III_V族化合物半導(dǎo)體整體多結(jié)級(jí)連太陽(yáng)電池_光伏技術(shù)的新突破文庫(kù)

1、 本文由飛過(guò)無(wú)痕zr貢獻(xiàn) pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 評(píng) 論 III- V族化合物半導(dǎo)體整體多結(jié)級(jí)連太陽(yáng)電池 光伏技術(shù)的新突破 陳文浚 帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶， 不能對(duì)光生電流產(chǎn)生貢獻(xiàn)， 這構(gòu)成了光電 轉(zhuǎn)換中的電流損失。而能量高于半導(dǎo)體帶隙寬度的光子只能 將 一 個(gè) 電 子 激 發(fā) 到 導(dǎo) 帶， 把 與 帶 隙 寬 度 相 當(dāng) 的 能 量 傳 給 光 生 載流子， 多余的能量則將以聲子的形式傳給晶格， 變成熱能， 構(gòu)成光電轉(zhuǎn)換中所謂的電壓損失。因此， 若選擇窄帶隙半導(dǎo) 體， 則太陽(yáng)電池的短路電流密度高而開(kāi)路電壓低； 若選擇寬帶 隙半導(dǎo)體， 則

2、太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓高而短路電流密度低。 此 顧 而 失 彼 ， 除 非 引 入 新 的 機(jī) 理 ， 其 光 電 轉(zhuǎn) 換 效 率 為 固 有 的 帶 隙 寬 度 所 限 制 ， 非 聚 光 條 件 下 的 理 論 上 限 為 。 使 是 帶 隙 寬 即 度 與 太 陽(yáng) 光 譜 較 為 匹 配 的 單 結(jié) 電 池 ， 已 實(shí) 現(xiàn) 的 效 率 的 最 好 結(jié) 果 也 僅 為 。 作者近照 顯然， 以多種帶隙寬度不同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成級(jí)連太陽(yáng) 電池， 用各級(jí)子電池去吸收利用與其帶隙寬度最相匹配的那 部分太陽(yáng)光譜， 從而減小上述單結(jié)電池在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中的 “ 電 流 損 失 ”和 電 壓 損 失 ”， 是

3、 突 破 上 述 光 電 轉(zhuǎn) 換 效 率 限 制 “ 的最好途徑。 圖 所示， 當(dāng)設(shè)計(jì)方案為各級(jí)子電池相互疊加 如 時(shí)， 子電池要按材料的帶隙寬度從寬到窄依次排列。 陽(yáng)光首 太 先進(jìn)入頂部帶隙最寬的第一級(jí)， 未被吸收的波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光則 逐級(jí)向下透射進(jìn)入下層各級(jí)電池， 直至被全部吸收。 事實(shí)上， 早 在硅太陽(yáng)電池在貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生的第二年， 即 年， 就已經(jīng) 有人提出這樣的設(shè)計(jì)思想。 從上個(gè)世紀(jì) 年代起， 在硅和砷化 鎵等單結(jié)太陽(yáng)電池達(dá)到較高性能水平后， 為了實(shí)現(xiàn)更高的光電 轉(zhuǎn)換效率， 人們開(kāi)始更多地注意多結(jié)級(jí)連太陽(yáng)電池的研究， 有 越來(lái)越多的論文對(duì)理論設(shè)計(jì)和方案選擇開(kāi)展探討 。 實(shí)現(xiàn)多結(jié)級(jí)連太陽(yáng)電

4、池結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單易行的方法就是分別 制備各級(jí)子電池， 然后把它們機(jī)械地疊加起來(lái)。 例如， 有人曾用 帶隙為 的 族 化 合 物 半 導(dǎo) 體 和 帶 隙 約 為 從 年 第 一 只 光 電 轉(zhuǎn) 換 效 率 達(dá) 到 實(shí) 際 應(yīng) 用 水 平 的 硅 太 陽(yáng) 電 池 在 美 國(guó) 貝 爾 實(shí) 驗(yàn) 室 誕 生 起 ， 光 伏 技 術(shù) 已 有 了 多 年 的 發(fā) 展 歷 史 。 在 上 個(gè) 世 紀(jì) 年 代 引 發(fā) 的 能 源 危 機(jī) 刺 激 下 ， 在 空間飛行器能源系統(tǒng)需求的牽引下， 這一技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)不斷取 得 重 要 技 術(shù) 突 破 。晶 體 硅 太 陽(yáng) 電 池 、 晶 硅 薄 膜 太 陽(yáng) 電 池 、 非 族

