1、光伏物理与光伏材料光伏物理与光伏材料 2014.4.10III-V族化合物太阳能电池族化合物太阳能电池光伏的能源应用光伏的能源应用 课号课序号课号课序号 0123312910-100III-V族材料的特性族材料的特性1III-V族材料的生长技术族材料的生长技术2III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3III-V族太阳能电池研究热点族太阳能电池研究热点4III-V族太阳能电池设计考虑因素族太阳能电池设计考虑因素5III-V族材料的特性族材料的特性1III-V族材料的特性族材料的特性1III-V族化合物包括族化合物包括 磷化铝(AlP) 砷化铝(AlAs) 锑化铝(AlSb) 磷化
2、镓(GaP) 砷化镓(GaAs) 锑化镓(GaSb) 氮化铟(InN) 砷化铟(InAs)等化合物及化合物组合(固溶体化合物)III-V族化合物优点族化合物优点n 硅为间接带隙半导体，几乎所有的-V族化合物为直接带隙半导体，这两者的差别在于，当电子从价带激发到导带时，除了能量的改变之外，具有间接带隙的硅会同时发生晶体动量的改变，但具有直接带隙的-V族化合物不会发生晶体动量的改变，这使得-V族化合物在许多微电子的应用上比硅具有更佳的特性。III-V族材料的特性族材料的特性1III-V族化合物优点族化合物优点n III-V族化合物的带隙宽，而且使用三元或四元的混合III-V族化合物（如InGaP、
3、AlGaAs、GaInNAs、GaNAs等）更能使带隙的设计的变化更大n 一些常见半导体材料的晶格常数与带隙，在不同材料之间的连接线，表示结合不同比例的这两种材料所形成的三元或四元化合物的带隙大小。III-V族材料的特性族材料的特性1III-V族化合物与族化合物与Si相比的优点相比的优点n 太阳电池的理论转换效率与半导体的能隙大小有关，一般最佳的太阳电池测量的能隙为1.41.5eV之间，所以能隙为1.43eV的GaAs及1.35eV的InP会比1.1eV的硅更适合用在高效率的太阳电池上，n 利用各种-V族化合物所形成的多结太阳电池可增加被吸收波长的范围，更可达到高效率化的目的。III-V族材料
4、的特性族材料的特性1III-V族化合物与族化合物与Si相比的优点相比的优点n 硅是间接带隙材料，对于光的吸收系数较小，一般需要采用200um以上的厚度，才能吸收到足够的太阳光，而-V族化合物多为直接带隙材料，对于光的吸收较强，仅需要数微米的厚度，就能吸收到足够的太阳光。只要使用薄膜的III-V族化合物，就可达到很高的效率。III-V族材料的特性族材料的特性1III-V族化合物与族化合物与Si相比的优点相比的优点n GaAs太阳电池的温度系数较小，能在较高的温度下正常工作。 GaAs电池效率的温度系数约为-0.23%/，而Si电池效率的温度系数约为-0.48%/。 温度升高到200，GaAs，电
5、池效率下降近50%，而硅电池效率下降近75%。III-V族材料的特性族材料的特性1)(pnLSCLLAqGII)exp(0 xNG00ln1lnIIqnkTIIqnkTVLLocpnpnpnLpDLnDqAI000III-V族化合物与族化合物与Si相比的优点相比的优点n GaAs基系太阳电池具有较强的抗辐照性能。 辐照实验结果表明，经过1Mev高能电子辐照，即使其剂量达到11015cm-2之后，GaAs基系太阳电池的能量转换效率仍能保持原值的75%以上，而先进的高效空间Si太阳电池在经受同样辐照的条件下，其转换效率只能保持其原值的66%。 以低地球轨道的商业卫星为例，对于初期效率分别为18%和
6、13.8%的GaAs电池和Si电池，初始两效率之比为1:1.3。经低地球轨道运行的质子辐照后，其终期效率(EOL效率)将分别下降为14.9%和10.0%，此时GaAs电池的效率为Si电池的1.5倍。n 可制成效率更高的多结叠层太阳电池 随着外延技术的日益完善，族三元、四元化合物半导体材料（GaInP、AlGaInP、GaInAs）的生长技术取得重大突破，为多结叠层太阳电池研制提供了多种可供选择的材料。III-V族材料的特性族材料的特性1III-V族化合物与族化合物与Si相比的优点相比的优点n 各种太阳能电池抗辐照特性III-V族材料的特性族材料的特性1III-V族太阳电池也有其固有的缺点，主要
7、有以下几方面:n GaAs材料的密度较大(5.32g/cm3)，为Si材料密度(2.33g/cm3)的两倍多;n GaAs材料的机械强度较弱(易解理)，易碎;n GaAs材料价格昂贵，约为Si材料价格的10倍；n InP基系太阳电池的抗辐照性能比GaAs基系太阳电池还好，但转换效率略低，而且InP材料的价格比GaAS材料更贵；n 材料表面易氧化而形成复合中心，钝化困难；n 材料生长对设备要求高，制作成本高。III-V族化合物材料的缺点族化合物材料的缺点多应用于空间领域III-V族材料的特性族材料的特性1III-V族材料的生长技术族材料的生长技术2III-V族材料的生长技术族材料的生长技术2II
