第三代太阳电池转换效率提高方法

■ 阮瑜 张汝民 李政伊 程思冲 刘迪军 苏国彬

(1.无线移动通信国家重点实验室；2.北京航空航天大学电子信息工程学院；3.大唐电信集团联芯科技有限公司)

0 引言

根据太阳电池的材料，可将太阳电池的发展分为3个阶段。以晶体硅为衬底的第一代太阳电池，转换效率较高，然而其繁琐的制备工艺导致其成本居高不下。第二代太阳电池是基于薄膜材料的太阳电池。薄膜技术所需材料较晶体硅太阳电池少得多，且易于实现大面积电池的生产，但其效率较低，目前单结非晶硅薄膜电池的最高转换效率为16.6%[1]。第三代太阳电池的目标是在第二代薄膜沉积技术的基础上降低成本，新南威尔士大学的Green M A总结了第三代太阳电池应具备的特征[2]：薄膜化、转换效率高、原料丰富且无毒。

本研究综合一些提高太阳电池的方法，如果在第三代太阳电池中引入这些新方法，其性能还会有很大的提高潜力，这样便有可能研制出高效低成本的光伏器件，势必会对整个光伏产业产生巨大影响。

1 太阳电池效率的提高

根据太阳电池内部的能量损失机理，通常有以下几种提高效率的方法可应用到第三代太阳电池中：增加能级数量(如叠层太阳电池)、增加激发产生的载流子的数量、载流子热能化之前俘获载流子、热能方法。

1.1 多能级法

1.1.1 叠层太阳电池

叠层太阳电池是由Jackson于1955年提出[3]，电池由不同禁带宽度材料的p-n结堆叠而成，具有最大禁带宽度的p-n结置于电池最顶端，禁带宽度较低结依次堆叠在底部。这样较高能量的光子由宽能隙的结吸收，较低能量的光子由窄能隙的结吸收。光谱便可被各层分裂开来，每一部分都可充分利用光谱中的能量，减少了高能量光子的热损失并能更多地利用低能量的光子。

商用的多结太阳电池已经开始在太阳能发电系统中发挥作用，专家预言与聚焦器配合一起使用的多结太阳电池将来会发挥其成本和效率上的优势[4-6]。现在这种多结太阳电池的转换效率已经超过40%[7]。

图1 叠层太阳电池示意图

1.1.2 多元化合物叠层电池

高品质高效率的叠层太阳电池是由单晶的III-V族化合物材料通过晶体外延技术制作而成。晶体外延技术需控制晶格常数在一定范围内，叠层太阳电池材料的禁带宽度也需控制好。III-V族化合物可比较灵活的长成这种器件，一般是将其匹配在Ge衬底上。大多数这种器件是基于AlAs/GaAs体系，因为其晶格常数接近Ge的晶格常数，这样可有效避免位错。对于三结器件，则需三重化合物系统来优化晶格常数和禁带宽度，如GaInP/GaAs/GaInAs[2]。另外，通过在Ge衬底生长限制并不很严格的叠层，我们将这种限制并不十分严格的叠层太阳电池结构称为变质结构[8]。CIGS理论光电转换效率可达到25%～30%，CIGS薄膜电池最高光电转换效率已达到20.8%[9]，组件转换效率也达到了18.7%[10]，是转换效率最高的薄膜太阳电池，被认为是最有前途的新一代太阳电池之一[11]。

1.1.3 硅基薄膜太阳电池

硅基薄膜太阳电池分为：非晶硅(a-Si)薄膜太阳电池、微晶硅(uc-Si)薄膜太阳电池、纳米硅(a-Si)薄膜太阳电池，以及它们相互合成的叠层电池。

非晶硅通常用来制作单结太阳电池，但由于非晶硅内部缺陷浓度较高，其效率只有约4%～5%[12]。非晶硅叠层太阳电池的顶层是由非晶硅制作而成，底层为非晶硅和Ge的合金。这种叠层电池通常为串联结构，一般利用化学气相沉淀或其他真空沉淀技术来生长。虽然这种双结或三结的叠层电池在实验室的效率可达到19.8%[13]，但在大规模生产中其效率很难达到10%。

微晶硅能带为1.1 eV，非晶硅能带约为1.7 eV，两者结合较接近理想的叠层电池结构。1994年，IMT Neuchatel小组首次提出 μc-Si：H/a-Si：H 叠层太阳电池[14]，转换效率可得到显著提高。此结构以非晶硅为顶电池，微晶硅为底电池，且高效率、高稳定性。Shah[15]通过计算得到这种电池的理论转换效率可达30%以上。目前其转换效率可达8.5%～11%[16]。

1.1.4 染料敏化叠层太阳电池

首先，我国互联网汽车金融行业面临着来自国内的竞争。互联网汽车金融企业众多，如弹个车、上汽金融好车e贷等，为了争夺市场，这些企业间的竞争是很激烈的。除了同行业之间的竞争，互联网汽车金融行业还要面临着诸如像银行这样的传统金融机构间的竞争。银行具有资金量大，客户群体多，风险控制能力强等优势，这都是新兴的互联网金融企业所不具有的。

