IIIV族化合物半导体整体多结级连太阳电池光伏技术的新突破续.docx
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IIIV族化合物半导体整体多结级连太阳电池光伏技术的新突破续
III-V族化合物半导体整体多结级连太阳电池-光伏技术的新突破-续-
底电池可比Ge更有效地利用太阳
的红外光谱。
而更重要的是,在这种晶格失配的
GaInP2/GaAs/GaInAs三结电池中,晶格失配缺陷将只影响到GaInAs底电池,而底电池对电池效转换率的贡献相对两级顶
电池来说要小得多。
AM0/AM1.5G阳光下光生电流密度按单位光子能量绘制的光
由谱分布曲线[32]。
于在Ga(In)As的吸收限(约880nm)以外,太阳光谱中仍有相当丰富的红外光可以被Ge底电池所利用,使其短路电流密度远远高于电流匹配的GaInP2/GaInAs两级顶电池。
了更有效地把太阳光能转变为电能,可以通过改变为
In/Ga组分比,调低GaInP2/GaInAs两级顶电池的带隙宽度。
当GaInAs中间电池带隙宽度为1.23eV左右,而GaInP顶电池
与其晶格匹配且III族亚晶格完全无序时,GaInP2/Ga(In)As/Ge三结电池的AM0理论效率最高
[32,36]
。
但此时,GaInP2/GaInAs
图8
具有宽带隙顶电池的GaInP/1%-InGaInAs/Ge三结电度按单位光子能量绘制的光谱分布[32]
池的外量子效率光谱响应及AM0/AM1.5G阳光下光生电流密
两级顶电池已与Ge衬底严重晶格失配,失配率接近1%[32]。
于是,GaInP2/Ga(In)As/Ge三结电池的研究者们,在沿着材料选择晶格匹配优先的途径走了很远以后又发现,或许应该再回过头来考虑另一条途径的优点,即通过努力实现晶格失配材料的外延生长来获得材料带隙宽度选择的更大自由度。
这一技术途径的关键在于如何减小因晶格失配引起的线缺陷对电池性能的影响。
采用逐步改变In组分的GaInAs缓冲层有可能较好地把晶格失配缺陷限制在初始外延层内,而不延伸进
3.2三级以上的多结整体级连电池
如上所述,现行GaInP2/Gas/Ge三结电池结构不能充分利用太阳中880nm以外的红外部分。
人们早就希望能在GaAs和Ge之间再加入另一级带隙宽度为1.0eV左右的子电池,
作者简介:
陈文浚(1945—),男,北京市人。
现为中国电子科技集团第十八研究所(天津电源研究所)研究员级高级工程师。
1968年毕业于清华大学半导体材料与器件专业。
三十七年来一直在第一线从事太阳电池的基础研究与生产,曾获得八项国家及部市级科技进步奖。
从1992年起享受政府特殊津贴,1994年国家劳动人事部授予"有突出贡献中、青年专家"称号。
在过去的十年里,领导组建了国内第一条砷化镓太阳电池金属有机物气相外延(MOVPE)生产线,专门从事基于砷化镓的单结与多结电池研究与生产。
第六届全国MOCVD学术会议以后,为历届此会议组织委员会委员。
GaInP2/GaInAs两级顶电池[36]。
但是,
尽管对于In组分为4%至8%的
GaInAs中间电池的设计已获得了相
当不错的结果,但晶格失配的
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评论
构成四结级连电池[40]。
由于掺入极少量的N就可以大大改变高能粒子辐照的能力将优于三结电池,从而有可能在实现与三结电池相近的BOL(寿命初期)效率时,在空间应用中获得更高的EOL(寿命终期)性能[37,38]。
GaAs的带隙宽度,与GaAs晶格匹配、eV的GaInNAs新1.0
材料在几年前吸引了广泛的关注。
但是,一定程度上受到MO源材料的限制,GaInNAs新材料的研究并未取得重大进展,其极短的少子扩散长度使作为第三级的GaInNAs子电池电流密度远低于预期的水平
[41 ̄45]
3.3超薄型和薄膜多结电池
质量对于空间能源系统是一个很重要的因素。
GaAs和
。
这使人们不得不暂时越过
[35,46]
Ge的密度比Si大一倍多,对降低单体电池的质量很不利。
尽
管用机械强度高的Ge取代GaAs后,基于GaAs的III-V族化合物半导体太阳电池的衬底厚度已从最初的0.35mm减薄到
GaInP/GaInAs/GaInNAs/Ge四结级连电池概念,把注意力更多
六地转向其它技术途径,探索五结、结级连电池的可行性。
图9为Spectrolab正在开发的五结和六结整体级连电结构示意图[1]。