8、I-V化合物的薄膜生长技术化合物的薄膜生长技术n III-V族化合物的薄膜生长技术，主要是利用外延生长法，又可细分为液相外延、有机金属化学气相淀积法、分子束外延等n 所谓的外延是指在一晶体上有次序的生长另一层晶体n 如果衬底与所长的外延层材料相同的话，就叫做同质外延同质外延，如果衬底与所长的外延层材料不相同的话，就叫做异质外延异质外延n 使用不同的衬底材料会影响所生长的-V族化合物薄膜的电学及光学性能。 在生长这些薄膜时要注意的是晶格常数的匹配性，如果衬底与薄膜的晶格常数的差异过大的话，会导致过大的应力和晶格缺陷。例如Ge、GaAs、AlAs三者间的晶格常数就很接近n 当衬底与所要长的薄膜的晶
9、格常数差异太大时，可以慢慢调节变化-V族化合物中元素组成比例，来逐步改变晶格常数 III-V化合物的薄膜生长技术化合物的薄膜生长技术n 液相外延法液相外延法是由液态物质来长出外延层。n 在生长GaAs的外延过程，它可借由添加杂质来降低液态物质的熔点（例如GaAs+As的熔点比纯GaAs来得低），因此液态物质可以保持在比较低的温度，而不会去把GaAs的衬底熔化掉。n 慢慢降低溶液的温度，使得化合物因过饱和而在GaAs衬底上析出。n 因为溶液中的杂质浓度会随着晶体的生长而递增，因此溶液的熔点会递减，所以LPE的温度也要不断调降，以维持外延的生长。III-V族材料的生长技术族材料的生长技术2III-
10、V化合物的薄膜生长技术化合物的薄膜生长技术n MOCVD为有机金属化学气相沉积外延技术，它是在低压下（约60torr）利用有机金属，例如三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）等，与特殊气体，例如砷化氢（AsH3）、磷化氢（PH3）等，在反应器内进行化学反应，并使反应物沉积在被加热到600800的晶片上，而得到外延片的生产技术。III-V族材料的生长技术族材料的生长技术2III-V化合物的薄膜生长技术化合物的薄膜生长技术n III-V族有机金属的来源可为液态(如TMGa、TMAl)或固态(如TMIn)，它一般储存在气泡室内，并借由传输气体(如H2)将之带入反应室中，利用改变气泡室的温度，可以
11、控制有机金属材料的的气相分压。n 掺杂物可使用有机金属来源，例如二甲基锌(DMZn)、二硅乙烷(Si2H6)、DEBe、TESn、CCl4等。n 衬底置于一石墨制成的基座上，并以RF线圈或热电阻丝等加热之，使得有机金属分子进行扩散、热解等化学反应，热解后的离子团则于衬底表面进行生长n 薄膜的生长速率主要是由反应气体流量来控制。n MOCVD的化学反应式可由下式表示：III-V族材料的生长技术族材料的生长技术243333)(CHGaAsAsHCHGaIII-V化合物的薄膜生长技术化合物的薄膜生长技术III-V族材料的生长技术族材料的生长技术2III-V化合物的薄膜生长技术化合物的薄膜生长技术n
12、分子束外延技术分子束外延技术(MBE)，是在超高真空状态下（10-10torr），让热原子或热分子束自原料中分离出来，然后在基板表面进行反应，而沉积产生外延薄膜的一种技术。n 由于使用高真空及十分洁净的设备，因此可以用来产生高纯度的外延层。III-V族材料的生长技术族材料的生长技术2III-V化合物的薄膜生长技术化合物的薄膜生长技术III-V族材料的生长技术族材料的生长技术2MBE技术的特点:n 生长温度低，生长速度慢，可生长出极薄的单晶层，甚至可以实现单原子层生长;n MBE技术很容易在异质衬底上生长外延层，实现异质结构的生长;n MBE技术可严格控制外延层的层厚，组分和掺杂浓度;n MBE
13、生长出的外延片的表面形貌好，平整光洁。 III-V化合物的薄膜生长技术化合物的薄膜生长技术III-V族材料的生长技术族材料的生长技术2液相外延液相外延(LPE)有机金属化学气相沉积有机金属化学气相沉积(MOCVD)分子束外延分子束外延(MBE)量产能力量产能力高中低外延速度外延速度高中中低薄层薄膜外延薄层薄膜外延困难容易容易外延层平整度外延层平整度差好好外延层纯度外延层纯度高高高III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3GaAs基单结太阳能电池基单结太阳能电池GaAs/GaAs同质结太阳电池同质结太阳电池n GaAs太阳电池
