【正文】 一 V族太陽電池和超薄型 (薄膜型 )班一V族太陽電池的研究，本節(jié)就不再重復，本節(jié)著重介紹其余的 4部分內容。 更多結疊層電池的研究 在前面已經介紹了疊層電池的工作原理。三結疊層電池即是把太陽光譜分為3段分別分配給 3個子電池來吸收，頂電池、中電池和底電池分別吸收太陽光譜的短波部分、中波部分和長波部分。雖然三結疊層電池對太陽光譜的吸收范圍比單結電池充分得多，但由于分段不夠多，三結疊層電池對太陽光譜的吸收和轉換還不是很理想。因此需要開展更多結疊層電池的研究。 根據疊層電池的工作原理，如果太陽光譜被拆分為子波段的數目愈多，也就是組成疊層電池的子電池的數目 (結數 )愈多。疊層電池可獲得的理論效率愈高。圖 (子電池數目 )的增加而增加的關系曲線，從圖中可清楚地看土，疊層電池的理論效率確實隨子電池的數目 (結數 )增加而增加，但當結數超過 4以后，效率增長的趨勢變緩。 GaInP/InGaAs/Ge系列三結疊層電池的研究已獲得了巨大成功，在 1個太陽常數下的轉換效率已達到 32%()，在聚光條件下的轉換效率已達到 %(A ,454倍太陽常數 )。但是， GaInP/InGaAs/Ge疊層結構的能帶匹配并不理想，它們的帶寬分別約為 ；很顯然，第二結的帶寬 太大，與太陽光譜的匹配不理想。為匹配更佳，它們之間還缺少一個帶寬約為 1eV過渡的中間結 。也就是說，如果能形成 ，能帶匹配將會理想得多，這種 4結疊層太陽電池對太陽光譜的吸收將會更加充分。近十年來，各國的科學家為了尋找這種帶寬約為 1ev，晶格常數與 GaAs和 Ge相近的 lllV族材料，進行了許多研究工作。 GaxIn1xN1yAsy四元系材料來研制 第 3結子電池。因為通過調節(jié) x和 y的值， GaxIn1xN1yAsy可以獲得 1ev的帶隙。在光電子領域， GaxIn1xN1yAsy材料己研究得很多，通過 x值和 y值的調整， 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材料的材料質量很差，缺陷很多，載流子遷移率很低 .因而研制出的 GaxIn1xN1yAsy 太陽電池的短路電流很小，不能與 GaInP/InGaAs/GaInNAs/Ge四結疊層電池中的其他三結的電流相匹配，限制了四結疊層電池的短路電流。至今雖對 GaxIn1xN1yAsy材料進行了深入研究，但仍未見在材料和器件性能方面有突破性的報道。因此，有些科學家開始把注意力轉向了尋找其他的帶隙在約 1ev附近的半導體材料。 Si是大家都很熟悉的半導體材料。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，是微電子和太陽電池的基礎材料，因而是否可以用 Si來形成四結疊層電池中的第三結呢 ?但這又回到了前面所討論的問題，即 GaAs/Si異質結生長的老問題。由于GaAs和 Ge與 l的晶格常數和熱膨脹系數都相差很大，所以要想生長出 GaAs/Si/ Ge異質結構是十分困難的。 2022年第四屆 WCPEC會議上，德國 Fraonhofer ICE的 了一種在 Si襯底上異質外延生長 GaAs材料的新技術。 他們應用這種技術研制出了高質量的 Ga As/Si外延材料，位錯密度降低到 4 105cm2以下，用這種異質結構材料研制出的單結 GaAs/si太陽電池的效率為 12%。 在同一個會議上，美國 NREL的 GaAsP/si異質結構太陽電池研究成果。他們的特點是，采用組分漸變緩沖技術研制出了晶格失配的 GaAsP/si異質結構太陽電池，在沒有減少反射膜的條件下，電池效率為 98%。 但是，這兩篇最新文獻報道的結果都沒有超過 1995年日本名古屋工大的。 (TCA)方法使晶格失配的AlGaAs異質結構的應力得以弛豫，減少了位錯，改善了 AlGaAs/Si異質結構的材料質量。用此材料研制出的 效率達到 %。而 。 