5、 化 合 物 半 導(dǎo) 體 多 晶 薄 膜 族 化 合 物 半 導(dǎo) 體 太 陽(yáng) 電 池 、 太陽(yáng)電池等， 越來(lái)越多的太陽(yáng)電池技術(shù)日趨成熟。 電轉(zhuǎn)換效 光 率的不斷提高及制造成本的持續(xù)降低， 使今天的光伏技術(shù)在 空間和地面都得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。而回顧和評(píng)價(jià)光伏 技 術(shù) 在 最 近 年 的 進(jìn) 展 ， 基 于 砷 化 鎵 的 族 化 合 物 半 導(dǎo) 體多結(jié)太陽(yáng)電池技術(shù)的迅速發(fā)展應(yīng)是最引人矚目的里程碑式 突 破 。 時(shí) 至 今 天 ， （ ） 三 結(jié) 級(jí) 連 太 陽(yáng) 電 池 大 規(guī) 模 生 產(chǎn) 的 平 均 效 率 已 接 近 ， 使 年 前 占 據(jù) 空 間能源應(yīng)用主導(dǎo)地位的硅太陽(yáng)電池幾乎讓出了全部

6、空間市 場(chǎng) 。在 高 倍 聚 光 條 件 下 ， 這 種 多 結(jié) 太 陽(yáng) 電 池 的 實(shí) 驗(yàn) 室 效 率 已 接 近 。極 高 的 光 電 轉(zhuǎn) 換 效 率 使 其 在 未 來(lái) 的 年 里有可能與傳統(tǒng)的平板式硅太陽(yáng)電池發(fā)電系統(tǒng)在地面應(yīng)用中 爭(zhēng) 奪 市 場(chǎng) 。 最 近 的 發(fā) 展 動(dòng) 態(tài) 表 明 ， 族 化 合 物 半 導(dǎo) 體 多 結(jié) 太陽(yáng)電池， 作為光伏領(lǐng)域內(nèi)新的技術(shù)突破， 有著廣闊的發(fā)展與 應(yīng)用前景。 的 族 化 合 物 半 導(dǎo) 體 構(gòu) 成 的 雙 結(jié) 電 池 實(shí) 現(xiàn) 了 的 光電轉(zhuǎn)換效率 。由 和 構(gòu)成的機(jī)械疊加雙結(jié)電池也都曾實(shí)現(xiàn)較高的性能。但即使是 對(duì) 于 最 簡(jiǎn) 單 的 雙 結(jié) 電 池，

7、 機(jī) 械 級(jí) 連 的 方 法 也 具 有 難 以 克 服 的 缺 點(diǎn) 。 先 ， 頂 電 池 對(duì) 于 底 電 池 必 須 是 透 明 ”的 。 使 用 厚 襯 首 當(dāng) “ 多結(jié)級(jí)連太陽(yáng)電池的高 光電轉(zhuǎn)換效率機(jī)理和發(fā) 展背景 基于只有能量高于半導(dǎo)體帶隙寬 作者簡(jiǎn)介： 陳文浚 （ ）， 男， 北京市人?，F(xiàn)為中國(guó)電 子 科 技 集 團(tuán) 第 十 八 研 究 所（ 天津電源研究所） 研究員級(jí)高級(jí)工程師。 年畢業(yè)于清華大學(xué)半導(dǎo)體材料與 器件專(zhuān)業(yè)。三十七年來(lái)一直在第一線(xiàn)從事太陽(yáng)電池的基礎(chǔ)研究與生產(chǎn) ， 曾獲得八項(xiàng) 國(guó)家及部市級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)。從 年起享受政府特殊津貼， 年國(guó)家勞動(dòng)人事 部授予 有突出貢獻(xiàn)中、 青

8、年專(zhuān)家 稱(chēng)號(hào)。在過(guò)去的十年里， 領(lǐng)導(dǎo)組建了國(guó)內(nèi)第一條 砷 化 鎵 太 陽(yáng) 電 池 金 屬 有 機(jī) 物 氣 相 外 延（ ） 生 產(chǎn) 線(xiàn) ， 專(zhuān) 門(mén) 從 事 基 于 砷 化 鎵 的 單結(jié)與多結(jié)電池研究與生產(chǎn)。第六屆全國(guó) 學(xué)術(shù)會(huì)議以后， 為歷屆此會(huì)議組 織委員會(huì)委員。 度的個(gè)光子才能且只能激發(fā)產(chǎn)生一對(duì) 光生載流子的原理， 由單一半導(dǎo)體材料 構(gòu)成的單結(jié)太陽(yáng)電池只能將太陽(yáng)光譜 中的某一部分有效地轉(zhuǎn)化為電能。 量 能 低于半導(dǎo)體帶隙寬度的光子無(wú)法將價(jià) 評(píng) 論 的 課 題 。 后 一 種 途 徑， 雖 永 遠(yuǎn) 無(wú) 法 達(dá) 到 與 太 陽(yáng) 光 譜 的 最 佳 匹 而 配， 卻更容易實(shí)現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效率的現(xiàn)實(shí)目