14、的研究始于20世纪60年代。但初期研究并不顺利。 GaAs体单晶材料的质量远比Si体单晶材料的质量差。GaAs是二元化合物，它的问题比单质Si材料的问题复杂得多，因而GaAs体单晶材料无论是纯度还是完整性都远不如Si体单晶材料好。用简单的扩散技术制成的GaAs的p/n结性能很差，不能满足器件的要求。 在研究初期，人们普遍采用液相外延(LPE)技术来研制GaAs太阳电池。衬底采用GaAs单晶片，生长出的电池为GaAs/GaAs同质结太阳电池。III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3GaAs基单结太阳能电池基单结太阳能电池LPE技术研制GaAs太阳电池时的主要问题：GaAs材料的表
15、面复合速率高n GaAs是直接带隙材料，对短波长光子的吸收系数高达105cm-1以上，高能量光子的吸收集中在表面，但许多光生载流子被表面复合中心复合，不能被收集成为太阳电池的电流。高的表面复合速率会大大降低GaAs太阳电池的短路电流Isc。n GaAs没有像SiO2/Si那样好的表面钝化层，不能用简单的钝化技术来降低GaAs表面复合速率。n 在GaAs太阳电池研究的初期，电池效率长时间未能超过10%。直到1973年，Hovel等提出在GaAS表面生长一薄层AlxGa1-x As窗口层后，这一困难才得以克服。当x=0.8时，AlxGa1-xAs是间接带隙材料，Eg=2.1ev。对光的吸收很弱，大
16、部分光将透过AlxGa1-x As层进入到GaAs层中，AlxGa1-xAs层起到了窗口层的作用。III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3GaAs基单结太阳能电池基单结太阳能电池 1995年，西班牙Cuidad大学研制的LPE GaAs太阳电池，在AM1.5，600倍聚光条件下，效率高达25.8%。III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3GaAs基单结太阳能电池基单结太阳能电池n LPE-GaAs太阳电池在空间能源领域得到了很好的应用。 苏联于1986年发射的和平号轨道空间站，上面装备了10kW的AlxGa1-x As/GaAs异质界面太阳电池，单位面积比功率达
17、到180w/m2。这些GaAs太阳电池便是用LPE技术生产的。 据1994年IEEE光伏会上报道，这些GaAs太阳电池阵列在空间运行8年后输出功率总衰退不超过15%。n 我国首次GaAs 电池试验是在1988年9月，当时发射的FY21A 卫星的太阳方阵帆板上使用了20mm20mm 0.3mm 单结GaAs 电池。 2001 年1 月发射的“神舟3号”飞船和2002 年5 月发射的“海洋21”卫星上，应用单结GaAs/ GaAs 电池。III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3GaAs基单结太阳能电池基单结太阳能电池GaAs/Ge异质结太阳电池异质结太阳电池n 用LPE技术和MOC
18、VD技术在GaAs衬底上生长的GaAs/GaAs同质结太阳电池获得了大于20%的高效率。但GaAs材料存在密度大、机械强度差、价格贵等缺点，使GaAs太阳电池的空间应用受到限制。n Ge的晶格常数(5.646埃)与GaAs的晶格常数(5.653埃)相近；热膨胀系数两者也比较接近；所以容易在Ge衬底上实现GaAs 单晶外延生长。Ge衬底比GaAs衬底便宜，而且机械强度高，不易破碎，提高了电池的成品率。n 近年来，随着多结叠层电池研究的进展，Si衬底上生长GaAs外延层的研究开始出现。III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3GaAs基单结太阳能电池基单结太阳能电池n 采用LPE技术
19、实现GaAs/Ge异质结构的生长存在困难，而用MOCVD技术和MBE技术则容易实现GaAs/Ge异质结构的生长。III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3GaAs基单结太阳能电池基单结太阳能电池GaAs/Ge电池在空间中已获得日益广泛的应用n 德国的TEMPO数字通信卫星，采用80000片GaAs/Ge电池(4343)mm2/片)组成三块太阳电池阵列，电池效率为18.3%。n 美国的两次火星探测发射。“火星地表探测者”(MGS)两翼共有四块太阳电池阵列，其中，两块用GaAs/Ge电池组成，两块用高效Si电池组成。每块太阳电池阵列面积为 (1.851.7)m2。电池效率18.8%，
