【正文】 一 V族太陽(yáng)電池和超薄型 (薄膜型 )班一V族太陽(yáng)電池的研究，本節(jié)就不再重復(fù)，本節(jié)著重介紹其余的 4部分內(nèi)容。 更多結(jié)疊層電池的研究 在前面已經(jīng)介紹了疊層電池的工作原理。三結(jié)疊層電池即是把太陽(yáng)光譜分為3段分別分配給 3個(gè)子電池來(lái)吸收，頂電池、中電池和底電池分別吸收太陽(yáng)光譜的短波部分、中波部分和長(zhǎng)波部分。雖然三結(jié)疊層電池對(duì)太陽(yáng)光譜的吸收范圍比單結(jié)電池充分得多，但由于分段不夠多，三結(jié)疊層電池對(duì)太陽(yáng)光譜的吸收和轉(zhuǎn)換還不是很理想。因此需要開展更多結(jié)疊層電池的研究。 根據(jù)疊層電池的工作原理，如果太陽(yáng)光譜被拆分為子波段的數(shù)目愈多，也就是組成疊層電池的子電池的數(shù)目 (結(jié)數(shù) )愈多。疊層電池可獲得的理論效率愈高。圖 (子電池?cái)?shù)目 )的增加而增加的關(guān)系曲線，從圖中可清楚地看土，疊層電池的理論效率確實(shí)隨子電池的數(shù)目 (結(jié)數(shù) )增加而增加，但當(dāng)結(jié)數(shù)超過(guò) 4以后，效率增長(zhǎng)的趨勢(shì)變緩。 GaInP/InGaAs/Ge系列三結(jié)疊層電池的研究已獲得了巨大成功，在 1個(gè)太陽(yáng)常數(shù)下的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到 32%()，在聚光條件下的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到 %(A ,454倍太陽(yáng)常數(shù) )。但是， GaInP/InGaAs/Ge疊層結(jié)構(gòu)的能帶匹配并不理想，它們的帶寬分別約為 ；很顯然，第二結(jié)的帶寬 太大，與太陽(yáng)光譜的匹配不理想。為匹配更佳，它們之間還缺少一個(gè)帶寬約為 1eV過(guò)渡的中間結(jié) 。也就是說(shuō)，如果能形成 ，能帶匹配將會(huì)理想得多，這種 4結(jié)疊層太陽(yáng)電池對(duì)太陽(yáng)光譜的吸收將會(huì)更加充分。近十年來(lái)，各國(guó)的科學(xué)家為了尋找這種帶寬約為 1ev，晶格常數(shù)與 GaAs和 Ge相近的 lllV族材料，進(jìn)行了許多研究工作。 GaxIn1xN1yAsy四元系材料來(lái)研制 第 3結(jié)子電池。因?yàn)橥ㄟ^(guò)調(diào)節(jié) x和 y的值， GaxIn1xN1yAsy可以獲得 1ev的帶隙。在光電子領(lǐng)域， GaxIn1xN1yAsy材料己研究得很多，通過(guò) x值和 y值的調(diào)整， GaxIn1xN1yAsy材料可以發(fā)射出不同波段的光，因而 GaxIn1xN1yAsy成為重要的 LED和激光器光電子器件材料。但是，帶隙為 1ev的窄帶隙 GaxIn1xN1yAsy材料的材料質(zhì)量很差，缺陷很多，載流子遷移率很低 .因而研制出的 GaxIn1xN1yAsy 太陽(yáng)電池的短路電流很小，不能與 GaInP/InGaAs/GaInNAs/Ge四結(jié)疊層電池中的其他三結(jié)的電流相匹配，限制了四結(jié)疊層電池的短路電流。至今雖對(duì) GaxIn1xN1yAsy材料進(jìn)行了深入研究，但仍未見在材料和器件性能方面有突破性的報(bào)道。因此，有些科學(xué)家開始把注意力轉(zhuǎn)向了尋找其他的帶隙在約 1ev附近的半導(dǎo)體材料。 Si是大家都很熟悉的半導(dǎo)體材料。其帶隙寬度為 。而且 Si材料已研究得很成熟，它的純度很高，完整性很好，是微電子和太陽(yáng)電池的基礎(chǔ)材料，因而是否可以用 Si來(lái)形成四結(jié)疊層電池中的第三結(jié)呢 ?但這又回到了前面所討論的問(wèn)題，即 GaAs/Si異質(zhì)結(jié)生長(zhǎng)的老問(wèn)題。由于GaAs和 Ge與 l的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)都相差很大，所以要想生長(zhǎng)出 GaAs/Si/ Ge異質(zhì)結(jié)構(gòu)是十分困難的。 