)構(gòu)。 由于量子點的量子尺寸限制效應(yīng)，可通過改變量子點的尺寸和密度對量子點材料層的帶隙進(jìn)行調(diào)整，有效帶隙Eeff由量子限制效應(yīng)的量子化能級的基態(tài)決定。III-V族太陽能電池研究熱點族太陽能電池研究熱點4n III-V族量子阱、量子點太陽電池族量子阱、量子點太陽電池III-V族量子點太陽電池