20、Si电池效率15%。 “火星探路者”1996年在火星上登陆，它的供电系统由三块GaAs/Ge电池阵列与可充电银/锌电池组成，超过了预期工作寿命(30天)。由于火星灰尘在电池表面的积累，使电池效率每天下降0.28% 。III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3GaAs基多结叠层太阳能电池基多结叠层太阳能电池n 太阳光谱的能量范围很宽，分布在0.4-4eV，而材料的禁带宽度为固定值Eg 能量小于Eg的光子无法被吸收； 能量大于Eg的光子被太阳电池吸收，激发出高能光生载流子，但高能光生载流子会很快弛豫到能带边，将能量大于Eg的部分传递给晶格，转变为热能浪费掉 单结太阳电池效率的提高受到
21、限制 解决途径：能充分吸收太阳光谱的电池结构-叠层电池。III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3GaAs基多结叠层太阳能电池基多结叠层太阳能电池n 叠层电池的原理叠层电池的原理 用具有不同带隙Eg的材料作成多个子太阳电池，然后按Eg的大小从宽至窄顺序叠起来，组成一个串接式多结太阳电池，每个子电池吸收和转换太阳光谱中不同波段的光，叠层电池对太阳光谱的吸收和转换等于各个子电池的吸收和转换的总和。III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3GaAs基多结叠层太阳能电池基多结叠层太阳能电池III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3GaAs基多结叠层太阳能电池基
22、多结叠层太阳能电池n 叠层电池的原理叠层电池的原理 三端器件和四端器件对子电池的电流和电压没有限制，计算叠层电池的效率时，先分别计算两个子电池的效率，然后把两个效率相加。 两端器件中的两个子电池属于串联连接，对其有许多限制。首先要求两个子电池的极性相同，即都是p/n结构或都是n/p结构；此外，要求两个子电池的短路电流尽可能接近，这样整个叠层电池才能获得最大的短路电流，否则，短路电流几将受子电池中最小的短路电流的限制，这就将影响叠层电池效率的提高。III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3GaAs基多结叠层太阳能电池基多结叠层太阳能电池n AlGaAs/GaAs叠层电池叠层电池 1
23、987年，日本NTT电子通讯实验室采用MBE技术成功研制隧道结隧道结Al0.4Ga0.6As /GaAs叠层电池，效率达到了20%。 1988年，B.Chung等用MOCVD技术生长了AlGaAs/GaAs双结叠层电池，其AM0和AM1.5效率分别达到22.3%和23.9%，电池面积为0.5cm2。未能实现隧道结连接，而是采用了复杂的电极制作工艺而是采用了复杂的电极制作工艺。正由于这些困难的存在，以后长期没有人在这个方向取得新的进展。 2001年，日本NTT电子通讯实验室采用MOCVD技术，采用pp-n-n结构的Al0.36Ga0.64As顶电池，和n+-Al0.15Ga0.85As/p+-G
24、aAs隧道结隧道结连接顶电池和pn结构的GaAs底电池，研制出了效率达到27.6%的叠层电池。III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3GaAs基多结叠层太阳能电池基多结叠层太阳能电池n AlGaAs/GaAs叠层电池叠层电池III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3GaAs基多结叠层太阳能电池基多结叠层太阳能电池n AlGaAs/GaAs叠层电池叠层电池 2005年Ken Takahashi等在AlxGa1-xAs顶电池的生长过程中采用Se代替代替Si作为作为n型掺型掺杂剂，提高杂剂，提高AlxGa1-xAs层的少子寿命层的少子寿命。提高了AlxGa1-xAs顶电
25、池的短路电流密度Jsc； 采用GaAs隧道结隧道结连接顶电池和底电池，用C代替Zn作为p型掺杂剂掺杂剂，减少了隧道结内部P型杂质的扩散，提高了隧道结的峰值电流密度，减小了隧道结的电学损失。 Ken Takahashi等研制的AlxGa1-xAs/GaAs叠层电池的效率提高到28.85%(AM1.5，25)，这是迄今为止AlGaAs/GaAs叠层电池的最高效率。III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3GaAs基多结叠层太阳能电池基多结叠层太阳能电池n GaInP/GaAs叠层电池叠层电池 美国国家可再生能源实验室(NREL)的J.M.Olson等在20世纪80年代末提出了Ga1-
