基本介紹
- 中文名：多結太陽電池
- 外文名：Multi一unction Solar Cell
- 類別：太陽能電池
- 優點：光電轉化效率高
- 基本原理：光生伏特效應
- 能量來源：太陽能
研究背景,發展產生,基本構造,視窗層,接觸層,背場層,工作原理,特點優勢,
研究背景
21 世紀,人類面臨著實現經濟和社會可持續發展的重大挑戰, 在有限資源和環保嚴格要求的雙重製約下發展經濟已成全球熱點問題, 而能源問題將更加突出。為了解決能源問題,實現可持續發展,只能依靠科技進步,大規模地開發利用可再生潔淨能源,而太陽能具有儲量大、普遍存在、利用經濟、清潔環保等優點, 因此太陽能的利用越來越受到人們的廣泛重視, 成為理想的替代能源。
半導體太陽能電池是直接把太陽能轉換成電能的器件,因為它利用 PN 結的光生伏特效應, 所以也稱為光生伏特電池,簡稱光電池。理論上講, 各種半導體材料都能用來製作太陽能電池,如:硒、矽、碲化鎘、銅銦硒等。太陽能電池的套用日益廣泛,已成為宇宙飛船、人造衛星、行星際站的重要長期能源。地面的套用由最初的無人氣象站、無人燈塔、微波中繼站的電源到現在的汽車、電器等。太陽能電池的無污染高性能,受到愈來愈多的人的忠愛。
發展產生
一般稱晶體矽太陽能電池為第一代太陽能電池技術,而將薄膜太陽能電池歸為第二代。第一代太陽能電池製作工藝簡單,轉換效率一般在 15-25%之間。由於使用晶體矽材料,因此其成本和重量的下降空間有限,而其轉換效率也不可能進一步提高。第二代雖然具有很大的成本潛力。但其轉換效率更低,只有 6-10%。
太陽能產業的持續發展,對轉換效率和成本必將提出更高的要求。而這些要求只能通過第三代太陽能技術來實現。主要包括多結太陽能電池、熱載流子太陽能電池以及多能帶太陽能電池等發展方向。第三代太陽能電池轉換效率最高可以接近600Ic，而成本只在10美分/瓦到50美分/瓦之間，相當於目前主流技術的1/30到1/6。
其中，多結太陽能電池是提高轉化效率的一種最直接的方法。我們知道，任何單一半導體材料的光電回響光譜範圍相對於太陽光譜來說都太窄，只能將太陽光譜中一定範圍的光能有效地轉換成電能，從根本上制約了效率的提高。因此，為提高對太陽光的利用效率，將具有不同禁頻寬度的半導體材料組合起來.分別吸收利用不同波長範圍的入射光，頂層電池的能帶最高.往下依次減少，這樣能量高的光子被上面能帶高的電池吸收，而能量低的光子則能透過上面的電池而被下面能帶低的電池吸收，從而有效地提高了太陽能電池的效率，由此產生了雙結、三結等多結疊層太陽能電池。目前主要有:GaInP/Ga(In)As/Ge,AI-GaAs/GaAs,GaInP/GaAs和GaInP/GaInAs等。
基本構造
多結太陽能電池結構通常是由多個子電池和隧穿結構成的。選用幾種具有不同帶隙的半導體材料，每一種半導體構成一種單結子電池，然後按照半導體帶隙寬度的不同，由大到小將這幾種單結子電池串聯起來，就構成了串聯式多結太陽能電池。多結電池可以將太陽光分成多個波段，依靠最表面的寬頻隙半導體太陽能電池吸收高能量的太陽光，用最底層低帶隙半導體電池吸收低能量光，改變了半導體單結電池只能有效吸收單一波段的局限性，從而拓寬了整個電池對太陽光的光譜回響波段，減少能量損失。
化合物半導體太陽能電池結構
化合物半導體太陽能電池結構為了獲得高光電轉換效率的化合物半導體太陽能電池，僅有PN結作光電轉換活性層是不夠的，人們經過長期的理論和實驗研究，最佳化設計了化合物半導體電池結構，一些異質半導體材料層被加入。目前大多數化合物半導體太陽能電池除了基本的PN結之外，還具有接觸層、視窗層和背場層等，這些層對提高電池轉換效率起著各自特殊的作用。
視窗層
視窗層通常選用具有更寬頻隙的半導體材料，更寬的帶隙降低了其對太陽光的吸收，可以減少能量損失，另外，更寬的帶隙與電池發射區可以形成較高的勢壘，對流向視窗層的少數載流子起到反射作用，從而提高了光生載流子的收集效率。視窗層材料與發射區材料相連，可以降低發射區表面態，降低光生載流子的複合速率，從而大大改善了電池的輸出電流。
接觸層
接觸層作為電流引導層，是連線電池與電極的材料層，能夠與特定的電極金屬材料形成良好的歐姆接觸，從而降低其串聯電阻引起的電能損失。獲得理想的半導體接觸層和金屬電極搭配是很困難的，通常人們只能選擇可以產生儘可能小的接觸勢壘的半導體和金屬搭配，同時提高接觸層半導體摻雜濃度，從而增載入流子的輸運幾率。
背場層
背場層的作用於視窗層相似，通常背場層也選用具有更寬頻隙的半導體材料，與電池基區相連可以形成較高的勢壘，對流向背場層的少數載流子起到反射作用，同時可以降低發射區表面態，降低光生載流子的複合速率，從而提高了光生載流子的收集效率，大大改善了電池的輸出電流。
具有視窗層和背場層的電池能帶結構示意圖
具有視窗層和背場層的電池能帶結構示意圖工作原理
多結太陽能電池是將禁頻寬度不同的半導體材料P-N結按照禁頻寬度的遞增自底向上的疊加起來，因為P-N結太陽電池只能吸收能量大於其禁頻寬度的光子，這樣排列，可以使高能量光子在上層的寬禁帶結吸收，低能量的光子在下層窄禁帶結吸收，這樣選擇性的吸收太陽光譜的不同區域，就有效地提高了太陽能電池的轉換效率。當有光線照射在結上時，對於能量大於半導體禁頻寬度的光子，將被吸收，同時價帶的電子吸收光子後受激發躍遷至導帶，產生電子空穴對，在空間電荷區產生的電子和空穴將在內建電場的作用下，分別向區和區漂移；在P-N結附近的擴散區內（如圖中、）產生的電子和空穴擴散到空間電荷區後，也在內建電場下分別向區和區漂移，於是，產生了從區指向區的光生電流，積累的光生載流子中和了空間電荷區的部分正負電荷，使得空間電荷區變窄，P-N結正偏，結勢壘降低，當光生電流與正向結電流相等時，處於穩態，開路時，P-N結呈現出開路電壓，短路時呈現出短路電流。
光照下PN結內光生載流子輸運圖
光照下PN結內光生載流子輸運圖特點優勢
多結化合物半導體太陽能電池以其較高的轉換效率，良好的溫度特性，較低的環境污染和較大的成本降低空間等優勢，已成為目前地面套用最具潛力的太陽能電池。此外，目前的太陽能電池存在著轉換效率普遍偏低、價格普遍偏高的缺點，而多結太陽能電池在實現高轉換效率上有著巨大的潛力，在經濟方面同樣具有較高的潛力。