綜上所述，在 Si襯底上生長 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襯底上生長的同類材料相比，還有很大差距。因此要想把 Si材料應用為 GaInP/GaAs/Si/Ge四結疊層電池的第三結材料還有很長的路要走。 為了避免尋找?guī)都s為 1ev的第三結材料的困難，德國 Fraunhofer ISF的，直接由三結電池的基礎去研究五結、六結疊層電池。圖 、五結、六結疊層電池的路線圖。三結疊層電池的結構為 GaInP/GaInAs/Ge。五結疊層電池的結構是在 GalnP子電池的上面增加一結 AIGalnP頂電池，在 GalnAs子電池的上面增加一結AIGalnAs子電池，形成 AIGalnP/GalnP/AIGalnAS/GaInAs/Ge五結疊層電池結構。而六結疊層電池的結構是在 GaInAs結和 Ge結之間增加一個帶隙為~1eV的 GaInNAs第五結，形成 AIGalnP/GalnP/AIGalnAS/GaInAs/ GaInNAs /Ge六結疊層電池結構。 五結疊層電池的實驗研究已獲得了顯著進展。開路電壓 Voc已達到 ，其測量的外量子效率 (QE)曲線示于圖 。從圖中可看出，前面四結的 QE曲線互相之間有較大的重疊，這是因為五結疊層電池中每一個子電池的厚度很薄，不能完全吸收相應波段的光子所致 。而 Ge底電池的 QE曲線很寬，表明Ge電池中的光生電流很大。 未來六結盛層電池的開路電壓 Voc將會更高，而短路電流密度 J將會更小。這樣一來對材料質量的要求便降低了，因而 GaInNAs材料遷移率低，光電流小的缺點在六結疊層電池的情況下將變得不再顯著。隨著材料質量的提高，Eg約 1eV的 GaInNAs子電池有可能成功地用作六結疊層電池的第五結電池。但目前還未見有關六結疊層電池的實驗結果報道。 前面已經論述過，疊層電池的效率隨組成疊層電池的子電池的數目 (結數 ) 的增加而增加，但在結數超過 4以后，效率增長的趨勢變緩。在實際工作中，結的數目的增加帶來的了許多設計及工藝繁瑣的問題。由于疊層電池的結構愈來愈復雜，各子結材料的選擇，子結之間的隧道結材料的選擇都變得很困難 。生長工藝也將十分復雜。這勢必影響疊層電池結構材料的質量，大大增加成本，這就抵消了由于結數的增加帶來的效率提高的好處。事實上目前報道的最高效率 (%和 %)仍然是由三結疊層電池所得到的。 lllV族量子阱、量子點太陽電池 如前所述， lll一 V族多結疊層電池的發(fā)展取得了巨大成功，大大提高了太陽電池的效率。但由于多結疊層電池的結構復雜，各子結材料之間要求晶格常數匹配和熱膨脹系數匹配，因而對各個子電池材料的選擇和連接各個子電池的隧道結材料的選擇都十分嚴格， MOCVD外延生長工藝也十分復雜，因而 lll一 V族多結疊層電池的成本較高，這一缺點限制了它的應用范圍。人們企圖尋找其他途徑來提高太陽電池的效率，目的是希望能采用相對較為簡單的工藝實現高效率。在眾多的技術路線中，量子阱、量子點結構太陽電池是比較新穎，已有了較好的進展，也可能是比較有成功希望的一種。 、 lllV族量子阱太陽電池 1990年， pin型太陽電池的本征層中植入多量子阱 〔 MQW)或超晶格低維結構，可以提高太陽電池的能量轉換效率。含多量子阱的 pn型太陽電池的能帶結構如圖 。電池的基質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的基態(tài)決定。所以， pi (MQW) n型電池的吸收帶隙可以通過阱層材料的選擇和量子阱寬度 (壘寬 Lb，阱寬 Lz）來剪裁，以擴展對太陽光譜長波范圍的吸收，從而提高光電流。 、 lllV族量子點太陽電池 2022年， InAs/GaAs量子點太陽電池的概念。隨后，國外的許多科學家也開始了 lllV族量子點太陽電池的研究，近兩年來量子點太陽電池已成為下一代 lll一 V族太陽電池的研究熱點。 