26、xInxP/GaAs叠层电池结构。 Ga0.5In0.5P是另一种宽带隙的与GaAs材料晶格匹配的材料。根据光致发光衰减时间常数推算，与Al0.4Ga0.6As/GaAs和Al0.5Ga0.5As/GaAs相比，Ga0.5In0.5P/GaAs界面的复合速率低，约为1.5cm/s；而Al0.4Ga0.6As/GaAs和Al0.5Ga0.5As/GaAs的界面复合速率分别为200cm/s和900 cm/s。 Ga0.5In0.5P/GaAs界面质量界面质量最好。1994年，效率29.5%(AM1.5，25)III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3GaAs基多结叠层太阳能电池基多结
27、叠层太阳能电池n GaInP/GaAs叠层电池叠层电池 1997年日本能源公司的T.Takamot等在p+GaAs衬底上研制了大面积(4cm2) InGaP/GaAs双结叠层电池。同Olson等的电池结构相比较，主要的改进点： 用用InGaP隧道结取代隧道结取代GaAs隧道结隧道结； 隧道结处于在高掺杂的高掺杂的AlInP层层之间，对下电池起窗口层窗口层作用，对上电池起背场作用背场作用。 提高了开路电压和短路电流； 效率达到30.28%(AM1.5，25)III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3GaAs基多结叠层太阳能电池基多结叠层太阳能电池n GaInP/GaAs/Ge三结叠
28、层电池的发展三结叠层电池的发展 GalnP/GaAs叠层太阳电池领域所获得的重大成果吸引了空间科学部门和产业界的注意力。 美国能源部光伏中心在1995年9月提出了发展GaInP/GaAs/Ge太阳电池的产业计划： 到1997年底试生产出16000cm2的GaInP/GaAs/Ge叠层电池组件； 电池的批量平均效率为24%(AM0,1个太阳光强)，单块电池面积16cm2，电池厚度140m;电池的抗辐照性能与单结GaAs/Ge电池相当，即经过1 Mev剂量为11015/cm2的电子辐照后，其转换效率仍保持原值的75%以上； 而叠层电池的生产成本不超过单结GaAs/Ge电池生产成本的15%。III-
29、V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3GaAs基多结叠层太阳能电池基多结叠层太阳能电池n GaInP/GaAs/Ge三结叠层电池的发展三结叠层电池的发展 太阳能产业计划，主要由TECSTAR和Spectrolab两家公司承担 前者主要采用pn/pn/n(Ge)双结叠层电池结构，Ge为无源衬底 后者采用np/np/np(Ge)三结叠层电池结构，Ge衬底中包含第三个有源np结 小批量试生产的结果： TECSTAR生产的双结叠层电池的批量平均效率为22.4%，最高效率为24.1%; 而Spectrolab试生产的三结叠层电池的批量平均效率为24.2%，最高效率为25.5%。 Ga0.5In
30、0.5P/GaAs/Ge叠层电池的抗辐照性能和温度系数均与GaAs/Ge电池相当或略优于后者。 III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3GaAs基多结叠层太阳能电池基多结叠层太阳能电池n GaInP/GaAs/Ge三结叠层电池的发展三结叠层电池的发展 1998年，美国Spectrolab公司和日本JE公司研制的GaInP/InGaAs/Ge三结叠层电池AM1.5效率达到31.5%。 在GaAs中引入1%的In后。使其晶格与Ge衬底更好地匹配。 2002年，美国Spectrolab公司利用无序GaInP提高顶电池带隙至1.89ev，将GaInP/InGaAs/Ge结叠层电池AM1
31、.5效率提高到32%。近年来InGaP/InGaAs/Ge三结叠层电池的研究和生产进展公司最高效率产品平均效率AM0AM1.5AM0SPL(美国)32%(4cm2)30.5%(4cm2)28.1%(26.4cm2)Emcore(美国)29%(27.5cm2)27.6%(27.5cm2)RWE, FH-ISE(德国)28.6%(30.2cm2)27.8%(30.2cm2)Sharp(日本)31.5%(1cm2)29.2%(1cm2)28.9%(27.5cm2)III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3GaAs基多结叠层太阳能电池基多结叠层太阳能电池n GaAs/GaSb机械叠层电池
