太陽能光伏技術(shù)經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，已經(jīng)在新能源領(lǐng)域確立了其重要地位。大力發(fā)展太陽能光伏發(fā)電已成為人類解決未來能源問題的重要途徑。在產(chǎn)業(yè)界，當(dāng)前太陽能技術(shù)的重點(diǎn)仍是硅太陽能電池，包括多晶硅和非晶硅薄膜電池等。

由于多晶硅和非晶硅薄膜電池具有相對(duì)較高的轉(zhuǎn)換效率和相對(duì)較低的成本，逐漸成為市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。而其它種類的薄膜電池由于技術(shù)不是很成熟，似乎很難在短期內(nèi)替代硅系太陽能電池。目前的硅系太陽能電池最高轉(zhuǎn)換效率只有20%左右，要想再進(jìn)一步提高已經(jīng)非常困難。眾所周知，提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽能光伏技術(shù)中的根本因素。開展高效太陽能電池技術(shù)研究，開發(fā)新的電池材料、電池結(jié)構(gòu)，也一直是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)。在這其中，高效多結(jié)太陽能電池技術(shù)的研究尤為引人注目。

認(rèn)識(shí)高效多結(jié)太陽能電池技術(shù)

一般所說的高效多結(jié)太陽能電池是指針對(duì)太陽光譜，在不同的波段選取不同頻寬的半導(dǎo)體材料做成多個(gè)太陽能子電池，最后將這些子電池串聯(lián)形成多結(jié)太陽能電池。目前研究較多的III-V族材料體系，如InGaP/GaAs/Ge三結(jié)電池，所報(bào)導(dǎo)的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)42.8%左右。也有選取II-VI族材料的，但目前還處于研究階段。本文將主要介紹InGaP/GaAs/Ge等III-V族材料體系。

圖1是一個(gè)典型的多結(jié)太陽能電池示意圖。其中頂層的InGaP電池、中層的GaAs電池和底層的Ge電池帶隙分別為1.86eV、1.40eV和0.65eV。在頂層和中層相鄰兩個(gè)電池間設(shè)有寬帶隙的異質(zhì)結(jié)構(gòu)隧道結(jié)，使得入射光能順利通過頂層電池到達(dá)中層的GaAs電池。同時(shí)提供高的結(jié)間勢(shì)壘，防止兩層中產(chǎn)生的少子擴(kuò)散。

多結(jié)太陽能電池經(jīng)過近十幾年的發(fā)展，其在太空領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，效率紀(jì)錄也不斷被刷新。但由于成本等原因，很難得以大規(guī)模地面推廣。因此必須盡可能地提高其轉(zhuǎn)換效率，降低成本，才能顯出其優(yōu)勢(shì)。

目前降低成本主要采用聚光鏡技術(shù)，將太陽光通過透鏡收集起來，大大減小了芯片的面積。日本夏普公司2007年底公布了1000倍聚光、轉(zhuǎn)換效率高達(dá)40％的4.5mm2的InGaPAs系多結(jié)太陽能電池單元。2008年初，Delaware大學(xué)的AllenBarnett的研究團(tuán)隊(duì)研制的超高效太陽能電池（VHESC），僅在20個(gè)太陽的聚光條件下即可實(shí)現(xiàn)42.8%的組合效率。2008年8月，美國(guó)能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）宣布，采用倒置贗形三結(jié)結(jié)構(gòu)的太陽能電池在326個(gè)太陽的聚光條件下，其光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)40.8%，并宣稱這是迄今為止光伏技術(shù)中被證實(shí)的最高效率。隨著效率紀(jì)錄不斷被刷新，高效多結(jié)太陽能電池的研發(fā)也正進(jìn)一步深入。

太陽能電池新材料的研發(fā)現(xiàn)狀

為了提高多結(jié)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，研究者們從新材料開發(fā)、器件結(jié)構(gòu)乃至整個(gè)系統(tǒng)等方面對(duì)多結(jié)太陽能電池進(jìn)行了優(yōu)化。在新材料開發(fā)方面，主要有摻氮材料、量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，以及In(Ga)N氮化物材料。