2022年第四屆 WCPEC會(huì)議上，德國(guó) Fraonhofer ICE的 了一種在 Si襯底上異質(zhì)外延生長(zhǎng) GaAs材料的新技術(shù)。 他們應(yīng)用這種技術(shù)研制出了高質(zhì)量的 Ga As/Si外延材料，位錯(cuò)密度降低到 4 105cm2以下，用這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料研制出的單結(jié) GaAs/si太陽(yáng)電池的效率為 12%。 在同一個(gè)會(huì)議上，美國(guó) NREL的 GaAsP/si異質(zhì)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池研究成果。他們的特點(diǎn)是，采用組分漸變緩沖技術(shù)研制出了晶格失配的 GaAsP/si異質(zhì)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池，在沒有減少反射膜的條件下，電池效率為 98%。 但是，這兩篇最新文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果都沒有超過(guò) 1995年日本名古屋工大的。 (TCA)方法使晶格失配的AlGaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力得以弛豫，減少了位錯(cuò)，改善了 AlGaAs/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)的材料質(zhì)量。用此材料研制出的 效率達(dá)到 %。而 。 綜上所述，在 Si襯底上生長(zhǎng) GaAs 、 AlGaAs、 GaAsP 等 lll一 V族材料的研究雖然取得了一些成果，但與在 GaAs或 Ge襯底上生長(zhǎng)的同類材料相比，還有很大差距。因此要想把 Si材料應(yīng)用為 GaInP/GaAs/Si/Ge四結(jié)疊層電池的第三結(jié)材料還有很長(zhǎng)的路要走。 為了避免尋找?guī)都s為 1ev的第三結(jié)材料的困難，德國(guó) Fraunhofer ISF的，直接由三結(jié)電池的基礎(chǔ)去研究五結(jié)、六結(jié)疊層電池。圖 、五結(jié)、六結(jié)疊層電池的路線圖。三結(jié)疊層電池的結(jié)構(gòu)為 GaInP/GaInAs/Ge。五結(jié)疊層電池的結(jié)構(gòu)是在 GalnP子電池的上面增加一結(jié) AIGalnP頂電池，在 GalnAs子電池的上面增加一結(jié)AIGalnAs子電池，形成 AIGalnP/GalnP/AIGalnAS/GaInAs/Ge五結(jié)疊層電池結(jié)構(gòu)。而六結(jié)疊層電池的結(jié)構(gòu)是在 GaInAs結(jié)和 Ge結(jié)之間增加一個(gè)帶隙為~1eV的 GaInNAs第五結(jié)，形成 AIGalnP/GalnP/AIGalnAS/GaInAs/ GaInNAs /Ge六結(jié)疊層電池結(jié)構(gòu)。 五結(jié)疊層電池的實(shí)驗(yàn)研究已獲得了顯著進(jìn)展。開路電壓 Voc已達(dá)到 ，其測(cè)量的外量子效率 (QE)曲線示于圖 。從圖中可看出，前面四結(jié)的 QE曲線互相之間有較大的重疊，這是因?yàn)槲褰Y(jié)疊層電池中每一個(gè)子電池的厚度很薄，不能完全吸收相應(yīng)波段的光子所致 。而 Ge底電池的 QE曲線很寬，表明Ge電池中的光生電流很大。 未來(lái)六結(jié)盛層電池的開路電壓 Voc將會(huì)更高，而短路電流密度 J將會(huì)更小。這樣一來(lái)對(duì)材料質(zhì)量的要求便降低了，因而 GaInNAs材料遷移率低，光電流小的缺點(diǎn)在六結(jié)疊層電池的情況下將變得不再顯著。隨著材料質(zhì)量的提高，Eg約 1eV的 GaInNAs子電池有可能成功地用作六結(jié)疊層電池的第五結(jié)電池。但目前還未見有關(guān)六結(jié)疊層電池的實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)道。 前面已經(jīng)論述過(guò)，疊層電池的效率隨組成疊層電池的子電池的數(shù)目 (結(jié)數(shù) ) 的增加而增加，但在結(jié)數(shù)超過(guò) 4以后，效率增長(zhǎng)的趨勢(shì)變緩。