32、机械叠层电池 由GaAs电池和GaSb电池用机械方法相叠合而成。 GaAs顶电池和GaSb底电池在光学上是串联的，而在电学上相互独立，用外电路串并联实现子电池的电压匹配。 这类电池是四端器件。它们对于子电池的极性不要求相同，也不要求子电池材料的晶格常数匹配。 叠层电池的效率简单地等于GaAs顶电池的效率和GaSb底电池的效率之和，因而容易获得高效率。 1990年，L.M.Fraas等研制的GaAs/Gasb机械叠层电池的效率已达到31%(AM0，100倍太阳光强)，是当时太阳电池效率的世界记录。2005年，L.M.Fraas等把单体结构的GaInP/GaAs两结叠层电池与GaSb电池组成三结机
33、械叠层电池，获得了34%(AM0，15倍太阳光强)的高效率。III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3n GaAs/GaSb机械叠层电池机械叠层电池GaAs基多结叠层太阳能电池基多结叠层太阳能电池机械叠层电池的器件工艺复杂: 顶电池的下电极需做成梳状电极，而且必须与底电池的上电极的图形相同，并严格对准，才能让未被顶电池吸收的红外光透过顶电池，进入底电池。 在实际应用时，需通过复杂的电路进行串并联，实现电压匹配。机械叠层电池存在的缺点使它们不太适宜于空间应用。III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3III-V族聚光太阳能电池族聚光太阳能电池 太阳能具有分散性，在地面
34、单位面积上可接收到的太阳能密度不是很大。AM1.5条件下，每平方米地面接收到的最大的太阳能量为1000W/m2。实际上在最好的天气条件下，地面上每平方米面积上接收到的太阳能只有约850W/m2。太阳能的这一特点为太阳电池的大规模应用造成了困难。解决这一困难的一个途经是采用聚光太阳电池。 聚光太阳电池的原理：用凸透镜或抛物面镜把太阳光的光强聚焦到几倍，甚至上千倍太阳光强，然后投射到太阳电池上。太阳电池接受能量增加产生的电功率亦会相应增加。)(pnLSCLLAqGII)exp(0 xNG00ln1lnIIqnkTIIqnkTVLLocpnpnpnLpDLnDqAI000III-V族太阳能电池的发展
35、历程族太阳能电池的发展历程3III-V族聚光太阳能电池族聚光太阳能电池III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3III-V族聚光太阳能电池族聚光太阳能电池III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3III-V族聚光太阳能电池族聚光太阳能电池 与普通平板型太阳电池相比较而言，它的优势是在产出相同电能情况下，聚光太阳电池所需要的半导体材料大大减少，太阳电池的成本大大降低；虽然增加了聚光系统，但采用成熟的费涅尔透镜聚光系统或抛物面镜聚光系统，还是比较低的，综合比较，聚光太阳电池系统的成本比普通平板型太阳电池系统的成本在一定条件下要降低许多。III-V族化合物太阳电池比Si太
36、限电池耐高温，因而更适合于做成聚光太阳电池。III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3薄膜型薄膜型III-V族太阳能电池族太阳能电池 GaAs为代表的III-V族太阳电池共同的缺点：即材料密度大，功率质量比低 GaAs太阳电池的功率质量比大于300W/kg 柔性衬底a-Si的功率质量比可高于1000W/kg 采用剥离技术制备薄膜型(超薄型)GaAs太阳电池：在太阳电池制备完成后，正面粘贴到玻璃或塑料膜上，采用选择腐蚀方法把GaAs衬底剥离掉，只将约3m厚的电池有源层转移到金属膜上。即可获得柔性薄膜型(超薄型)GaAs太阳电池。 2005年10月，上海PVSEC-15(第15届国际
37、光伏科学与工程会议)会议上。Sharp公司展出了他们研制的效率高达28. 5%(AM1.5)的柔性薄膜型(超薄型)GaInP/GaAs两结叠层电池，其功率质量比为2631W/Kg。这是迄今为止获得的最高功率质量比。 III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3薄膜型薄膜型III-V族太阳能电池族太阳能电池 2006年，美国NREL的M.Wanlass等在GaAs衬底上用反向生长和剥离技术研制出了超薄型的GaInP/GaAs/GaInAs三结叠层电池。其中，上、中、下三个子电池的带隙宽度近似于理想值，分别为1.9ev, 1.4ev和1.0ev。在AMI.5光谱，10.1倍太阳光强下，
