高效多结太阳能电池技术

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。 

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。

责任编辑：solar_robot