在實(shí)際工作中，結(jié)的數(shù)目的增加帶來(lái)的了許多設(shè)計(jì)及工藝繁瑣的問(wèn)題。由于疊層電池的結(jié)構(gòu)愈來(lái)愈復(fù)雜，各子結(jié)材料的選擇，子結(jié)之間的隧道結(jié)材料的選擇都變得很困難 。生長(zhǎng)工藝也將十分復(fù)雜。這勢(shì)必影響疊層電池結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量，大大增加成本，這就抵消了由于結(jié)數(shù)的增加帶來(lái)的效率提高的好處。事實(shí)上目前報(bào)道的最高效率 (%和 %)仍然是由三結(jié)疊層電池所得到的。 lllV族量子阱、量子點(diǎn)太陽(yáng)電池 如前所述， lll一 V族多結(jié)疊層電池的發(fā)展取得了巨大成功，大大提高了太陽(yáng)電池的效率。但由于多結(jié)疊層電池的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各子結(jié)材料之間要求晶格常數(shù)匹配和熱膨脹系數(shù)匹配，因而對(duì)各個(gè)子電池材料的選擇和連接各個(gè)子電池的隧道結(jié)材料的選擇都十分嚴(yán)格， MOCVD外延生長(zhǎng)工藝也十分復(fù)雜，因而 lll一 V族多結(jié)疊層電池的成本較高，這一缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用范圍。人們企圖尋找其他途徑來(lái)提高太陽(yáng)電池的效率，目的是希望能采用相對(duì)較為簡(jiǎn)單的工藝實(shí)現(xiàn)高效率。在眾多的技術(shù)路線中，量子阱、量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池是比較新穎，已有了較好的進(jìn)展，也可能是比較有成功希望的一種。 、 lllV族量子阱太陽(yáng)電池 1990年， pin型太陽(yáng)電池的本征層中植入多量子阱 〔 MQW)或超晶格低維結(jié)構(gòu)，可以提高太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換效率。含多量子阱的 pn型太陽(yáng)電池的能帶結(jié)構(gòu)如圖 。電池的基質(zhì)材料和壘層材料具有較寬的帶隙 Eb。阱層材料具有較窄的有效帶隙 Ea ， Ea值的大小由阱層量子限制能級(jí)的基態(tài)決定。所以， pi (MQW) n型電池的吸收帶隙可以通過(guò)阱層材料的選擇和量子阱寬度 (壘寬 Lb，阱寬 Lz）來(lái)剪裁，以擴(kuò)展對(duì)太陽(yáng)光譜長(zhǎng)波范圍的吸收，從而提高光電流。 、 lllV族量子點(diǎn)太陽(yáng)電池 2022年， InAs/GaAs量子點(diǎn)太陽(yáng)電池的概念。隨后，國(guó)外的許多科學(xué)家也開始了 lllV族量子點(diǎn)太陽(yáng)電池的研究，近兩年來(lái)量子點(diǎn)太陽(yáng)電池已成為下一代 lll一 V族太陽(yáng)電池的研究熱點(diǎn)。 lllV族量子點(diǎn)太陽(yáng)電池的原理與 lllV族量子阱太陽(yáng)電池的原理是相似的。量子阱太陽(yáng)電池是在 pin型太陽(yáng)電池的 i層 (本征層 )中植入多量子阱 (MQW)結(jié)構(gòu)，而量子點(diǎn)太陽(yáng)電池是在 pin型太陽(yáng)電池的 i層 (本征層 )中植入多個(gè)量子點(diǎn)層，形成基質(zhì)材料 /量子點(diǎn)材料的周期結(jié)構(gòu)。由于量子點(diǎn)的量子尺寸限制效應(yīng)，可通過(guò)改變量子點(diǎn)的尺寸和密度對(duì)量子點(diǎn)材料層的帶隙進(jìn)行調(diào)整，有效帶隙 Eeff由量子限制效應(yīng)的量子化能級(jí)的基態(tài)決定。量子點(diǎn)太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)圖和能帶圖示于圖 。相臨量子點(diǎn)層的量子點(diǎn)之間存在很強(qiáng)的偶合，使得光生電子和空穴可通過(guò)共振隧穿效應(yīng)穿過(guò)壘層，這就提高了光生載流子的收集效率，也就是提高了太陽(yáng)電池的內(nèi)量子效率 QE，因而提高了太陽(yáng)電池的短路電流密度 Jsc。