38、该电池获得了37.9%的高效率。1955年，Jackson 提出多结光电池概念1987年，C.Amano等分子束外延(MBE)技术研制出效率叠层电池Al0.4Ga0.6As/GaAs，效率20.2%1988年，B.Chung等用化学气相外延(MOCVD)技术生长了Al0.4Ga0.6As/GaAs双结电池，效率23.9%1990年，J.M.Olson等p型GaAs衬底，Ga0.5In0.5P/GaAs双结电池，效率27.3%1994年，J.M.Olson等栅线改进型Ga0.5In0.5P/GaAs双结电池，效率29.5%1997年，Japan Energy Corporation和Sumito
39、mo Electric Industrial Corporation采用GaInP隧道结构， GaInP/GaAs/Ge双结光电池效率提高至30.28%1998年， GaInP/GaAs/Ge三结级联光电池，效率33.3%2001年，美国Spectrolab公司三结叠层太阳能电池Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge，AM0及47倍聚光条件下，效率32.3%2005年5月，美国可再生能源实验室(NREL)，多结光电池，10倍聚光条件下效率37.9%，2005年6月，美国Spectrolab公司多结光电池，236倍聚光条件下，效率39%2007年5月，美国Spectrolab公司GaInP/Ga
40、InAs/Ge三结光电池，240倍聚光条件下，效率40.7%III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程32008年， NREL， GaInP/GaAs/InGaAs三结光电池，326倍聚光条件下，效率40.8%2009年，日本Sharp公司，非聚光三结光电池，效率35.8%2009年，德国 Fraunhofer ISE太阳能，In0.65Ga0.35P/In0.17Ga0.83As/Ge三结光电池，454倍聚光条件下，效率41.1%2009年，美国Spectrolab公司晶格匹配InGaP/InGaAs/Ge三结叠层太阳能电池，效率41.6%2010年，美国Spire集团公司，三结
41、GaAs太阳能电池，406倍聚光条件下，效率42.3%2011年11月，日本Sharp公司，非聚光三结光电池，效率36.9%2012年6月，日本Sharp公司，三结太阳能电池在306倍聚光条件下效率达到43.5% 2013年9月，德国Fraunhofer ISE太阳能系统研究所、Soitec、Helmholtz Center Berlin、以及CEA-Leti实验室，44.7%III-V族太阳能电池的发展历程族太阳能电池的发展历程3III-V族太阳能电池研究热点族太阳能电池研究热点4III-V族太阳能电池研究热点族太阳能电池研究热点4 近几年来国际上III-V族太阳电池领域的研究非常活跃，研究
42、范围广泛，进展迅速。当前lll-V族化合物太阳电池的研究热点大致包括以下几个方面:更多结(三结以上)叠层电池；聚光型III-V族太阳电池；超薄型(薄膜型) III-V 族太阳电池；量子阱、量子点太阳电池；热光伏(TPV) 太阳电池等。n 更多结叠层电池的研究III-V族太阳能电池研究热点族太阳能电池研究热点4n 更多结叠层电池的研究更多结叠层电池的研究 三结叠层电池的研究已获得了巨大成功，在1个太阳常数下的转换效率已达到32%，在聚光条件下的转换效率已达到44.7%。通过增加子电池数目是否可以进一步提高效率？ 1.8eV/1.4eV/0.65eV； 1.8eV/1.4eV/1eV/0 .65e
43、V 。III-V族太阳能电池研究热点族太阳能电池研究热点4n III-V族量子阱、量子点太阳电池族量子阱、量子点太阳电池 III-V族多结叠层电池的发展大大提高了太阳电池的效率： 多结叠层电池的结构复杂 各子结材料之间要求晶格常数匹配和热膨胀系数匹配 各个子电池材料的选择和连接各个子电池的隧道结材料的选择都十分严格 MOCVD外延生长工艺也十分复杂 人们试图寻找其他途径来提高太阳电池的效率，目的是希望能采用相对较为简单的工艺实现高效率。在众多的技术路线中，量子阱、量子点结构太阳电池是比较新颖，已有了较好的进展，也可能是比较有成功希望的一种。III-V族太阳能电池研究热点族太阳能电池研究热点4n
