多疊層太陽能電池

多疊層太陽能電池的工作原理是：太陽光照在半導體P-N 結上，形成空穴-電子對，在P-N 結電場的作用下，N 型半導體的空穴往P 型區移動，P 型區中的電子往N 型區移動，接通電路後就形成電流。

基本介紹

• 中文名：多疊層太陽能電池
• 外文名：Multilayer solar cells
• 學科：新能源
• 領域：能源
• 作用：轉換效率
• 類型：疊層太陽能電池

簡介

能源是人類社會存在和發展的重要物質基礎。隨著社會的發展，煤炭、石油等不可再生資源的日益減少，開發清潔能源迫在眉睫。太陽能是取之不盡的新能源，太陽能電池是人們利用太陽能的一種重要方式。太陽能電池將資源無限、清潔乾淨的太陽輻射轉換為電能。近些年來，世界太陽能電池的產量以年增長率30%的速度快速發展， 在2004 年底全球的總裝機容量達到4 330 MW。科學家預言，在21 世紀中期太陽能光伏發電將成為重要的發電方式。

由於太陽光光譜的能量分布較寬，現有的任何一種半導體材料都只能吸收其中能量比其禁頻寬度值高的光子。太陽光中能量較小的光子將透過電池被背電極金屬吸收，轉變成熱能；而高能光子超出禁頻寬度寬度的多餘能量，則通過光生載流子的能量熱釋作用傳給電池材料本身的點陣原子，使材料本身發熱。這些能量都不能通過光生載流子傳給負載，變成有效電能。因此對於單結太陽能電池，即使是晶體材料製成的，其轉換效率的理論極限一般也只有25%左右。

太陽光光譜可以被分成連續的若干部分，用能頻寬度與這些部分有最好匹配的材料做成電池，並按禁頻寬度從大到小的順序從外向里疊合起來，讓波長最短的光被最外邊的寬隙材料電池利用，波長較長的光能夠透射進去讓較窄禁頻寬度材料電池利用， 這就有可能最大限度地將光能變成電能，這樣結構的電池就是疊層太陽能電池。

太陽能電池發展經歷了三個階段。以矽片為基礎的“第一代”太陽能電池其技術發展已經成熟，但單晶矽純度要求在99.999%， 生產成本太高使得人們不惜犧牲電池轉換率為代價開發薄膜太陽能電池。第二代太陽電池是基於薄膜材料的太陽電池。薄膜技術所需材料較晶體矽太陽電池少得多，且易於實現大面積電池的生產，可有效降低成本。薄膜電池主要有非晶矽薄膜電池、多晶矽薄膜電池、碲化鎘以及銅銦硒薄膜電池， 其中以多晶矽為材料的太陽能電池最優。太陽能光電轉換率的卡諾上限是95%， 遠高於標準太陽能電池的理論上限33%， 表明太陽能電池的性能還有很大發展空間。Martin Green 認為， 第三代太陽電池必須具有如下條件：薄膜化，轉換效率高，原料豐富且無毒。目前第三代太陽電池還處在概念和簡單的試驗研究。已經提出的主要有疊層太陽電池、多帶隙太陽電池和熱載流子太陽電池等。其中，疊層太陽能電池是太陽能電池發展的一個重要方向。

多元化合物疊層太陽能電池

多元化合物太陽能電池指不是用單一元素半導體材料製成的太陽能電池。現在各國研究的多元化合物太陽能電池品種繁多，但絕大多數尚未工業化生產。半導體化合物GaAs，CdTe，Cu(In, Ga)Se2(CIGS)的禁頻寬度接近於光伏電池所要求的最佳禁頻寬度，它們具有高的光電轉化效率，又有較低的製作成本，可以用來製造薄膜疊層太陽能電池。

GaAs 是III-V 族半導體材料，禁頻寬度1.42 eV，與太陽光譜匹配，是理想的太陽能電池材料。單結GaAs 電池只能吸收特定光譜的太陽光，轉換效率不高。不同禁頻寬度的III-V

族材料製備的多結GaAs 電池，按禁頻寬度由大到小疊合，這些III-V 族材料分別吸收和轉換太陽光譜的不同子域， 可大幅提高太陽能電池的光電轉換效率。由於鎵比較稀缺，砷有毒，製造成本高，此類太陽能電池的發展受到一定的影響。目前， 國際上已對AlGaAs/GaAs，GaInP2 /GaAs，GaInAs/Inp，GaInP/GaInAs 等雙結疊層太陽能電池進行過研究， 其中對GaInP2 /GaAs 疊層太陽能電池的研究居多。