由于太阳光谱被“平分”为与各级子电池带隙宽度相应的更多的区域(见图10),当各级子电池电流匹配时,电池的短路电流密度将低于四结电池设计。
少对于六结电池设计,至
0.20mm,再减薄到0.175mm,又进一步减至0.14mm,人们
仍希望能制备更薄的电池以实现更高的质量比功率。
通过把
Ge衬底减薄,德国的RWE和美国的Spectrolab都宣布已能
制备厚度0.7至0.1mm的GaInP2/GaAs/Ge,可弯曲的三结电池,尽管效率还只有23%左右[39,40]。
早在上个世纪80年代,J.C.C.Fan等就曾成功地把GaAs太阳电池结构从其外延衬底上剥离下来,制备成薄膜电池[49]。
基于GaAs的多结电池实现了迄今为止最高的光电转换效率后,研制III-V高效薄膜电池再次引起兴趣。
T.Takatomo等在
GaInNAs子电池有可能在实践上满足电流匹配的要求[1]。
洲欧
国家避开GaInNAs,很早就开始研究带隙宽度组合为2.14
eV/1.88eV/1.51eV/1.41eV/0.67eV的AlGaInP/GaInP/AlGaIn-As/GaInAs/Ge的五结电池,并进行了辐照实验。
在技术上,
[47]
五结和六结多结整体级连电池所面临的挑战是:
A.研制带隙宽度高于2.0eV的高性能AlGaInP第一级顶电池[48]。
B.实现
2004年首次报道了GaInP/GaAs双结薄膜太阳电池的研究结
果[50]并在2005年的第十五届PVSEC(上海)上展示了原型样品。
图11为其结构示意图和用塑料薄膜封装起来的实物照片。
通过在电池背面引入重搀杂的隧穿结改善与与金属膜间的欧姆接触,电池样品的AM0效率已达到22%[51]。
C.更理想的宽带隙隧穿结,用于顶层子电池间的互连[48]。
提高GaInNAs晶体质量,突破其对整体电池的电流限制。
在笔者
[1]
看来,由于前两项的限制,六级以上的多结整体级连电池在实践上将很难获得理论上所预期的更高的转换效率。
图9
五结和六结整体级连电结构示意图[1]
图11
GaInP/GaAs双结薄膜太阳电池
由于背面金属膜的光反射作用,双结薄膜电池的GaAs底电池可以减薄厚度而不会过多影响其电流密度,这将有助由于改进电池的抗辐照性能[43,49]。
于这种高效多结薄膜电池与薄膜封装技术相配合,将有可能实现500至1000W/kg的空
图10用六结级连电结的子电池带隙宽度将太阳光谱分区[1]
间PV系统质量比功率,Spectrolab等厂家最近也都开始了同样的探索[1,39]。
但无论如何,即便电池结构的外延生长和剥离并不成为问题,为满足空间应用的高可靠性要求,这种III-V族单晶薄膜高效电池的器件加工工艺和电池间的互连技术等将面临难度很大的挑战。
事实上,尽管已实现了高于5.2V的开路电压,迄今为止已演示的五结和六结整体级连电结的光电转换效率远远低于现行GaInP2/Ga(In)As/Ge三结电池,AM0效率仅为24%左右
[1,35]
。
然而,由于各级子电池具有更薄的光吸收区,其抗空间
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评论
4GaInP2/GaAs/Ge多结电池在高倍聚光系统中的应用前景
空间GaInP2/GaAs/Ge多结电池的成功发展也为地面应用的聚光太阳电池带来了新的希望。
在高倍聚光太阳电池发电两个百分点[60]。
这给早期的工作造成了混乱。
天津电源研究所在开展基于GaAs的多结级连电池的机理和材料研究的同时,逐渐健全了单结电池和整体三结级连电池光谱响应的相关测试手段,自制了双光源太阳模拟器并引进了美国Spectrolab的三结电池伏安特性测试专用太阳模拟器LAPSII,为GaInP2/GaAs/Ge三结电池研制提供了保证。
在通过GaInP2/GaAs双结电池研究对多结电池的结构和机理获得基本认识后,立即转入了三结电池的研究。
沿用GaAs/Ge单结电池的极性,首先在p/n型结构研究中取得突破,开路电压达到2.66V,比国外同类电池的研究结果高100mV至60
(HCPV)系统中,太阳电池的面积比非聚光系统要小几百倍。
电池本身的成本所占的比例相对很小,而电池的转换效率却对降低系统的发电成本起着重要作用[52]。
进入本世纪后,美欧国[46,52,53]、洲[54]和日本[55]几乎所有在多结电池研究领域内工作的研究小组都先后开展了多结聚光电池的研究。
在高倍聚光下,电池效率很快突破了美国能源部提出的“三分之一个太阳”,即33%的转换效率目标[32],并随着GaInP2/GaAs/Ge空间电池的进步升到37%,最后逼近40%[32]。