9、標(biāo)。 是這后一種 正 選 擇 實(shí) 現(xiàn) 了 我 們 今 天 所 看 到 的 ， 以 三 結(jié) 級(jí) 連 太 陽(yáng) 電 池 為 代 表 的 光 伏 技 術(shù) 新 突 破 。 事 實(shí) 上 ， 由 于 單 結(jié) 電 池 從 上 個(gè) 世 紀(jì) 年 代 初 開(kāi) 始 已 通 過(guò) 方 法 投 入 成 熟 的 大 規(guī) 模 生 產(chǎn) ， 雖 然 有 人 嘗 試 過(guò) 兩 等 其 它 材 料 系 統(tǒng) ， 而 早 期 的 晶 格 匹 配 、 端 整 體 級(jí) 連 電 池 的 研 究 主 要 集 中 于 雙 結(jié) 電 池 。盡 管 早 在 上 世 紀(jì) 年 代 末 已 實(shí) 現(xiàn) 很 高 的 轉(zhuǎn) 換 效 率 ， 但 雙 結(jié) 電 池 的 進(jìn) 一

10、步 發(fā) 展 卻 受 到 限 制 。 由 于 與 底 電 池 相 搭 配 ， 頂 電 池 的 組 分 要 足 夠 高 ， 以 使 帶 隙 寬 度 接 近 圖 多結(jié)疊層級(jí)連太陽(yáng)電池示意圖 。這 時(shí) 已 從 直 接 帶 隙 材 料 轉(zhuǎn) 變 為 間 接 帶 隙 材 料 （ 見(jiàn) 圖 ） ， 實(shí) 現(xiàn) 電 流 匹 配 則 需 要 相 當(dāng) 厚 的 頂 電 池 。 而 且 ， 底時(shí)， 攙雜濃度不能太高。 外， 如圖 所示， 頂層電池的下電 另 極金屬接觸也必須象上電極一樣做成柵線(xiàn)構(gòu)型， 而且要與兩 級(jí)子電池的上電極圖形精確對(duì)準(zhǔn)。兩級(jí)子電池一般具有 個(gè) 輸 出 端（ ） ， 通 常 要 在 電 學(xué) 上 先 把 幾

11、 個(gè) 同 級(jí) 子 電 池 互 連， 再去與另一級(jí)子電池相連接， 對(duì)外構(gòu)成一個(gè)兩端器件。 ， 如 先 將 只 電 池 串 連 實(shí) 現(xiàn) 與 （） 頂 電 池 的 電 壓 匹 配 ， 再 把 兩 級(jí) 電 池 并 連 成 兩 端 器 件 。 電 學(xué) 上 互 連 的 復(fù) 雜 程 度 使機(jī)械級(jí)連疊層電池很難真正投入大規(guī)模的生產(chǎn)與應(yīng)用。機(jī) 械級(jí)連電池的各級(jí)子電池一般都要使用各自的襯底， 這也大 大增加了制造成本。 生 長(zhǎng) 時(shí) ， 源 對(duì) 殘 余 氧 的 敏 感 性 也 為 制 備 高 質(zhì) 量 的 高 組 分 帶 來(lái) 困 難 。 圖 兩端 雙結(jié)級(jí)連太陽(yáng)電池示意圖 半 導(dǎo) 體 材 料 外 延 生 長(zhǎng) 技 術(shù) ，

12、 特 別 是 族 化 合 物 半 導(dǎo) 體 的 金 屬 有 機(jī) 物 氣 相 外 延（ ） 技 術(shù) 的 成 熟 發(fā) 展 使 得 制 備 整體集成式多結(jié)級(jí)連太陽(yáng)電池成為可能。由圖 所示的模擬 計(jì) 算 結(jié) 果 看 ， 雙 結(jié) 級(jí) 連 電 池 的 材 料 最 佳 匹 配 選 擇 應(yīng) 是 頂 電 池 和 底 電 池 的 帶 隙 寬 度 分 別 為 和 左 右 。雖 然 近 幾 年 有 人 報(bào) 道 了 在 （ 為 ） 襯 底 上 直 接 生 長(zhǎng) 晶 格 匹 配 的 四 元 化 合 物 半 導(dǎo) 體（ 為 ） 的 研 究結(jié)果 （ ） 子電池電流匹配（ 虛線(xiàn)以下部分） （ ） 頂電池?zé)o窮厚 圖 雙結(jié)級(jí)連太陽(yáng)電池的

