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太阳能电池光电转化效率最高的是哪种材料?它有哪五个优点?

时间:2020/2/18 21:25:50 来源:较瘦刘观能源 作者: 浏览次数:

三代太阳能电池新闻专题" href="http://guangfu.bjx.com.cn/zt.asp?topic=%cc%ab%d1%f4%c4%dc%b5%e7%b3%d8" target="_blank">太阳能电池技术研究中,高效多结砷化镓太阳能电池技术的研究取得的成果最为突出,多结级联砷化镓太阳能电池是目前世界上承认的光电转化 效率最高的太阳能电池。在高聚光的条件下,这类电池的光电转化效率已突破 40.0% 。

目前高效多结砷化镓太阳能电池已经广泛应用于航天航空领域,在 空间环境中,砷化镓太阳能电池的抗辐照能力也远大于硅太阳能电池。砷化镓材料是直接跃迁型,硅材料是间接跃迁型,而且砷化镓太阳能电池的带隙与太阳光谱的匹配程度比硅太阳能电池的匹配程度要高。同时,砷化镓太阳能电池是通过 外延生长工艺制备,能够通过控制材料组分和掺杂来调整太阳能电池的禁带宽 度。因此砷化镓太阳能电池的光电转换效率远大于硅太阳能电池。

但是,砷化镓太阳能电池的工艺复杂,技术难度高,由于制备设备和材料昂贵,其成本远大于硅太阳能电池。因此,砷化镓太阳能电池无法大规模应用于地面民用市场。但是在对光电转换效率要求非常高的航空领域,砷化镓太阳电池已经逐步取代了硅太阳能电池。

多结砷化镓太阳能电池相对于硅太阳电池的一个大的优势是,砷化镓太阳能 电池可以由多个子电池串联起来,通过调整不同子电池的禁带宽度,使得不同的子电池可以吸收不同波长范围的太阳光,这样不但大幅度提高了多结砷化镓太 阳能电池的光谱吸收范围,而且就将太阳光谱划分为多个区域,使得多结砷化镓太阳能电池对太阳光的利用效率更高,一定程度上减少了能量远大于禁带宽度的 入射光子在跃迁后的热损失。

因此,多结砷化镓太阳能电池是目前光电转换效率 最高的太阳能电池,近几年,美国 Spectrolab 研究小组研制的多结聚光砷化镓太 阳能电池在 AM0 条件下光电转换效率突破了40%。

目前,任何一种太阳能电池只能吸收能量大于电池材料禁带宽度的入射光子。由于太阳的光谱范围非常宽,但是任何单一的半导体材料由于受到禁带宽带的限制,只能吸收非常窄的波长范围内的太阳光, 因而只能将太阳光谱中非常小的一部分波长内的光转换成电能,而大部分的太阳光则被浪费。使得单一材料制备的太阳能电池的光电转换效率始终难以有更高的突破。同时,当入射光的光子能量远大于太阳能电池材料的禁带宽度的时候,其超出太阳能电池禁带宽度的 多余能量,不但被电池浪费,而且会转换成热能,从而使得太阳能电池在工作的时候发热,影响太阳能电池的光电转换效率。

因此,为了解决单一半导体材料 的局限性,通过外延生长技术,在晶片衬底上精确控制组份和掺杂,制备出多个不同禁带宽度材料串联的外延层,将太阳能光谱分成不同区域有不同禁带宽度的 子电池吸收。

这种多结太阳能电池的最顶层子电池的禁带宽度最高,往下依次 递减,这样入射能量高的光子被顶层的子电池吸收利用,而能量相对较低的入射 光子则透过顶电池被下面的其他子电池吸收[28]。这样就使得不同能量的入射光子 都能够被充分利用,避免了热损失,实现将较宽范围内太阳光谱的能量高效分配利用,从而进一步提高太阳能电池的光电转换效率。基于这项技术,各种双结、三结、四结等多结叠层级联太阳能电池被开发出来。

在当今太阳能光伏市场上,柔性薄膜太阳能电池的产品类型主要包括晶体硅薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池和CdTe 薄 膜太阳能电池等。虽然这些太阳能电池占据了柔性薄膜太阳能电池大部分的市场 份额,但这些太阳能电池的光电转换效率都相对较低,在一个太阳常数条件下 (AM0),就算是光电转换效率最高的晶体硅薄膜太阳能电池,其光电转换效率也很难突破 25%。

而且材料本身特性对光电转换效率有限制作用,无论是晶体硅 薄膜电池、非晶硅薄膜电池、铜铟镓硒薄膜电池还是 CdTe 薄膜电池,都无法满足空间站、载人探月、深空探测这类大功率航天器对高效薄膜太阳能电池的需求 。

级联多结砷化镓太阳能电池具有光电转换效率高,高质量比功率以及耐高温性能好的优点。同时,砷化镓为直接跃迁型材料,材质 5~10μm 的厚度就能 吸收高达 95%的太阳光,因此可以用砷化镓材料制成超薄的太阳能电池。

基于柔性薄膜砷化镓太阳能电池的这些优点,柔性薄膜砷化镓太阳能电池能够满足各个领域对能源需求不断增加的发展状况。

随着近几年键合技术、外延层剥离技术的应用,以及晶格失配反向外延生长 技术取得的重大突破,柔性薄膜多结砷化镓太阳能电池也孕育而生,并成为了空间用太阳能电池的一个重要研究领域。人们将这些逐渐成熟的技术应用在柔性薄膜砷化镓太阳能电池上面,制备了各种结构的太阳能电池,电池的光电转换效率 也不断提高。近几年的研究结果表明,砷化镓薄膜外延层已成功转移到各种柔性 衬底(金属、高分子材料、玻璃、不锈钢)上,且实现了较高的光电转换效率。