另外，量子點(diǎn)太陽(yáng)電池的開路電壓 Voc有所降低，但不明顯 。因而量子點(diǎn)太陽(yáng)電池的理論效率比普通 pin型太陽(yáng)電池的效率要高。理論計(jì)算表明， InAs/GaAs量子點(diǎn)太陽(yáng)電池的效率可高達(dá) 25%，而沒有量子點(diǎn)層的 pin型 InAs/GaAs太陽(yáng)電池的效率只有 19%。 量子點(diǎn)太陽(yáng)電池的實(shí)驗(yàn)研究目前主要進(jìn)行的是材料制備和有關(guān)材料性能的研究。還未見太陽(yáng)電池的器件性能報(bào)道。 熱光伏電池 熱光伏 (TPV)電池是太陽(yáng)電池在紅外條件下的一種特殊應(yīng)用類型。在無(wú)電的邊遠(yuǎn)地區(qū)，白天人們采用太陽(yáng)電池來(lái)發(fā)電，而在沒有太陽(yáng)光的夜間 .人們可用 TPV，利用燃?xì)?，燃煤等取暖爐發(fā)出的紅外線來(lái)發(fā)電，為人們提供電能。也可把 TPV安置在鍋爐或發(fā)動(dòng)機(jī)的周圍，利用鍋爐或發(fā)動(dòng)機(jī)散發(fā)出的熱能來(lái)發(fā)電，可算廢物利用綠色環(huán)保，因此屬于第三代電池的范疇。 TPV由 Ge或 GaSb等窄禁帶半導(dǎo)體材料形成，電池結(jié)構(gòu)與單結(jié) lll一 V族電池類似。制備方法可采用擴(kuò)散技術(shù)，也可采用液相外延技術(shù)。圖 羅斯約飛技術(shù)物理所研制的一個(gè) GaSbTPV電池的結(jié)構(gòu)圖 )。該電池是用液相外延技術(shù)和擴(kuò)散技術(shù)相結(jié)合制備的，其中的 nGaSb層是用液相外延技術(shù)制備的，而 p+GaSb層是用 Zn擴(kuò)散技術(shù)制備的。但因?yàn)?GaSb的帶隙太窄 (Eg=, 300K)，普通的擴(kuò)散技術(shù)容易造成邊緣短路，所以必須采用選擇擴(kuò)散方法，頂部的 SiO2部分便是用來(lái)在選擇擴(kuò)散中作掩膜的。 俄羅斯約飛技術(shù)物理所近年來(lái)又發(fā)展了一種太陽(yáng)能發(fā)電和熱光伏發(fā)電的混合系統(tǒng)，稱為 STPV系統(tǒng)。這種 STPV系統(tǒng)的原理是白天采用高倍聚光系統(tǒng)加熱鎢絲，使鎢絲發(fā)光并照射到 TPV電池上， TPV電池吸收鎢絲發(fā)光并把它轉(zhuǎn)換為電能 。夜間 TPV電池被移動(dòng)到鍋爐旁，吸收鍋爐發(fā)射出的熱能 〔 紅外線 )來(lái)發(fā)電。圖 STPV系統(tǒng)的原理圖。入射的陽(yáng)光經(jīng)菲涅耳透鏡和二次透鏡聚光后將鎢絲加熱發(fā)光，經(jīng)過(guò)濾波后照射到熱光伏電池上發(fā)電。鎢絲側(cè)面有反光跳，而電池背面有增反器，以增強(qiáng)光的利用和吸收。電池背面有散熱系統(tǒng)，以保持電池不過(guò)熱。該圖左面為夜晚備用照明系統(tǒng)，以維持 TPV系統(tǒng)的發(fā)電。該 GaSbTPV電池的效率己達(dá)到 19%（鎢絲溫度 2022K)。 分光譜太陽(yáng)電池的研究 2022年，美國(guó) Delaware大學(xué)的 等報(bào)道他們的分光譜太陽(yáng)電池已獲得 %的高效率。分光譜太陽(yáng)電池的原理于圖 。入射的太陽(yáng)光經(jīng)聚光鏡聚光后，投射到一個(gè)雙色半反鏡上，波長(zhǎng)較短的光被半反鏡反射，入射到一個(gè)帶隙較寬的兩結(jié)疊層電池上 。而波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光透過(guò)半反鏡，入射到一個(gè)帶隙較窄的兩結(jié)疊層電池上 。這兩個(gè)電池分別吸收太陽(yáng)光譜中不同波段的光，產(chǎn)生電能。他們的兩個(gè)疊層電池都是 3端器件，計(jì)算疊層電池的效率時(shí)，只是簡(jiǎn)單的將頂電池的效率和底電池的效率相加。文章的作者把 4個(gè)子電池的效率相加，便得到了分光譜太陽(yáng)電池的總效率 %。還須說(shuō)明一點(diǎn)，如果計(jì)人光學(xué)損失，他們?cè)谟?jì)算效率時(shí)，未計(jì)入聚光鏡和半反鏡的光學(xué)損分光譜太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率應(yīng)為 %。