lllV族量子點太陽電池的原理與 lllV族量子阱太陽電池的原理是相似的。量子阱太陽電池是在 pin型太陽電池的 i層 (本征層 )中植入多量子阱 (MQW)結構，而量子點太陽電池是在 pin型太陽電池的 i層 (本征層 )中植入多個量子點層，形成基質材料 /量子點材料的周期結構。由于量子點的量子尺寸限制效應，可通過改變量子點的尺寸和密度對量子點材料層的帶隙進行調整，有效帶隙 Eeff由量子限制效應的量子化能級的基態(tài)決定。量子點太陽電池的結構圖和能帶圖示于圖 。相臨量子點層的量子點之間存在很強的偶合，使得光生電子和空穴可通過共振隧穿效應穿過壘層，這就提高了光生載流子的收集效率，也就是提高了太陽電池的內量子效率 QE，因而提高了太陽電池的短路電流密度 Jsc。另外，量子點太陽電池的開路電壓 Voc有所降低，但不明顯 。因而量子點太陽電池的理論效率比普通 pin型太陽電池的效率要高。理論計算表明， InAs/GaAs量子點太陽電池的效率可高達 25%，而沒有量子點層的 pin型 InAs/GaAs太陽電池的效率只有 19%。 量子點太陽電池的實驗研究目前主要進行的是材料制備和有關材料性能的研究。還未見太陽電池的器件性能報道。 熱光伏電池 熱光伏 (TPV)電池是太陽電池在紅外條件下的一種特殊應用類型。在無電的邊遠地區(qū)，白天人們采用太陽電池來發(fā)電，而在沒有太陽光的夜間 .人們可用 TPV，利用燃氣，燃煤等取暖爐發(fā)出的紅外線來發(fā)電，為人們提供電能。也可把 TPV安置在鍋爐或發(fā)動機的周圍，利用鍋爐或發(fā)動機散發(fā)出的熱能來發(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等窄禁帶半導體材料形成，電池結構與單結 lll一 V族電池類似。制備方法可采用擴散技術，也可采用液相外延技術。圖 羅斯約飛技術物理所研制的一個 GaSbTPV電池的結構圖 )。該電池是用液相外延技術和擴散技術相結合制備的，其中的 nGaSb層是用液相外延技術制備的，而 p+GaSb層是用 Zn擴散技術制備的。但因為 GaSb的帶隙太窄 (Eg=, 300K)，普通的擴散技術容易造成邊緣短路，所以必須采用選擇擴散方法，頂部的 SiO2部分便是用來在選擇擴散中作掩膜的。 俄羅斯約飛技術物理所近年來又發(fā)展了一種太陽能發(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)光并把它轉換為電能 。夜間 TPV電池被移動到鍋爐旁，吸收鍋爐發(fā)射出的熱能 〔 紅外線 )來發(fā)電。圖 STPV系統(tǒng)的原理圖。入射的陽光經菲涅耳透鏡和二次透鏡聚光后將鎢絲加熱發(fā)光，經過濾波后照射到熱光伏電池上發(fā)電。鎢絲側面有反光跳，而電池背面有增反器，以增強光的利用和吸收。電池背面有散熱系統(tǒng)，以保持電池不過熱。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電池的效率己達到 19%（鎢絲溫度 2022K)。 分光譜太陽電池的研究 2022年，美國 Delaware大學的 等報道他們的分光譜太陽電池已獲得 %的高效率。分光譜太陽電池的原理于圖 。入射的太陽光經聚光鏡聚光后，投射到一個雙色半反鏡上，波長較短的光被半反鏡反射，入射到一個帶隙較寬的兩結疊層電池上 。而波長較長的光透過半反鏡，入射到一個帶隙較窄的兩結疊層電池上 。這兩個電池分別吸收太陽光譜中不同波段的光，產生電能。他們的兩個疊層電池都是 3端器件，計算疊層電池的效率時，只是簡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個子電池的效率相加，便得到了分光譜太陽電池的總效率 %。還須說明一點，如果計人光學損失，他們在計算效率時，未計入聚光鏡和半反鏡的光學損分光譜太陽電池的轉換效率應為 %。