13、 理論效率 與子電池帶隙寬度的關(guān)系 等 于 上 世 紀(jì) 年 代 中 期 率 先 開(kāi) 展 了 晶 格 匹 配 整 體 級(jí) 連 雙 結(jié) 電 池 的 研 究 。如 圖 所 示 ， 與 晶 格 匹 配 的 具 有 與 高 組 分 相 當(dāng)?shù)膸秾挾龋?卻不存在上面所提到的兩個(gè)問(wèn)題。 可能是由 很 于 受 到 當(dāng) 時(shí) 源 和 設(shè) 備 水 平 的 限 制 ， 在 早 期 很 難 生 長(zhǎng) 出 高 質(zhì) 量 的 材 料 ， 因 此 這 一 方 案 并 不 被 看 好 。 但 隨 著 技 術(shù) 的 發(fā) 展 和 對(duì) 越 來(lái) 越 深 入 的 認(rèn) 識(shí) ， ， 但在實(shí)踐上很難找到在帶隙寬度上如此理想搭配， 晶格常數(shù)又非常匹配

14、的兩種材料來(lái)實(shí)現(xiàn)整體級(jí)連電池結(jié)構(gòu)。 人們不得不在兩種相反的技術(shù)途徑之間擇其一： 優(yōu)先考慮光 學(xué)和電學(xué)上的要求， 即對(duì)帶隙寬度的要求， 努力去用晶格漸 變、 晶格結(jié)構(gòu)等方法實(shí)現(xiàn)非晶格匹配材料的生長(zhǎng)； 優(yōu)先考慮 超 晶體學(xué)上的要求， 即對(duì)材料晶格匹配的要求， 以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量晶 體材料的生長(zhǎng)， 而放寬對(duì)帶隙寬度的最佳匹配選擇。 今為止 迄 的實(shí)踐表明， 非晶格匹配材料的生長(zhǎng)始終是個(gè)難以理想解決 雙 結(jié) 電 池 迅 速 取 得 超 過(guò) 其 它 任 何 材 料 系 統(tǒng) 所 達(dá) 到 的 轉(zhuǎn) 換 效 率 ， 第 一 次 實(shí) 現(xiàn) 了 把 的 陽(yáng) 光（ ， 非 聚 評(píng) 論 三 結(jié) 空 間 電 池 的 持 續(xù) 進(jìn)步

15、 當(dāng)前應(yīng)用衛(wèi)星的兩個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)， 即大功率及超大功 率通信衛(wèi)星和用于各種目的的小型及超小型衛(wèi)星， 都對(duì)太陽(yáng) 電 池 性 能 提 出 了 更 高 的 要 求 。 三 結(jié) 電 池 正 是 在這種空間應(yīng)用的需求牽引下產(chǎn)生和發(fā)展的。 上所述， 在最 如 近 年 里 ， 這 項(xiàng) 技 術(shù) 進(jìn) 步 之 快 ， 光 電 轉(zhuǎn) 換 效 率 的 上 升 、 破 之 突 持續(xù)和迅速， 是光伏技術(shù)發(fā)展史上其它類(lèi)型太陽(yáng)電池所沒(méi)有 經(jīng) 歷 過(guò) 的 。 于 轉(zhuǎn) 換 效 率 遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 高 于 太 陽(yáng) 電 池 和 單 由 結(jié) 電 池 ， 三 結(jié) 電 池 的 應(yīng) 用 使 太 陽(yáng) 方 陣 的 面 積 圖 部分 族化合物半導(dǎo)體的帶隙寬

