提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率研究的最新進(jìn)展

劉廣玲，蔣欽林，肖志斌，張 辰

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300381；2.天津大學(xué)測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

太陽(yáng)能是取之不盡、用之不竭的清潔能源，在傳統(tǒng)能源日益枯竭、環(huán)境污染日漸嚴(yán)重的今天，開(kāi)展將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的太陽(yáng)電池的研究顯得尤為重要。同時(shí)，在外太空探測(cè)的過(guò)程中，太陽(yáng)能作為航天器能獲得的唯一的可再生能源，有它的不可替代性，已得到廣泛的應(yīng)用。利用光伏效應(yīng)的太陽(yáng)電池作為重要的清潔能源，一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，提高效率和降低成本是目前研究的重點(diǎn)。

太陽(yáng)電池只能把很少一部分太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，原因在于不管哪一種材料制造的太陽(yáng)電池都不能將全部的太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換為電流。這是因?yàn)樘?yáng)電池在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在電學(xué)損失和光學(xué)損失，也就是有一個(gè)光電轉(zhuǎn)換效率的問(wèn)題。要提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率，充分地利用太陽(yáng)能，就需要解決能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的電學(xué)損失和光學(xué)損失。

造成電學(xué)損失的主要原因是：載流子損失和歐姆損失。（1）載流子損失：由于結(jié)區(qū)太厚或摻雜濃度過(guò)高，導(dǎo)致載流子被中和；（2）歐姆損失：光生電流在電池中的傳輸過(guò)程中，由于太陽(yáng)電池內(nèi)部的串聯(lián)電阻轉(zhuǎn)化為熱能造成的損失。

造成光學(xué)損失的主要原因是：表面反射和電池材料本身的光譜響應(yīng)特性。（1）由于光的反射，大部分的陽(yáng)光不能進(jìn)入電池為太陽(yáng)電池所利用；（2）由于太陽(yáng)電池材料的光譜特性，導(dǎo)致電池只能吸收一定光譜范圍內(nèi)的光束。

因此，為提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率，無(wú)不從減少太陽(yáng)電池的光學(xué)損失和電學(xué)損失入手。針對(duì)電池的電學(xué)損失，主要的補(bǔ)償辦法是通過(guò)激光埋柵技術(shù)、背面電極電池等結(jié)構(gòu)的使用，減小歐姆損失和遮光損失；針對(duì)電池的光學(xué)損失，主要補(bǔ)償辦法是通過(guò)采用高聚光結(jié)構(gòu)、“金字塔”結(jié)構(gòu)等幾何結(jié)構(gòu)，或增鍍?cè)鐾改ぃ瑴p小反射損耗；或選用新的材料，采用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)等方法，提高對(duì)光能的利用率。

下面就這幾方面分別論述提高電池光電轉(zhuǎn)換效率的途徑。

1 減少電學(xué)損失的方法

電學(xué)損失來(lái)源包括載流子損失和歐姆損失。通過(guò)增加新的導(dǎo)電通路，減少遮光損失，可以大幅降低電量轉(zhuǎn)換損失。一般單晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率為14%～16%，而采用新的激光加工技術(shù)能提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

太陽(yáng)電池電極的制作過(guò)程是太陽(yáng)電池制造中非常重要的環(huán)節(jié)，該過(guò)程采用的金屬化工藝的優(yōu)劣，決定了遮光面積、串聯(lián)電阻損失。

由新南威爾士大學(xué)開(kāi)發(fā)的埋柵太陽(yáng)電池（BCSC）工藝就是其中一種，它使用激光或機(jī)械的方法，在氮化物或氧化物保護(hù)的輕擴(kuò)散表面切割形成溝槽，這些溝槽經(jīng)過(guò)腐蝕和清洗后，再進(jìn)行一次特別重?fù)诫s，然后通過(guò)自對(duì)準(zhǔn)電鍍技術(shù)，鍍鎳、銅和一薄層銀實(shí)現(xiàn)金屬化。這種結(jié)構(gòu)的柵線寬度僅為15～20 μm，而刻槽的深、寬比可達(dá)到5∶1。這樣，和常規(guī)的制柵技術(shù)相比，遮光面積減小，柵線本身的電阻也減小，柵線與重?fù)诫s溝槽區(qū)的低接觸電阻，可以使太陽(yáng)電池得到更大的填充因子。另外，溝槽區(qū)的重?fù)诫s形成電極鈍化，因而得到較高的方塊電阻，從而得到更高的電壓，電池的開(kāi)路電壓可以達(dá)到700mV。