新型材料的研發(fā)始終是一個(gè)活躍的領(lǐng)域，研究者們首先想到的是摻氮材料。因?yàn)閺腎II-V族半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)關(guān)系圖中可以看出，對(duì)于GaInNAs材料四元材料的晶格和GaAs匹配，頻寬為在1.05eV附近，若將其加到GaInP/GaAs/Ge三結(jié)結(jié)構(gòu)上，產(chǎn)生的四結(jié)電池（1.88/1.42/1.05/0.67eV），其頻寬更加接近理想值。在具有相同結(jié)數(shù)的器件中，效率可達(dá)到最大。對(duì)于多結(jié)太陽能電池來說，它似乎是實(shí)現(xiàn)高效率的最理想的方法。但是，復(fù)雜的四元材料體系在生長(zhǎng)上很難保證材料的品質(zhì)，更無法保證材料的重復(fù)性穩(wěn)定性等問題。比如少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度的問題就阻礙了GaInNAs材料的進(jìn)展。近十年來，GaInNAs在光伏方面的應(yīng)用正在逐漸減少。

其次，量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)也是新材料開發(fā)方面的熱點(diǎn)。主要理念是將量子點(diǎn)層放在p-n結(jié)的耗盡區(qū)內(nèi)，在光生載流子復(fù)合之前被集中起來。這其實(shí)是一種使用中間帶的方法，通過提高量子效率來獲得高效率。很容易看出，必須有足夠多的高品質(zhì)量子點(diǎn)作為吸收層才能實(shí)現(xiàn)提高效率的目的，這就在量子點(diǎn)材料生長(zhǎng)方面提出了很高的要求。例如，日本筑波大學(xué)的研究者利用量子點(diǎn)的太陽能電池單元的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到8.54％。其量子點(diǎn)型太陽能電池是在p-n結(jié)之間層疊多個(gè)量子點(diǎn)層，在1cm2的GaAs襯底上交替疊加了30層GaNAs和30層InAs的超晶格結(jié)構(gòu)（見圖2）。在GaNAs上生長(zhǎng)InAs時(shí)，自組織生成高為3～4nm、直徑為20～30nm的量子點(diǎn)。同時(shí)，超晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致量子點(diǎn)之間產(chǎn)生結(jié)合后，在傳導(dǎo)帶上形成微帶，使各種波長(zhǎng)的光吸收成為可能。多個(gè)早期研究量子點(diǎn)的研究組目前正對(duì)量子點(diǎn)在太陽能電池中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究，如英國(guó)格拉斯哥大學(xué)、日本東京大學(xué)等。量子點(diǎn)型太陽能電池的理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)60％以上，是頗受矚目的高效太陽能電池的候選者之一。

InN和InGaN的全氮化物太陽能電池是一種非常吸引人的高效電池，理論上它可以連續(xù)復(fù)蓋0.7到2.4eV光譜。南京大學(xué)的研究者們通過計(jì)算得出，在理想情況下，InGaN材料應(yīng)用于單結(jié)、雙結(jié)和三結(jié)太陽電池時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率可分別高達(dá)27.3%、36.6%和41.3%。但是，氮化物本身也存在很多問題，如襯底材料選擇、材料品質(zhì)控制、p型材料的摻雜、隧道二極管的問題等，因此目前的研究還處于開發(fā)基礎(chǔ)材料和器件的階段。

器件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

器件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)也是提高多結(jié)太陽能電池效率的重要方法。器件結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)改進(jìn)方面主要包括贗形層結(jié)構(gòu)、機(jī)械疊加結(jié)結(jié)構(gòu)等等。

贗形層結(jié)構(gòu)是指在已有的GaInP/GaAs/Ge三結(jié)電池上增加一個(gè)晶格失配層（贗形層），其實(shí)這是結(jié)合材料生長(zhǎng)與器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種方法。