16、度與晶格常數(shù) 比功率和質(zhì)量比功率都得到改進(jìn)， 且在系統(tǒng)水平上降低了單 位功率的制造成本。在這一領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位的是美國(guó) 波 音 公 司 下 屬 的 子 公 司 。 我 們 可 以 通 過(guò) 解 讀 光） 轉(zhuǎn)換成電能 ， 成為整體多結(jié)級(jí)連太陽(yáng)電池研究的關(guān)注 焦 點(diǎn) 。 與 此 同 時(shí) ， 以 單 晶 片 為 襯 底 的 太 陽(yáng) 電 池 已 大 量 應(yīng) 用 于 衛(wèi) 星 能 源 系 統(tǒng) 。 等 在 雙 結(jié) 電 池 研 究 中 所 取 得 的 成 果 ， 在 上 個(gè) 世 紀(jì) 年 代 中 期 很 快 以 技 術(shù) 轉(zhuǎn) 讓 的 形 式 在 美 國(guó) 的 兩 個(gè) 空 間 電 池 生 產(chǎn) 廠(chǎng) 家（ 和 ） 實(shí)

17、現(xiàn) 商 業(yè) 化 應(yīng) 用 。 年 月 ， 裝 備 了 襯 底 這 雙 結(jié) 電池 的 第 一 顆 商 業(yè) 通 信 衛(wèi) 星 被 發(fā) 射 升 空 。 顆 美 國(guó) 休 斯 公 司 的 電 視 直 播 衛(wèi) 星 ， 不 改 變 太 陽(yáng) 方 陣 的 原 有 設(shè) 計(jì) ， 僅 僅 以 平 均 效 率 為 的 雙 結(jié) 電 池 取 代 太 陽(yáng) 電 池 ， 方 陣 的 輸 出 功 率 就 從 提 高 了 一 倍 ， 達(dá) 到 ， 大 大 增 加 了 衛(wèi) 星 的 有 效 載 荷 ， 成 為 空 間 能源系統(tǒng)的一個(gè)新的里程碑。 從 圖 可 以 看 到 ， 、 和 從 上 到 下 三 點(diǎn) 成 一 線(xiàn) ， 帶 隙 寬 度 分 別

18、 為 、 和 ， 正 好 構(gòu) 成 晶 格 匹配的級(jí)連三結(jié)電池材料系統(tǒng)， 雖然并不完全理想。 外延生 在 長(zhǎng) 中 間 電 池 和 頂 電 池 的 同 時(shí) ， 通 過(guò) 控 制 族 和 在 這 一 領(lǐng) 域 內(nèi) 所 解 決 的 各 項(xiàng) 關(guān) 鍵 技 術(shù) 來(lái) 了 解 這 一 技 術(shù) 最 近 年 來(lái) 的 進(jìn) 展 。圖 為 的 各 種 效 率 水 平 的 太 陽(yáng) 電 池 第 一 次 應(yīng) 用 于 空 間 飛 行 器 的 年 代 表 。 從 圖 中 可 以 看 到 ， 多 結(jié) 電 池 的 進(jìn) 步 速 度 和 趨 勢(shì) 與 太 陽(yáng) 電 池 及 單 結(jié) 電 池 形 成 鮮 明 對(duì) 比 。 的 多 結(jié) 電 池 已 經(jīng) 歷

19、 四 代 更 新 ， 即 雙 結(jié)（ ） 三 、 結(jié)（ ） ） 、改 進(jìn) 型 三 結(jié)（ ， 平均 和 超 高 效 三 結(jié)（ ） 效 率（ ， ） 分 別 為 、 、 和 。 產(chǎn) 品的效率水平差不多平均每年提高一個(gè)絕對(duì)百分點(diǎn)。圖 為 這 四 代 多 結(jié) 電 池 的 效 率 分 布 圖 ， 從 中 我 們 可 以 清 晰 地 看 到 電 池性能的持續(xù)進(jìn)步。 族 元 素 向 襯 底 中 的 擴(kuò) 散 ， 可 以 在 襯 底 表 面 形 成 結(jié) ， 構(gòu) 成 底 電 池 ， 從 而 形 成 整 體 級(jí) 連 三 結(jié) 結(jié) 構(gòu) 。 雙 結(jié) 電 池 在 和 很 快 演 變 為 三 結(jié) 電 池 。 盡 管 即 ） 極

20、 性 的 （ 三 結(jié) 電 池 也 曾 實(shí) 現(xiàn) 了 很 高 的 轉(zhuǎn) 換 效 率 ， 但 相 反 極 性 ， 即 （ ） 型的 三結(jié)電池被證 明 在 兩 個(gè) 方 面 更 具優(yōu)越性：（ ） 相對(duì)于 型構(gòu)型， 型頂 電 池 更 易 于 制 備 成 淺結(jié)卻又不影響發(fā)射區(qū)的薄層電阻， 從而改進(jìn)頂電池短波響 應(yīng) ；（ ） 基 區(qū) 比 具 有 高 得 多 的 遷 移 率 和 抗 輻照性能。 從 上 個(gè) 世 紀(jì) 年 代 后 期 開(kāi) 始 ， 隨 著 在 圖 各種效率水平的太陽(yáng)電池第一次上天的年代 年 第 一 次 報(bào) 道 了 型 的 三 結(jié) 電 池 的 小 批量 生 產(chǎn) 結(jié) 果 ， 各 空 間 電 池 生 產(chǎn) 廠(chǎng)

