叠层化合物太阳能电池原理及应用

叠层化合物太阳能电池原理及 应用讲课：王彦朋 PPT制作：张硕 史磊 材料收集：王强

一、太阳能电池结构及原理太阳能电池发电的原 理主要是半导体的光 电效应。 当晶片受光后，PN结 中，N型半导体的空穴 往P型区移动，而P型 区中的电子往N型区移 动，从而形成从N型区 到P型区的电流。然后 在PN结中形成电势差， 这就形成了电源。

二、叠层化合物太阳能电池的产 生 由于太阳光光谱的能量分布较宽，现有的任何一 种半导体材料都只能吸收其中能量比其禁带宽度 值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电 池被背电极金属吸收，转变成热能；而高能光子 超出禁带宽度的多余能量，则通过光生载流子的 能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使 材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子 传给负载，变成有效电能。因此对于单结太阳能 电池，即使是晶体材料制成的，其转换效率的理 论极限一般也只有25%左右。所以为了提高太阳 能电池转换效率，叠层太阳能电池问世。

三、叠层化合物太阳能电池原理

太阳光光谱可以被分成连续的若干部 分，用能带宽度与这些部分有最好匹 配的材料做成电池，并按禁带宽度从 大到小的顺序从外向里叠合起来，让 波长最短的光被最外边的宽隙材料电 池利用，波长较长的光能够透射进去 让较窄禁带宽度材料电池利用，这就 有可能最大限度地将光能变成电能， 这样结构的电池就是叠层太阳能电池。

四、叠层太阳能电池的制备方法叠层太阳能电池的制备可以 通过两种方式得到。一种是 机械堆叠法，先制备出两个 独立的太阳能电池，一个是 高带宽的,一个则是低带宽的。 然后把高带宽的堆叠在低带 宽的电池上面；另一种是一 体化的方法，先制备出一个 完整的太阳能电池，再在第 一层电池上生长或直接沉积 在第一层电池上面。

25oC,AM0 条件下太阳电池效率电池类型 多结叠层电池 GaInP/GaAs GaInP/GaAs/Ge GaInP/GaAs/Ge 多结叠层聚光电池 GaInP/GaAs GaAs/GaSb 0.25 0.05 26.4 30.5 单片叠层双结太阳 电池 机械堆叠太阳电池 4 4 4 26.9 25.5 27.0 单片叠层双结太阳 电池 单片叠层双结太阳 电池 单片叠层三结太阳 电池 面积(cm2) 效率(%) 电池结构

五、GaAs叠层太阳能电池GaAs 半导体材料的特点 GaAs 是典型的III-V 族化合物半导体材料，具有直接能带 隙，带隙宽度为1.42eV(300K),正好为 高吸收率太阳光的值，因此，是很理想的太阳能电池材料。 [1]其主要特点： 1.光吸收系数高。GaAs 太阳能电池的有源区厚度多选取 3um 左右，就可以吸收95%的太阳光谱中最强的部分。 2.带隙宽度与太阳光谱匹配。GaAs 的带隙宽

度正好位于 最佳太阳电池材料所需要的能隙范围，具有更高的理论转 换效率。 3.耐高温性能好。GaAs 太阳能电池效率随温度升高降低 比较缓慢，可以工作在更高的温度范围。 4.抗辐照性能强。GaAs 是直接带隙材料，少数载流子寿 命较短，在离结几个扩散度外产生损伤，对光电流和暗电 流均无影响，因此，GaAs 太阳能电池具有较好的抗辐照 性能。 5.多结叠层太阳电池的材料。由于III-V 族三、四元化合物 (GaInP、AlGaInP、GaInAs 等)半导体材料生长技术日益 成熟，使电池的设计更为灵活，从而大幅度提高太阳电池 的效率并降低成本。

GaAs叠层太阳能电池结构及原理电池由宽禁带的顶电池、隧道结和窄禁带的 底电池三部分依次串联而成，顶电池用于吸 收太阳光谱中的短波部分、低电池用于吸收 太阳光谱中的长波部分，隧道结用于对各子 电池进行电流匹配。 图2所示光电转换效率分别是27.3%(AM1.5)和 29.5%(AM1.5)GaInP2/GaAs级联电池。这两种 都是用MOCVD法生长，III族元素气源是TMIn, TMGa, TMAI,V族元素气源是AsH3,PH3,掺 杂剂是DEZn和H2Se。 图2的电池其生长温度Tg=700℃, GaInP2(AlInP2,)的生长速率是80-100nm/min, V/III是30; GaAs(AlGaAs)120-150nm/min V/III是 35。GaAs隧道结生长速率40nm/min。该电池 的两个子电池的基区掺杂水平是2×1017cm-3。 发射层、窗口层Se掺杂水平是1018cm-3,而 GaAs隧道结的掺杂浓度是1019cm-3左右。级联 电池的短路电流JSC=13 .6mA/cm2,开路电压 VOC=2.29V,填充因子FF=0.87,电池面积是 0.25cm2,顶电池带宽Eg=1.85eV。

图2 GaInP2/GaAs双结太阳能电池

三结GaAs太阳能电池对太阳光谱的利用率

六、叠层化合物太阳能电池应用 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。主要应用于通信卫星供 电、太阳能庭院灯、太阳能发电户用 系统、村寨供电的独立系统、光伏水 泵(饮水或灌溉)、通信电源、石油 输油管道阴极保护、光缆通信泵站电 太阳能路灯电池板和应用 源、海水淡化系统、城镇中路标、高 产品 速公路路标等。

七、发展趋势GaAs叠层电池的设计，关键是调节各子电池材料的带隙、 各个异质结之间的带隙匹配及各子电池的厚度，使各子 电池之间的电流匹配，尽可能大的吸收和转换太阳光谱 的不同子域，以获得最大的能量输出，从而大大提高电 池的转换效率。优化GaAs叠层电池的结构仍然是研

究的 重点，为更好的提高太阳电池的转换效率，在叠层电池 设计中采用聚光技术成为开发的新热点。GaAs叠层太阳 能电池由于制造成本较高，尚未大量进入地面应用市场, 目前主要应用于空间电源系统。但由于其具有超高转换 效率、强抗辐照性等独特性能，因此随着制备工艺的进 步和聚光技术及跟踪系统技术的成熟，相信其地面应用 前景更加美好。

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