砷化镓基系III-V族化合物半导体太阳电池的发展和应用(4)

2015-01-01中国科学院半导体研究所向贤碧廖显伯

太阳能 2015年9期

中国科学院半导体研究所 ■ 向贤碧廖显伯

进一步提高太阳电池效率最现实、最有效的途径是形成多结叠层聚光电池。这里以三结叠层电池为例来说明叠层电池的工作原理。选取3种半导体材料，如GaInP、GaInAs和Ge，它们的带隙依次为Eg1=1.7 eV、Eg2=1.18 eV和Eg3=0.67 eV，Eg1>Eg2>Eg3，将这3种材料分别制备出3个子电池，然后按Eg的顺序，从大到小将这3个子电池串叠构成叠层电池。带隙为Eg1的子电池在最上面(称为顶电池)，带隙为Eg2的子电池在中间(称为中电池)，带隙为Eg3的子电池在最下面(称为底电池)。理想情况下，如图3所示，顶电池吸收和转换太阳光谱中hν≥Eg1部分的光子(蓝色)，中电池吸收和转换太阳光谱中Eg1≥hν≥Eg2部分的光子(绿色)，而底电池吸收和转换太阳光谱中Eg2≥hν≥Eg3部分的光子(红色)。也就是说，太阳光谱被分成3段，分别被3个子电池吸收并转换成电能。很显然，这种三结叠层电池对太阳光的吸收和转换比任何一个带隙为Eg1、Eg2或Eg3的单结电池有效得多，因而它可大幅提高太阳电池的转换效率。

图3 AM 1.5太阳光谱和被三结太阳电池利用的光谱

根据叠层电池的原理，构成叠层电池的子电池的数目愈多，叠层电池可望达到的效率愈高。图4为在地面光谱、1倍太阳光强(蓝线)和最大聚光(红线)条件下，叠层电池的结数与电池效率的关系[15]。由图4可看出，两结叠层电池比单结电池的效率要高很多，而当子电池的数目继续增加时，效率提高的幅度变缓；而在聚光条件下，对比1倍太阳光强，电池效率又有明显的增加。无限多结叠层电池的极限效率，在1倍太阳光强下可达65.4%，在最大聚光(约46200倍)条件下可达85.0%。