21、家 都 全 力 以 赴 投 入 型 三 結(jié) 電 池 的 研 究 。 電 池 性 能 記 錄 被 不 斷 刷 新， 新的產(chǎn)品相繼被應(yīng)用于新一代的大功率商業(yè)通信衛(wèi)星。 進(jìn) 入 世 紀(jì) 后 ， 極 高 的 光 電 轉(zhuǎn) 換 效 率 使 人 們 開(kāi) 始 意 識(shí) 到 ， 三 結(jié) 電 池 完 全 可 以 以 聚 光 電 池 的 形 式 去 開(kāi)辟地面應(yīng)用市場(chǎng)。很多公司和研究機(jī)構(gòu)都相繼投入了高倍 聚 光 多 結(jié) 電 池 的 研 制， 大 部 分 聚 光 系 統(tǒng) 開(kāi) 發(fā) 商 也 都 開(kāi) 始 積 極 探 索 用 新 一 代 的 多 結(jié) 電 池 取 代 過(guò) 去 的 高 效 硅 太陽(yáng)電池。 伏技術(shù)發(fā)展達(dá)到了新的高度，

22、其造福于人類(lèi)的應(yīng) 光 用展現(xiàn)出新的前景。 圖 四代多結(jié)電池的效率分布圖 評(píng) 論 如 圖 所 示 ， 典 型 的 三 結(jié) 電 池 由 近 層 材料結(jié)構(gòu)構(gòu)成。每一層的晶體質(zhì)量和外延生長(zhǎng)工藝控制都會(huì) 影 響 器 件 的 性 能 。 上 個(gè) 世 紀(jì) 年 代 以 來(lái) ， 設(shè) 備 與 技 術(shù)的成熟發(fā)展， 使得人們?cè)诤軐挼淖杂啥葍?nèi)優(yōu)化 充因數(shù)和電流密度等性能。 技 術(shù) 的 進(jìn) 步 使 得 隧 穿 結(jié) 的 整 體 生 長(zhǎng) 成 為 可 能 。 關(guān) 鍵 要 求 是 ：（ ） 高 度 均 勻 的 超 其 薄外延層生長(zhǎng)；（ ） 高攙雜的 層和 層之間具有陡峭的界 面。 早期的 隧穿結(jié) 應(yīng)用于 中間電池和 底電池 之間

23、的連接雖無(wú)問(wèn)題， 但在用來(lái)連接 頂電池和 電 池中間時(shí)， 盡管隧穿結(jié)的電學(xué)性能在后來(lái)得到了很大改 進(jìn) ， 隧 穿 結(jié) 的 光 吸 收 會(huì) 影 響 到 中 間 電 池 的 短 路 電 流 密 度 。 為 此 ， 人 們 研 制 了 ， 但 甚 至 等 寬 帶 隙 隧 穿 結(jié) 。 是， 隨著帶隙寬度的升高， 隧穿結(jié)的隧穿幾率和峰值電流 會(huì)下降。實(shí)際上， 作為寬帶隙隧穿結(jié)， 應(yīng)用得最多的還是 多 結(jié) 電 池 的 復(fù) 雜 結(jié) 構(gòu) 成 為 可 能 。 極 高 的 外 延 層厚度與材料組分均勻性， 超薄層結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確控制， 陡峭的層 間截面， 材料組分和雜質(zhì)濃度的高精度控制或漸變分布控制， 寬 范 圍 的

24、材 料 源 選 擇 等 等 ， 都 為 多 結(jié) 電 池 技 術(shù)的發(fā)展提供了必要條件。 材料體系。 與 襯 底 完 全 晶 格 匹 配 的 三結(jié)電池 上 述 兩 項(xiàng) 關(guān) 鍵 技 術(shù) 解 決 后 ， 三 結(jié) 電 池 結(jié) 構(gòu)的實(shí)現(xiàn)已僅僅是材料外延生長(zhǎng)程序的編制問(wèn)題。 為， 在這 因 之 前 人 們 已 對(duì) 和 單 結(jié) 電 池 有 了 足 夠 的 了 解 。 于 是 ， 在 上 個(gè) 世 紀(jì) 年 代 中 期 誕 生 了 第 一 代 三 結(jié)電池 。其典型的性能參數(shù)為 ： ； ， 使 電 池 效 率 限 制 在 左 右 。 進(jìn) 入 世 紀(jì) 后 ， 一 項(xiàng) 極 其簡(jiǎn)單， 卻很有意義的 技 術(shù) 應(yīng) 用 使 基