這種電池結構首先由Olson 在1990 年提出，他發現GaInP2材料可以作為疊層太陽能電池的頂層電池。目前國外報導的GaInP2 /GaAs 雙結疊層太陽電池的光轉換效率已達25.7%。產業化成熟產品轉換效率約23.1%， 並逐步用作衛星等太空飛行器的供電電源，前景十分廣闊。不過，造價昂貴一直是GaInP2 /GaAs 疊層電池難以大批量生產的直接原因， 選用價格低廉的Ge 襯底是降低成本， 減小GaInP2 /GaAs 疊層太陽能電池自身重量的有效途徑。國外對此已研究多年，近年國內研究也開始深入。上海交通大學物理系的陳鳴波、崔容強等採用低壓金屬有機物化學氣相沉積工藝製備P-N 型的GaInP2 /GaAs 疊層太陽能電池樣品，並對GaInP2頂層電池進行改進，製得的電池光電轉換效率為23.82%。其他雙結太陽能電池如Al0.37Ga0.63As/GaAs(Ge)兩者的禁頻寬度分別為1.93 eV 和1.42 eV，正處於疊層太陽能電池所需的最佳匹配範圍，其效率達到23%。

在雙結電池的基礎上，1993 年在國外就有報導研製出三結Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge 疊層太陽能電池。1996 年，美國光譜實驗室研製的該類電池的最高效率達到25.7%， 小批量生產平均效率達到23.8%，1997 年大批量生產平均效率達到24.5%。2000 年最高效率達到29%，2002 年大批量生產平均效率達到26.5%。目前，國際上從事多結電池批產的最知名的兩家公司是美國的光譜實驗室和Emcore 公司， 其年批產能力分別為500 kW 和200 kW。

作為II-VI 族化合物半導體CdTe，是禁頻寬度為1.46 eV的直接禁帶半導體，很接近太陽能電池需要的最最佳化禁頻寬度，吸收係數約為105 cm-1，就太陽輻射光譜中能量高於CdTe禁頻寬度的範圍而言，1μm 厚的CdTe 可以有效吸收其99%[10-11]。目前，國內的CdS/CdTe 太陽電池是研究熱點，報導的最高光電轉換率是由李願傑等[12]製造的單層CdS/CdTe，效率為13.38%。該實驗室還製造出多層疊層CdS/CdTe 太陽能電池，結構為CdS/CdTe/CdS/CdTe/ZnTe:Cu/Ni。這種疊層太陽能電池的效率可以達到8.16%。

Cu(In, Ga)Se2(CIGS)太陽能電池的光電轉化效率高、性能穩定、抗輻射能力強，且製造成本低，倍受重視，是新一代太陽能電池。它的最高的轉換效率已經達到19.5%。為了提高效率，可以製成CGS/CIS 層疊太陽能電池，這種電池的轉換效率據報導已經達到33.9%，該疊層電池的穩定性、直接頻寬、高吸收係數對於生產低成本、高效率的兩結疊層太陽能電池來說是可取的。對於兩結疊層太陽能電池，其頂層電池對全部轉換效率的貢獻大，所以要達到CGS/CIS 25%的轉換效率，需要轉換效率大於15%高質量的CGS 頂層電池。

非晶矽疊層太陽能電池

在矽系列電池中，非晶矽（a-Si）對陽光的吸收係數最高，活性層只需要1 μm 厚，材料的需求大大減少。但是也有不少缺點：隨光照時間增加效率反而衰退；禁頻寬度為1.7 eV，對長波區域不敏感。研究證實，疊層太陽能電池可有效提高非晶矽的穩定性，使室外陽光下照射1 年的效率衰退率從單結的25%~35%下降到20%以下。下面將介紹a-Si/poly-Si，a-Si/μc-Si，a-Si/CIS 3 種主要的非晶矽疊層太陽能電池。多晶矽（poly-Si）的禁頻寬度（1.12 eV）比非晶矽小得多，作為a-Si/poly-Si 疊層太陽能電池底電池的光吸收體， 它能有效吸收從頂層電池透射的能量小於非晶矽禁頻寬度的太陽光輻射光譜，提高疊層電池的能量轉換效率。Takakura理論上計算出a-Si/poly-Si 疊層太陽能電池有超過30%的效率， 已製備出13.3%能量轉換效率的a-Si/poly-Si 疊層太陽能電池，四端輸出轉換效率達21%，未發現電池性能隨光照而衰退。微晶矽（μc-Si:H）有比非晶矽更高的光吸收係數，尤其近紅外高出2~3 數量級，光照衰退效應引起的薄膜性能衰退遠比非晶矽小，而經氧化微晶矽的載流子遷移率可增大20 倍，激起人們研製全微晶矽P-i-N 型太陽能電池的熱情。目前單結微晶矽P-i-N 太陽能電池能量轉換效率已達7.8%，而且其光伏特性特別適合用來製造a-Si/μc-Si 疊層電池的底電池， 國外報導已獲得9.4%的電池能量轉換效率，且長期光照電池性能衰退極小。林鴻生等通過數值求解Poisson 方程， 對經高強度光輻射過的a-Si/μc-Si 疊層電池進行了數值模擬分析，表明a-Si/μc-Si 疊層電池的頂層電池a-Si 未發生光致衰退效應，這種結構的電池具有較高的光穩定性。薛俊明等採用射頻等離子增強化學氣相沉積法製得a-Si/μc-Si 疊層電池，效率達到9.83%，高於國外水平。

