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。
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。
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。
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。