25、于 的 三 結(jié) 電 池 的 效 率水平上升到一個(gè)新的臺(tái)階。 如果仔細(xì)觀(guān)察， 從圖 可以看出， 圖 典型的 三結(jié)電池結(jié)構(gòu)示意圖 和 并不是精確的處在一條晶格匹配直線(xiàn)上。實(shí)際上， 室溫下 的晶格常數(shù)為 ， 比 （ ） 高 約 。 第 一 代 三 結(jié) 電 池 的 外 延 層 是 與 族 半 導(dǎo) 體 極 性 材 料 在 非 極 性 單 晶 襯 底上的成核（ ） 技術(shù) 在 非 極 性 的 襯 底 上 外 延 生 長(zhǎng) 這 樣 的 極 性 材 料 ， 晶 格 匹 配 的 ， 與 襯 底 則 構(gòu) 成 約 的 晶 格 失 配 。 即 使 如 此 小 的 晶 格 失 配 也 會(huì) 在 外 延 層 中 引 起 應(yīng) 力

26、 ， 從 而 影 響 到 少 數(shù) 載 流 子 壽 命 。 在 摻 入 約 的 ， 則 可 以 實(shí) 現(xiàn) 與 的 嚴(yán) 格 晶 格 匹 配 ， 完 全 消 除 （） 外 延 層 中 的 應(yīng) 力 ， 使 少 數(shù) 載 流 子 壽 命 提 高 達(dá) 兩 個(gè) 數(shù) 量 級(jí) 。 這 將 大 大 改 進(jìn) 容 易 形 成 反 相 疇（ ） 缺 陷 。 但 這 在 早 期 的 襯 底 太陽(yáng)電池的外延生長(zhǎng)技術(shù)中已得到較好的解決。對(duì)于多結(jié)電 池來(lái)說(shuō)， 現(xiàn)在要解決的是， 第一層外延層， 即成核層的沉積， 除了要為后繼外延層的高質(zhì)量生長(zhǎng)提供基礎(chǔ)外， 還要通過(guò)控 制 和 族 雜 質(zhì) 向 襯 底 內(nèi) 的 擴(kuò) 散 在 襯 底 表 面

27、 形 成 （） 中 間 電 池 對(duì) 光 生 載 流 子 的 收 集 ， 提 高 電 池 的 短 路 電 流 密 度 。而 且 的 摻 入 將 使 （） 的 帶 隙 變 窄 。筆 者 測(cè) 得 的 與 完 全 晶 格 匹 配 的 （） 的 帶 隙 寬 度 為 ， 與 文 獻(xiàn) 報(bào) 道 的 結(jié) 果 一 致 。 這 將 使 其 吸 收 限 紅 移 ”十 幾 “ 結(jié) ， 以 形 成 性 能 良 好 的 底 電 池 。對(duì) 于 結(jié) 構(gòu) ， 族 的 擴(kuò) 散 應(yīng) 占 主 導(dǎo) ， 以 在 型 襯 底 內(nèi) 形 成 結(jié) 。 而 對(duì) 于 結(jié) 構(gòu) ， 則 族 的 擴(kuò) 散 應(yīng) 占 主 導(dǎo) ， 以 在 型 襯 底 內(nèi) 形 成

28、結(jié) 。 早 期 的 型 三 結(jié) 電 池 仍 延 用 單 結(jié) 電 池 外 延 工 藝 如 圖 ， 使 用 成 核 層 。 后 來(lái) 的 工 作 表 明 ， 以 作 為 成 核 層 ， 通 過(guò) ， 而 不 是 的 擴(kuò) 散 ， 可 以 更 好 地 控 制 結(jié) 的 性 能 。 制 結(jié) 深 度 ， 改 進(jìn) 發(fā) 射 區(qū) 表 面 控 鈍 化 ， 形 成 性 能 優(yōu) 良 的 底 電 池 是 提 高 三 結(jié) 電 池 轉(zhuǎn) 換 效 率 的 關(guān) 鍵 之 一 ， 。 ， 向 紅 外 方 向 擴(kuò) 展 （） 中 間 電 池 的 光 吸 收 范 圍 。 這 成為提高中間電池的短路電流密度的另一個(gè)或許是更重要的 一 個(gè) 因 素