2008 年,TatavartiR 等人提出了采用金属键合技术,将砷化镓外延层与金 属衬底直接连接起来,再腐蚀剥离原衬底,实现了砷化镓太阳能电池的柔性化, 最终完善了柔性薄膜太阳能电池的方法。并且制备了单结柔性薄膜砷化镓太阳能电池样品,光电转换效率达到21.11%。

柔性薄膜太阳能电池的制备相对于刚性衬底的电池来说更为困难。整个电池 的制备工艺更为复杂,特别是对电池的器件工艺水平要求会更高。由于电池很薄 而且柔软,很难保证在制备过程中不会破坏到电池的外延层。因此,随着反向晶 格失配外延技术的发展,为了研制出更高效的柔性薄膜砷化镓太阳能电池,研究 者一般采用一种新的技术—反向外延技术。此技术一方面是因为这种技术制备的 太阳能电池具有更高的光电转换效率,另一方面,在比较关键的几道器件工艺上 (比如键合、剥离、光刻、蒸镀等工序)实现起来会更加的方便。 2014 年,日本 SHARP 公司通过创新的工艺技术,研制出了AM0 条件下光 电转换效率 31.5%的反向生长晶格失配薄膜三结砷化镓太阳能电池,电池样品如图。

而且,日本 SHARP 公司用 30 片光电转换效率 31%的柔性薄 膜三结砷化镓太阳能电池制作成组件,组件的质量比功率达到了 600W/Kg,柔 性薄膜太阳能电池组件如图以砷化镓材料为代表的 III-V 族太阳能电池有一个共同的缺点,即材料密度 大,同样的厚度比硅太阳能电池重量重。

因而砷化镓太阳能电池的效率尽管很高, 但质量比功率并不高,相比之下,晶体硅、非晶硅、铜铟镓硒、CdTe 等薄膜太 阳能电池的质量比功率要高得多。

虽然砷化镓太阳能电池的质量比功率超过了 300W/kg,而采用卷对卷技术,生长在柔性薄膜衬底上的非晶硅太阳能电池的质量比功率可高于 1000W/kg。由于砷化镓太阳能电池的质量比功率相对较低,限 制了它在航天科技领域的进一步应用。

为了很好地改进这一缺点,从上个世纪 80 年代开始,研究者们开始研制薄 膜型砷化镓太阳能电池。研究者们主要采用了玻璃技术(lift-off)。

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典型的三结砷化镓太阳能电池结构示意图

剥离技术 (lift-off)的特点如下:在太阳能电池有源层外延完成后,将它的正面粘贴到有 机高分子材料或者玻璃上,然后采用选择腐蚀方法把太阳能电池的原衬底剥离掉,只将太阳能电池的有源层转移到有机高分子材料或者玻璃上。这样一来便获 得了柔性薄膜砷化镓太阳能电池,而剥离下来的太阳能电池原衬底在工艺处理后可以被重复使用。

在当今太阳能光伏市场上,柔性薄膜太阳能电池的产品类型主要包括晶体硅薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池和 CdTe 薄 膜太阳能电池等]。但是现在这些市场上主流的柔性薄膜太阳能电池的光电转换 效率都相对较低,很难满足航天领域大功率器件的工作需求。

砷化镓材料具有直接能带隙,是典型的 III-V 族化合物半导体材料,其带隙宽度为 1.42eV(300K), 正好能吸收太阳光谱中能量峰值较高的部分,因此是很理想的太阳能电池制备材 料。

砷化镓材料主要特点表现为:1.光电转换效率很高;2.砷化镓为直接跃 迁型材料,在太阳光谱峰值较高的可见光范围内, 砷化镓材料的光吸收系数远 高于硅和其他半导体材料。同样都是吸收 95%的太阳光, 砷化镓太阳能电池只 需 5~10μm 的厚度,而晶体硅太阳能电池则需要不小于 150μm 的厚度。因此, 砷化镓太阳能电池可制成柔性薄膜(超薄)型,重量可大幅减小;3.抗辐照性强,更适用于空间环境;4.耐高温性能好; 5.可以制备成多结级联太阳能电池。

由于 III-V 族多元化合物半导体材料(GaInP、AlGaInP、GaInAs 等)外延生长 技术日益成熟,使太阳能电池的结构设计更为灵活,可以制备成多结级联砷化镓 太阳能电池,从而大幅度提高太阳能电池的光电转换效率。因此,柔性薄膜多结砷化镓太阳能电池相比于其他类型的太阳能电池拥有非常大的性能优势,特别是在更注重质量比功率,应用条件异常苛刻的航天领域将有更广阔的应用前景。

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柔性薄膜砷化镓太阳能电池市场需求

柔性薄膜砷化镓太阳能电池技术目前已经成为太阳能电池技术发展的重要方向。无论是在空间应用领域,军事武器装备,还是在地面民用光伏市场上对更高效、重量更轻的柔性薄膜太阳能电池都有十分迫切的需求。相比刚性太阳能电池,柔性薄膜太阳能电池具有衬底材料便宜,衬底材料种类丰富(如金属、高分 子材料、玻璃、不锈钢),光电转换效率高,重量轻,可弯曲,组件温度系数低 等优点。

柔性薄膜太阳能电池技术在国际上受到严格控制,美国、日本和欧洲 都对其进行了技术封锁。目前我国的柔性薄膜砷化镓太阳能电池的研制总体上与国外先进技术相比差距还比较大。


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