德國(guó) Institut für Solarenergieforschung Hameln(ISFH)研究所的研究人員已經(jīng)研制出一種制造太陽(yáng)電池的加工工藝,即背交叉單次蒸發(fā)(RISE)工藝。輔以激光加工技術(shù),用該工藝制造的背接觸式硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到22%[1]。

在利用RISE工藝生產(chǎn)太陽(yáng)電池的過(guò)程中,利用激光加工方法在太陽(yáng)電池背面制作出交叉圖形發(fā)射區(qū)和基區(qū),激光燒蝕還能使自對(duì)準(zhǔn)接觸層在金屬蒸發(fā)后可靠地分離，如圖1所示。

圖1 用激光加工技術(shù)在太陽(yáng)電池背面形成的發(fā)射區(qū)和基區(qū)

AdventSolar公司則采用一種發(fā)射區(qū)卷包技術(shù)。用激光在硅晶片上鉆打通孔，高摻雜壁將前表面的電流傳導(dǎo)到背表面的背電極層[2]，因而能進(jìn)一步降低屏蔽損耗，提高光電轉(zhuǎn)換效率。

2 減少光學(xué)損失的方法

減少太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換過(guò)程的光學(xué)損失，一般從以下幾方面考慮，想方設(shè)法增加吸收的太陽(yáng)光，充分利用太陽(yáng)光譜的各段波長(zhǎng)。

2.1 高聚光結(jié)構(gòu)

高聚光結(jié)構(gòu)就是使用聚光光學(xué)元件與太陽(yáng)電池一起形成聚光太陽(yáng)電池，可以極大地提高光電轉(zhuǎn)換效率并使用小面積的太陽(yáng)電池，通過(guò)聚光器使較大面積的陽(yáng)光聚在較小的范圍內(nèi)形成“焦斑”或“焦帶”，并將太陽(yáng)電池置于“焦斑”或“焦帶”上，以增加光強(qiáng)，克服太陽(yáng)輻射能密度低的缺陷，獲得更多的電能輸出。因此有人預(yù)見(jiàn)，未來(lái)的發(fā)電模式應(yīng)該是“價(jià)廉物美的聚光光學(xué)元件+高轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)電池”。

2.2 “倒金字塔”結(jié)構(gòu)[3]

在單晶硅太陽(yáng)電池的制備過(guò)程中，通常利用單晶硅(100)和(111)不同晶向在堿溶液中各向異性腐蝕的特性，在表面形成類(lèi)似于“倒金字塔”的絨面結(jié)構(gòu)，使得入射光在硅片表面多次反射，提高入射光吸收效率，這是太陽(yáng)電池充分利用入射太陽(yáng)光的又一途徑，適用于單晶硅太陽(yáng)電池。倒金字塔這種電池結(jié)構(gòu)將絕大多數(shù)入射光引入倒金字塔的側(cè)面直接進(jìn)入電池內(nèi)部。而反射光的方向是向下的，這樣就能保證它們有第二次進(jìn)入電池內(nèi)部的機(jī)會(huì)，而倒金字塔底部入射的光則有三次機(jī)會(huì)。這些倒金字塔被合適厚度的氧化層覆蓋，由于這種氧化層很薄，必須采用雙層減反射膜，來(lái)保證它的效果。

進(jìn)入電池的光傾斜地射入電池的背表面，絕大多數(shù)在基體內(nèi)被吸收，弱的吸收光到達(dá)電池背面，并被覆蓋鋁層的背面氧化層形成的有效反射器反射。倒金字塔與背面反射器的結(jié)合形成了非常有效的陷光結(jié)構(gòu)，增加了弱吸收光在電池內(nèi)的一些光程。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，有效光程提高40倍以上。陷光結(jié)構(gòu)提高了電池的紅外響應(yīng)。這種倒金字塔結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率已接近25%。

2.3 級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池

級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池就是把不同光譜響應(yīng)的半導(dǎo)體材料制成的子電池集成到一起，充分利用太陽(yáng)光譜的各段波長(zhǎng)。太陽(yáng)能輻照可以通過(guò)多結(jié)電池技術(shù)提高利用率，如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)能輻照可以通過(guò)多結(jié)電池技術(shù)提高利用率

