[科普中国]-多结太阳电池

研究背景

21 世纪,人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战, 在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济已成全球热点问题, 而能源问题将更加突出。为了解决能源问题,实现可持续发展,只能依靠科技进步,大规模地开发利用可再生洁净能源,而太阳能具有储量大、普遍存在、利用经济、清洁环保等优点, 因此太阳能的利用越来越受到人们的广泛重视, 成为理想的替代能源。

半导体太阳能电池是直接把太阳能转换成电能的器件,因为它利用 PN 结的光生伏特效应, 所以也称为光生伏特电池,简称光电池。理论上讲, 各种半导体材料都能用来制作太阳能电池,如:硒、硅、碲化镉、铜铟硒等。太阳能电池的应用日益广泛,已成为宇宙飞船、人造卫星、行星际站的重要长期能源。地面的应用由最初的无人气象站、无人灯塔、微波中继站的电源到现在的汽车、电器等。太阳能电池的无污染高性能,受到愈来愈多的人的忠爱。2

发展产生一般称晶体硅太阳能电池为第一代太阳能电池技术,而将薄膜太阳能电池归为第二代。第一代太阳能电池制作工艺简单,转换效率一般在 15-25%之间。由于使用晶体硅材料,因此其成本和重量的下降空间有限,而其转换效率也不可能进一步提高。第二代虽然具有很大的成本潜力。但其转换效率更低,只有 6-10%。

太阳能产业的持续发展,对转换效率和成本必将提出更高的要求。而这些要求只能通过第三代太阳能技术来实现。主要包括多结太阳能电池、热载流子太阳能电池以及多能带太阳能电池等发展方向。第三代太阳能电池转换效率最高可以接近600Ic，而成本只在10美分/瓦到50美分/瓦之间，相当于目前主流技术的1/30到1/6。

其中，多结太阳能电池是提高转化效率的一种最直接的方法。我们知道，任何单一半导体材料的光电响应光谱范围相对于太阳光谱来说都太窄，只能将太阳光谱中一定范围的光能有效地转换成电能，从根本上制约了效率的提高。因此，为提高对太阳光的利用效率，将具有不同禁带宽度的半导体材料组合起来.分别吸收利用不同波长范围的入射光，顶层电池的能带最高.往下依次减少，这样能量高的光子被上面能带高的电池吸收，而能量低的光子则能透过上面的电池而被下面能带低的电池吸收，从而有效地提高了太阳能电池的效率，由此产生了双结、三结等多结叠层太阳能电池。目前主要有:GaInP/Ga(In)As/Ge,AI-GaAs/GaAs,GaInP/GaAs和GaInP/GaInAs等。2

基本构造多结太阳能电池结构通常是由多个子电池和隧穿结构成的。选用几种具有不同带隙的半导体材料，每一种半导体构成一种单结子电池，然后按照半导体带隙宽度的不同，由大到小将这几种单结子电池串联起来，就构成了串联式多结太阳能电池。多结电池可以将太阳光分成多个波段，依靠最表面的宽带隙半导体太阳能电池吸收高能量的太阳光，用最底层低带隙半导体电池吸收低能量光，改变了半导体单结电池只能有效吸收单一波段的局限性，从而拓宽了整个电池对太阳光的光谱响应波段，减少能量损失。

为了获得高光电转换效率的化合物半导体太阳能电池，仅有PN结作光电转换活性层是不够的，人们经过长期的理论和实验研究，优化设计了化合物半导体电池结构，一些异质半导体材料层被加入。目前大多数化合物半导体太阳能电池除了基本的PN结之外，还具有接触层、窗口层和背场层等，这些层对提高电池转换效率起着各自特殊的作用。3

窗口层窗口层通常选用具有更宽带隙的半导体材料，更宽的带隙降低了其对太阳光的吸收，可以减少能量损失，另外，更宽的带隙与电池发射区可以形成较高的势垒，对流向窗口层的少数载流子起到反射作用，从而提高了光生载流子的收集效率。窗口层材料与发射区材料相连，可以降低发射区表面态，降低光生载流子的复合速率，从而大大改善了电池的输出电流。

接触层接触层作为电流引导层，是连接电池与电极的材料层，能够与特定的电极金属材料形成良好的欧姆接触，从而降低其串联电阻引起的电能损失。获得理想的半导体接触层和金属电极搭配是很困难的，通常人们只能选择可以产生尽可能小的接触势垒的半导体和金属搭配，同时提高接触层半导体掺杂浓度，从而增加载流子的输运几率。

背场层背场层的作用于窗口层相似，通常背场层也选用具有更宽带隙的半导体材料，与电池基区相连可以形成较高的势垒，对流向背场层的少数载流子起到反射作用，同时可以降低发射区表面态，降低光生载流子的复合速率，从而提高了光生载流子的收集效率，大大改善了电池的输出电流。

工作原理多结太阳能电池是将禁带宽度不同的半导体材料P-N结按照禁带宽度的递增自底向上的叠加起来，因为P-N结太阳电池只能吸收能量大于其禁带宽度的光子，这样排列，可以使高能量光子在上层的宽禁带结吸收，低能量的光子在下层窄禁带结吸收，这样选择性的吸收太阳光谱的不同区域，就有效地提高了太阳能电池的转换效率。当有光线照射在结上时，对于能量大于半导体禁带宽度的光子，将被吸收，同时价带的电子吸收光子后受激发跃迁至导带，产生电子空穴对，在空间电荷区产生的电子和空穴将在内建电场的作用下，分别向区和区漂移；在P-N结附近的扩散区内（如图中、）产生的电子和空穴扩散到空间电荷区后，也在内建电场下分别向区和区漂移，于是，产生了从区指向区的光生电流，积累的光生载流子中和了空间电荷区的部分正负电荷，使得空间电荷区变窄，P-N结正偏，结势垒降低，当光生电流与正向结电流相等时，处于稳态，开路时，P-N结呈现出开路电压，短路时呈现出短路电流。4

特点优势多结化合物半导体太阳能电池以其较高的转换效率，良好的温度特性，较低的环境污染和较大的成本降低空间等优势，已成为目前地面应用最具潜力的太阳能电池。此外，目前的太阳能电池存在着转换效率普遍偏低、价格普遍偏高的缺点，而多结太阳能电池在实现高转换效率上有着巨大的潜力，在经济方面同样具有较高的潜力。3