44、 III-V族量子阱、量子点太阳电池族量子阱、量子点太阳电池III-V族量子阱太阳电池族量子阱太阳电池 为了扩展对太阳光谱长波长范围的吸收，进而提高光电流，一个做法是p-i-n型太阳电池的i层中引入掺杂材料，产生能带。 由于pn结的带宽Eg不会受到改变，所以开路电压Voc不会改变。 同时这些中间能带可以吸收低能量的长波长光子，产生更多的光生载流子。III-V族太阳能电池研究热点族太阳能电池研究热点4n III-V族量子阱、量子点太阳电池族量子阱、量子点太阳电池III-V族量子阱太阳电池族量子阱太阳电池电池的基质材料和垒层材料具有较宽的带隙Eb；阱层材料具有较窄的有效带隙Ea。p-i (MQW)
45、 -n型电池的吸收带隙可以通过阱层材料的选择和量子阱宽度(垒宽Lb，阱宽Lz）来调控，以扩展对太阳光谱长波范围的吸收，从而提高光电流。III-V族太阳能电池研究热点族太阳能电池研究热点4n III-V族量子阱、量子点太阳电池族量子阱、量子点太阳电池III-V族量子阱太阳电池族量子阱太阳电池III-V族太阳能电池研究热点族太阳能电池研究热点4n III-V族量子阱、量子点太阳电池族量子阱、量子点太阳电池III-V族量子点太阳电池族量子点太阳电池 III-V族量子点太阳电池的原理与量子阱太阳电池的原理相似。量子阱太阳电池是在p-i-n型太阳电池的i层(本征层)中植入多量子阱 (MQW)结构，而量子
46、点太阳电池是在p-i-n型太阳电池的i层(本征层)中植入多个量子点层，形成基质材料/量子点材料的周期结构。 由于量子点的量子尺寸限制效应，可通过改变量子点的尺寸和密度对量子点材料层的带隙进行调整，有效带隙Eeff由量子限制效应的量子化能级的基态决定。III-V族太阳能电池研究热点族太阳能电池研究热点4n III-V族量子阱、量子点太阳电池族量子阱、量子点太阳电池III-V族量子点太阳电池族量子点太阳电池 相临量子点层的量子点之间存在很强的偶合，使得光生电子和空穴可通过共振隧穿效应穿过垒层，这就提高了光生载流子的收集效率，也就是提高了太阳电池的内量子效率，因而提高了太阳电池的短路电流密度Jsc。
47、量子点太阳电池的理论效率比普通p-i-n型太阳电池的效率要高。理论计算表明， InAs/GaAs量子点太阳电池的效率可高达25%，而没有量子点层的p-i-n型InAs/GaAs太阳电池的效率只有19%。III-V族太阳能电池研究热点族太阳能电池研究热点4n 热光伏电池热光伏电池 热光伏(TPV)电池是太阳电池在红外条件下的一种特殊应用类型。在无电的边远地区，白天人们采用太阳电池来发电，而在没有太阳光的夜间可用TPV，利用燃气，燃煤等取暖炉发出的红外线来发电，为人们提供电能。 也可把TPV安置在锅炉或发动机的周围，利用锅炉或发动机散发出的热能来发电。 TPV主要由低能隙（0.40.7eV）的-族
48、材料来制造，如Ge或GaSb等窄禁带半导体材料，电池结构与单结III-V族电池类似。III-V族太阳能电池研究热点族太阳能电池研究热点4n 热光伏电池热光伏电池III-V族太阳能电池设计考虑因素族太阳能电池设计考虑因素5III-V族太阳能电池设计考虑因素族太阳能电池设计考虑因素5+-+-+-n 带隙的选择带隙的选择 多结太阳电池中每层材料的带隙大小，决定了太阳光会在哪一层被吸收掉。 理想状态下，每一层之间的带隙差异应该要设计到差不多才比较好，这样每一层的太阳电池才能吸收相等能量的太阳光谱。光线中超过该层材料的能隙的能量，会转换成热能消耗掉，因此每层之间的能隙差异要越小越好。 为了吸收最多的太阳
49、光源，越上层的薄膜应具有越大的带隙，越底层的薄膜应具有越小的带隙。 使用越多层的多结太阳电池，其对太阳光的吸收效率越好，但这也意味着制造成本的增加。 III-V族太阳能电池设计考虑因素族太阳能电池设计考虑因素5n 晶格常数晶格常数 要使得最上层与最底层之间达到最大的光电流，最好是每一层的材料都能具有相同的结晶构造。 在多结太阳电池的设计中，不止要考虑到能隙的安排，也要注意到层与层之间的晶格匹配性。 当层与层之间的晶格常数差异过大时，它将会在晶体中产生缺陷或差排，因此增加少数载流子再结合的机会，因而降低太阳电池的效率。 晶格常数差异达到0.01%，就已会显著影响到光电效率，GaInP、GaAs、
50、Ge三者的晶格常数非常的接近，这是他们被广为采用的原因之一。III-V族太阳能电池设计考虑因素族太阳能电池设计考虑因素5n 电流的匹配性电流的匹配性 由于多结太阳电池是种串联式的接合，电流会由太阳电池的顶端流向底端，所以通过每一层的电流必须是相同的。因此，太阳电池的整体输出电流，便会受限于各子电池所产生的最小电流。 如果要得到最大的效率，在设计上要让各子电池产生相同的光电流。与大于能隙的入射光子数目及材料对光的吸收率有关。III-V族太阳能电池设计考虑因素族太阳能电池设计考虑因素5n 隧道结（隧道结（TJIC） 在各子电池之间的隧道结的作用，在于提供子电池的p-型BSF与相邻子电池的n-型窗口