由GaInP/Ga（In）As/Ge組成的三結(jié)電池，是目前已經(jīng)使用的一種級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池，產(chǎn)品應(yīng)用于空間和地面聚光光伏系統(tǒng)[4]，但是，這種三結(jié)電池結(jié)構(gòu)不能充分利用太陽(yáng)光中880 nm以外的紅外部分。希望在GaAs和Ge之間再加入另一級(jí)帶隙寬度1.0 eV左右的子電池，構(gòu)成四結(jié)級(jí)聯(lián)電池，由于材料等限制，四結(jié)級(jí)聯(lián)電池遠(yuǎn)低于預(yù)期的水平。因此人們把注意力更多地轉(zhuǎn)向其他技術(shù)途徑，探索五結(jié)、六結(jié)級(jí)聯(lián)電池的可行性。圖3是正在開(kāi)發(fā)的五結(jié)和六結(jié)整體級(jí)聯(lián)電池的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖4可以看出六結(jié)級(jí)聯(lián)電池的子電池的帶隙寬度，把太陽(yáng)光譜分得更細(xì)，更加充分地利用了太陽(yáng)光譜。盡管六結(jié)電池已實(shí)現(xiàn)了高于5.2 V的開(kāi)路電壓，但是，五結(jié)和六結(jié)整體級(jí)聯(lián)電池的光電轉(zhuǎn)換效率還遠(yuǎn)低于GaInP/Ga（In）As/Ge三結(jié)電池[5]。

2.4 新型材料

圖3 五結(jié)和六結(jié)整體級(jí)連電池結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 六結(jié)級(jí)聯(lián)電池的子電池的帶隙寬度把太陽(yáng)能光譜分區(qū)

最近，研究人員發(fā)現(xiàn)，像氮化銦這類(lèi)半導(dǎo)體，它的禁帶比原先認(rèn)為的明顯要小，低于0.7 eV[6]。這一發(fā)現(xiàn)表明，以含有銦、鎵和氮的合金為基礎(chǔ)的太陽(yáng)電池將對(duì)所有太陽(yáng)光譜的輻射，從近紅外到紫外都靈敏。有關(guān)人員指出，用氮化銦和氮化鎵雙層制成的多級(jí)太陽(yáng)電池理論上可以達(dá)到極限最大效率的50%，為此，一層需要調(diào)整到1.7 eV的禁帶，而另一層需調(diào)整到1.1 eV的禁帶。如果能制成層數(shù)更多的太陽(yáng)電池，在每層中都具有自己的禁帶，則太陽(yáng)電池的最大理論效率可達(dá)到70%以上，寬禁帶半導(dǎo)體InN低維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

近期，科學(xué)家正在研究一種新型金屬納米顆粒材料，與傳統(tǒng)的光學(xué)材料相比，這種物質(zhì)能更好地捕獲太陽(yáng)光能量。這種納米金杯狀物主要在兩個(gè)方向上與光線發(fā)生相互作用：上下的軸向方向以及左右的橫向方向。橫向的作用方式更強(qiáng)烈，其相互作用存在強(qiáng)烈的散射共振。這種人造“超介質(zhì)”杯狀物質(zhì)猶如一個(gè)三維納米天線，比天然物質(zhì)更有優(yōu)勢(shì)，具有很好的結(jié)構(gòu)特性。這種特性能產(chǎn)生獨(dú)特、有趣的光學(xué)效應(yīng)。因此科學(xué)家們對(duì)這種物質(zhì)非常感興趣。這種物質(zhì)的主要組成成分就是一些細(xì)小、杯狀的納米材料，納米杯束可以將來(lái)自任意方向的光精確投射到—個(gè)特定的位點(diǎn)。

圖5 寬禁帶半導(dǎo)體InN低維結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

綜上所述，無(wú)論是研發(fā)新型的級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池，還是改進(jìn)現(xiàn)有電池的生產(chǎn)工藝，還是研發(fā)新型光譜材料，其出發(fā)點(diǎn)都是提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率，通過(guò)盡量減少光學(xué)和電學(xué)損失，以達(dá)到充分利用太陽(yáng)能的目的。相比改進(jìn)現(xiàn)有的太陽(yáng)電池生產(chǎn)工藝，開(kāi)發(fā)新的結(jié)構(gòu)、研制新的材料將成為未來(lái)提高電池性能的主要手段。

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