29、。 同 時(shí) ， 頂 電 池 也 應(yīng) 調(diào) 整 比 及 電 池 基 區(qū) 厚 度 ， 與 達(dá) 到 完 全 晶 格 匹 配 并 與 （） 中 間 電 池 實(shí) 現(xiàn) 電 流 匹 配 。盡 管 開(kāi) 始 時(shí) 等 開(kāi) 發(fā) 商 對(duì) 此 避 而 不 談 ， 但 事 實(shí) 上 正 是 這 一 改 進(jìn) 使 第 一 代 三 結(jié) 電 池 的 電 流 密 度 提 高 左 右 ， 升 至 。從 而 使 電 池 效 率 水 平 提 高 近 兩 個(gè) 百 分 點(diǎn) ， 升 級(jí) 到 第 二 代 產(chǎn) 品 ， 即 所 謂 的 。 與 第 一 代 三 結(jié) 電 池 相 比 ， 的 開(kāi) 路 電 壓 也 有 近 的 改 進(jìn) 。這 是 由 于 外 延

30、層 中 應(yīng) 力 的 消 除 顯 著 改 進(jìn) 了 （） 的 晶 體 質(zhì) 量 。 作 為 晶 體 質(zhì) 量 的 表 征 ， 由 光 衍 射 測(cè) 定 的 半 峰 寬（ ） 從 多 弧 秒 下 降 到 弧 秒 以 下 。 隧穿結(jié) 整體多結(jié)級(jí)連電池的另一項(xiàng)基本關(guān)鍵技術(shù)是用隧穿結(jié)將 相鄰的兩級(jí)子電池連接起來(lái)， 既不能造成明顯的電壓損失 （ 隧 穿 結(jié) 上 的 壓 降 ） ， 也 不 能 引 起 太 大 的 電 流 損 失（ 隧 穿 結(jié) 的 光 吸 收 ） 。最 早 ， 人 們 只 能 設(shè) 法 用 金 屬 把 相 鄰 兩 級(jí) 子 電 池 之 間 的 反 級(jí) 性 界 面 短 路 掉 。 但 金 屬 短 路 法

31、需 要 進(jìn) 行 多 步 光 刻 套 刻和電池結(jié)構(gòu)的逐層腐蝕， 工藝復(fù)雜， 而且會(huì)影響到電池的填 提高頂電池帶隙寬度 晶 格 匹 配 的 （） 三 結(jié) 電 池 對(duì) 于 太 陽(yáng) 光 譜 評(píng) 論 來(lái) 說(shuō) ， 并 不 是 理 想 的 材 料 組 合 。要 實(shí) 現(xiàn) 頂 電 池 與 中 間 電 池 的 電流匹配設(shè)計(jì)， 要么不得不把頂電池減到足夠薄， 要么需要提 高 頂 電 池 材 料 的 帶 隙 寬 度 ， 以 使 足 夠 的 陽(yáng) 光 可 以 透 過(guò) 頂 電 池 ， 進(jìn) 入 （）中 間 電 池 。 顯 然 ， 后 一 個(gè) 途 徑 更 可 取 。 因?yàn)椋?提高頂電池的帶隙寬度將增加頂電池的開(kāi)路電壓， 從而

32、提高三結(jié)電池的整體開(kāi)路電壓。 前者， 雖然也能達(dá)到子電池 而 的電流匹配， 卻不能使頂電池更充分地利用太陽(yáng)光譜的短波 部分， 造成本文開(kāi)始時(shí)提到的電壓損失。 三結(jié)電池由于短路 在 電流密度的提高從第一代升級(jí)到第二代后， 如何提高頂電池 的帶隙寬度， 改進(jìn)電池的開(kāi)路電壓則成為進(jìn)一步改善電池電 性 能 的 焦 點(diǎn) 。 一 個(gè) 顯 而 易 見(jiàn) 的 方 法 是 用 四 元 合 金 取 代 。 我 們 前 面 提 到 的 外 延 生 長(zhǎng) 所 碰 到 的 問(wèn) 題 與 一 樣 ， 這 在 一 定 程 度 上 受 到 對(duì) 殘 余 氧 的 敏 感 性 的 限 制 。 另 一 條 途 徑 是 通 過(guò) 增 加 族 亞 晶 格 的 無(wú) 序 排 列 程 度 來(lái) 提 高 攙 的 帶 隙 寬