SolarSystem等原有的聚光系统生产商开始用GaInP2/GaAs/Ge三结电池取代原来的高效硅聚光电池[56],而DaidoSteel[57]和ConcentrixSolar[58]等从一开始就积极投入了III-V多结高效聚光电池系统的研发。
估算表明,应用GaInP2/GaAs/Ge多结电池的聚光系统的发电成本上完全有可能与传统的平板Si系统相比,在纬度较低的地区将更低于平板Si
[1,58]
mV[27]。
后,通过控制不同杂质向Ge衬底内的扩散实现了电随
池极性的反转,完成了第一代n/p型GaInP2/GaAs/Ge三结电池的研制。
由于从一开始就采用了与Ge衬底完全晶格匹配的技术方案和应用宽带隙隧穿结,批量生产的平均效率达到
26.5%以上[27],接近国外的第二代GaInP2/GaAs/Ge三结电池水
平。
在过去的一年里,通过改进顶电池发射区和窗口层设计,显著地提高了电池的短波响应。
同时,由于采用了III族亚晶格完全无序的宽带隙GaAlInP顶电池,电池的开路电压提高了100mV以上。
从图12可以清楚地看到这两项改进对
。
然而,尽管开发商们宣称,这
种新型的聚光发电系统将会在未来的几年内进入大型光伏发温电站市场,高精度跟踪、度控制和在运行环境下的可靠性等问题的真正解决并被市场认可,仍有待时日[56,59]。
Ga(Al)InP顶电池和Ga(In)As中间电池光谱响应的影响。
这
两项改进使电池性能迈上了一个新的台阶,由此获得的第二图代三结电池的批生产平均效率已达到28%。
13所示为第二代三结电池在LAPSII太阳模拟器下测得的最好结果,AM0效率达到29.6%。
天津电源研究所第二代三结电池的开路电压(AM0,25℃)超过2.66V,最高达到2.716V,这标志着产品水平已可与国外第三代三结电池相比。
也标志着,我国在基这于GaAs的多结级连电池技术领域已跻身于国际先进行列。
5国内III-V族多结电池的发展现状
“十五”期间,为跟踪国外在这一领域内的进展,天津电源研究所、安光机所和厦门三安光电技术有限公司(与上海西航天局811所协作)等单位利用已建立起来的MOVPE技术手段,先后开展了基于GaAs的多结级连电池的基础研究,并很快在各项关键技术上取得进展。
但是,与单结电池相比,多结电池的研制要远远复杂得多。
其测试评估技术本身就是一个难度很大的研究课题[60],缺少必要的测试手段就无法指导研究工作向着正确的方向调整电池的结构。
首先必须具备的测试手段就是准确地测定整体多结电池各级子电池的光谱响应,标定各级子电池的短路电流密度,以保证子电池在AM0或AM1.5光谱下的电流匹配设计原则。
对于GaInP2/GaAs/Ge三结电池,由于Ge底电池具有足够高的电流密度,光谱响应测试的主要目的是确定正确的GaInP顶电池的厚度,以实现与Ga(In)As中间电池的电流匹配。
事实上,对于空间应用,根据不同的飞行任务要求,需要将GaInP顶电池设计得更薄,以使辐照衰降大得多的Ga(In)As中间电池在飞行器寿命终期达到与顶电池的电流平衡。
为了准确地测定整体三结电池的伏安特性,更重要的是要建立多光源或光谱可分区调节的太阳模拟器,以便能在模拟器光源下复现各级子电池的短路电流。
简单地用普通单光源模拟器进行测试会引出极其荒唐的填结果,电池的短路电流、充因数和开路电压等参数都会有很大误差。
JeffreyH.
图12
天津电源研究所两代三结电池的两级顶电池光谱响应的对比
Warner等曾对在不同太阳模拟器下的
图13天津电源研究所第二代三结电池的最高测试结果
GaInP2/GaAs/Ge三结电池测试结果进行了比较。
即使在被普
遍使用的X25太阳模拟器下,转换效率的测试误差也超过了
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在今后的几年里,新一代的GaInP2/Ga(In)As/Ge三结电池将被应用于多个型号的科学实验及应用卫星,这将成为我国空间能源系统的又一个新的里程碑。
此同时,天津电源研究所与也开展了GaInNAs窄带隙新材料、应用GaAsP/GaInAs应力平衡量子阱结构扩展GaAs中间电池光谱响应范围和通过剥离技术置备GaAs薄膜电池等新技术的研究并取得了初步结果。
我们将和国际上的同行们一起去展望多结级连电池技术应用和进一步发展的美好未来!
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- IIIV 化合物 半导体 整体 多结级连 太阳电池 技术 突破