一般多結(jié)電池的外延層是晶格失配生長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生很多位錯(cuò)，減少了少子擴(kuò)散長(zhǎng)度，降低了器件性能。在贗形層結(jié)構(gòu)多結(jié)太陽能電池中，使用組分漸變方法在GaInP/GaAs雙結(jié)上生長(zhǎng)InGaAs結(jié)，使得所有位錯(cuò)都局限在低頻寬的InGaAs結(jié)中。其實(shí)贗形層方法在GaAs基HEMT的開發(fā)中廣泛應(yīng)用，近幾年在GaAs基長(zhǎng)波長(zhǎng)雷射器中也有應(yīng)用。值得一提的是，倒置的贗形層多結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)（IMM）是EMCORE公司的專利技術(shù)（見圖3），它采用倒置的方法生長(zhǎng)和Ge或GaAs襯底匹配的GaInP和GaAs結(jié)，InGaP首先被淀積在基于Ge襯底的子電池上面。這種設(shè)計(jì)保持了GaInP/GaAs結(jié)的品質(zhì)，它對(duì)整個(gè)器件總的發(fā)電能力具有決定性的作用。倒置贗性三結(jié)結(jié)構(gòu)據(jù)稱可與多項(xiàng)其它工藝相容，如柔性襯底。因?yàn)镚e襯底能夠被去除，從而器件可以安裝在如聚醯亞胺膠帶等柔性襯底上。

機(jī)械疊加多芯片結(jié)一般是指，將生長(zhǎng)在不同襯底上不同頻寬的電池壓焊到一起而形成所謂的多芯片結(jié)。如將Ge或GaAs襯底上的頻寬較寬的GaInP/GaAs多結(jié)結(jié)構(gòu)電池壓焊到InP襯底上的頻寬較窄的GaInAsP/GaInAs（1.05/0.75eV）串聯(lián)結(jié)構(gòu)電池之上。也可采用光電互連以及機(jī)械疊加相結(jié)合的方法，如Delaware大學(xué)的AllenBarnett的研究團(tuán)隊(duì)研制的超高效太陽能電池（VHESC），組合效率在20個(gè)太陽聚光條件下可達(dá)42.8%。這種超高效太陽能電池采用全新的橫向光學(xué)聚焦系統(tǒng)，使入射光的不同光譜波段被光學(xué)地分離和定向，然后被不同頻寬的太陽能電池所吸收（見圖4）。這種光學(xué)聚焦系統(tǒng)具有較寬的接收角度，從而不需要復(fù)雜的定位跟蹤系統(tǒng)。但是我們可以看出，機(jī)械疊加類型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在生長(zhǎng)工藝需要多種襯底，工藝中需要襯底的剝離，在外延層上壓焊芯片等，成本較高和而且器件品質(zhì)很難保證。

發(fā)展前景廣闊

高效多結(jié)太陽能電池技術(shù)的研究一直是太陽能光伏技術(shù)中的熱點(diǎn)之一，國(guó)外多家研究機(jī)構(gòu)、公司等投入了大量的人力物力。我國(guó)在這方面的研究起步也較早，如電子18所、航太811所、中科院半導(dǎo)體所等等。最近廈門三安的GaAs/Ge多結(jié)太陽能電池外延片關(guān)鍵技術(shù)研制及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目宣稱，其研制的多結(jié)太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)27%，遠(yuǎn)高于19.5%的硅電池最高轉(zhuǎn)換效率。并具有更強(qiáng)的抗輻照能力、更好的耐高性能，加上聚光技術(shù)的應(yīng)用（降低成本），將是新一代高性能長(zhǎng)壽命太陽能電池最具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)品。但我們可以看出，相比國(guó)外來說，轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低，并且器件指標(biāo)還有一定差距。總之，從新材料開發(fā)、器件結(jié)構(gòu)乃至整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，在高效多結(jié)太陽能電池方面還有很多工作值得進(jìn)一步深入研究。