CuInSe2是一種光吸收係數很高的半導體材料，對能量稍大於其禁頻寬度（1.04 eV）的光子，它的吸收係數在105 cm-1數量級上。CuInSe2基多晶薄膜太陽能電池已得到了廣泛的研究，它也是一種製造a-Si/CIS 疊層太陽能電池底電池最理想的光吸收體材料之一。Takakura從理論上算出a-Si/CIS 疊層太陽能電池的能量轉換效率能超過20%，已製備出13%穩定效率的a-Si/CIS 疊層太陽能電池，而四端輸出達14.6%，沒有發現電池性能隨光照而衰退。

染料敏化疊層太陽能電池

自從1991 年Grtzel 等首次將金屬釕有機配合物作為染料吸附在TiO2納米晶多孔膜製成電池後，吸引了許多研究者的目光。染料敏化太陽能電池原理上有諸多優勢：由於幾乎所有染料激發態上的電子可以有效地注入到半導體導帶中，減少了電子與空穴複合的機會，有利於提高光電轉換效率；此外，不僅原料和製造成本低，而且所用材料對環境影響小，具有代表性的增感色素Ru 色素的毒性很低，電池的生命周期評估也較好。要把理論優勢轉化為實際優勢，還取決於實際電池中的材料狀態與理想狀態的符合程度。在1 sun（即一天中最大的照射下）條件下，染料敏化太陽能電池的轉換效率已經超過10%，其實用化研究開發已經開始。據2008年5 月媒體報導索尼已經開發出商業套用的染料敏化太陽能電池，效率達到10%。

染料敏化疊層太陽能電池由兩個光電池組成，前面的電池吸收太陽光中的高能紫外和藍光，利用納米晶金屬氧化物薄膜來產生電子-空穴對。波長在綠光到紅光之間的光被Grtzel 敏化二氧化鈦電池吸收， 這兩個電池連線起來提供電壓。染料敏化太陽能電池的能量轉換效率主要與敏化劑吸收太陽光譜的能力有關，為了提高光譜效應，在電池的兩個不同層上用不同的敏化劑染料。馬廷麗、苗青青製作了一種疊層式染料敏化太陽能電池。其特徵在於，頂部的太陽能電池與底部的太陽能電池的光陽極分別吸附具有相同結構或不同結構，不同光譜回響範圍且有互補性質的染料；兩個太陽能電池的光陽極結構為在基板上載有一層導電膜和半導體薄膜及染料，對向電極為帶有導電性的基板，在兩個電極之間介入電解質。這一新型疊層式染料敏化太陽能電池有光電轉換效率高、價格低、製備工藝簡單並且易於大規模生產的特點。解決現有太陽能電池效率低、成本高，製備工藝複雜的問題。用該發明的技術手法製造的染料敏化太陽能電池可用做太陽能發電和太陽能制氫系統。

總結和展望

疊層太陽能電池的設計難題在於要尋找兩種晶格匹配良好的半導體晶體， 其禁頻寬度將引起高效率的能量轉換。此外，在理想的情況下，電池導帶的最上層應該有與底層價帶大約相同的能量，這使得頂端半導體的電子被太陽光激發後能夠很容易的從導帶進入底部半導體晶格的孔（價帶），電子在價帶上又被不同波長的太陽光激發。這樣一來，兩部分的電池一起工作，像兩個串連的蓄電池，並且總功率與兩個電池的功率總和相等。但是，如果在接合處價帶和導帶沒有被正確的匹配，當電子流過時就會因為由此產生的電阻造成功率損耗。例如，高效率的GaAs/Ge 疊層電池早在1987 年就已製備出來，結果證明由於電流不匹配而不能套用。可用可行性分析方法或泊松比和連續性方程設計疊層電池的電流匹配[28-30]。另外就是實際套用中疊層電池的穩定性問題。以III-V 族化合物及CIS 等稀有元素製備的太陽能電池，儘管所製成的電池轉換效率很高，但從材料來源和環境問題來看，這類太陽能電池將來不可能占據主導地位。高轉換效率和降低成本是太陽能電池製備中要考慮的兩個主要因，目前的非晶矽系疊層太陽能電池，要想把效率提高很多是很困難的，而且非晶矽系疊層太陽能電池對材料純度要求較高，價格貴，很大程度上限制了其工業化推廣。

太陽能電池自1991 年提出以來，一直是科學家的研究熱點，染料敏化疊層太陽能電池的研究雖然剛剛起步，但其關鍵材料二氧化鈦薄膜和光敏化劑，材料低廉而且來源廣泛，並且染敏二氧化鈦製備工藝簡單。雖然短期內，矽類太陽能電池在市場占有主要比例，但是在不久的將來，隨著科技的進一步發展，染料敏化疊層太陽能電池有十分廣闊的套用前景。