近20年来，染料敏化太阳电池(DSSC)是到目前为止基于有机小分子的效率最高、最有潜力的电池器件，且相对于普通硅基太阳电池，该电池生产成本低且环保，从而受到越来越多的关注[17-19]。Grätzel科研组[20]在 1991 年成功制备了以Ru金属配合物(N3)作为染料分子，高比表面积的纳米多孔二氧化钛膜作为半导体材料的电池体系，实际测量光电转换效率已高达8%。这一研究成果引起了全世界范围内的重视，就此拉开了针对染料分子太阳电池相关研究的序幕。从理论上讲，该类电池效率可达到33%～36%[21]，但由于技术等实际因素限制，目前达到的效率与上限相差甚远。据2008年5 月媒体报道，索尼已经开发出商业应用的染料敏化太阳电池，效率达到10%[22]。根据日经BP社报道[23]，2013年Grätzel的研究小组、牛津大学和桐荫横滨大学的研究小组分别独立开发出了转换效率超过15%的固体型染料敏化太阳电池。宫坂表示，此次太阳电池采用现在的材料和技术，转换效率能达到17%；将来，还能达到21%。

1.2 量子限制结构的太阳电池

为了能利用晶体材料及薄膜技术的优点，同时又可避开III-V族化合物晶体外延技术的高成本，可使用晶体硅薄膜。目前用这种材料制得的单结太阳电池效率只有10%。为提高利用这种材料制成的叠层电池的效率且保持第三代太阳电池的优点，目前研究人员正研究在Si叠层太阳电池中引入量子限制的微结构以提高其性能。利用量子限制效应调整材料的等效禁带宽度，从而实现叠层太阳电池的最大能量转换效率。量子限制效应通常是通过在材料内引入量子阱或量子点来实现[24]。

1.3 中间能级太阳电池

中间能级方法是通过在普通单结太阳电池能隙中引入一个或多个中间能级，这些中间能级便可在电池正常工作时吸收光子，吸收过程分为3种：VB(价带)→IB(中间能带)，IB→CB(导带)，VB→9CB。这种方法有增加电池效率的潜力[25]。

目前研究的重点转向了利用量子点来形成中间能带[26]。量子点的能级比势垒区要低，因此量子点形成了分离的能级，这些分裂的能级形成小能带，会增加电池吸收的光子数。然而由于量子点非常小，并不能吸收较多光子。为了使用较多量子点来提高激发载流子的数量，通常在电池中生长较多层的量子点。然而生长的量子点层数越多会对结构造成越多的破坏，从而降低太阳电池的性能。

综上所述，通过在能隙中引入中间能级虽未实现其效率上的优势，但这些器件在不远的将来仍有较大的潜力提高太阳电池的转换效率。

1.4 量子增殖

1.4.1 碰撞离化

图2 中间能级太阳电池

图3 多载流子激发

1.4.2 调制光谱

调制入射光谱有很大潜力可以提高标准单结太阳电池的效率。有两种方法可以用来调制光谱：下转换和上转换。下转换：吸收一个高能量的光子来产生两个或多个低能量的光子；上转换：吸收两个或多个低能量的光子来产生一个高能量的光子[28]，如图4和图5所示。

通过调制光谱来提高太阳电池的效率，必须使得转换层的外量子效率超过100%。虽然曾有量子转换效率接近200%的相关报道[29]，但在太阳电池表面贴上其他材料会改变表面的折射率，由此导致反射损失的增加。综上所述，虽然这种上转换方法在理论上很有效，但其应用前景还很渺茫。

图4 下转换示意图

图5 上转换示意图

1.5 热载流子电池

高能量光子高出禁带宽度的能量以热能形式损失掉，若能在载流子与晶格作用前收集载流子，便可有效提高电池的转换效率，热载流子电池正是基于此原理而设计的[30]。

热载流子电池的本质是减慢光生载流子冷却速度，以便有充足时间在载流子仍具有较高能量时收集它们。这样电池便可得到较高电压，从而解决太阳电池中主要的热能损失。然而实现热电子空穴的分离比较困难，为了实现分离，必须减少电子和空穴的接触。通过引入金属接触可很轻松地冷却热载流子。这样我们就需一个能量选择接触(ESC)来实现载流子的析出，从而提高太阳电池效率，如图6所示。这些接触只允许一定能量的载流子从吸收材料中吸收，一旦载流子到达接触，就会被冷却。通过热载流子析出太阳电池的理论效率可超过80%[31-32]。即便如此，热载流子电池还需很长时间来验证。

图6 热载流子电池示意图

1.6 其他方法

1.6.1 热光伏和热光子器件

晶体内部的缺陷或杂质会辅助声子的放射而使得电子空穴对复合，故载流子不可避免地要将能量传递给声子，使器件发热。热光伏效应便可利用这部分热能，将其转换成电能再次被元器件利用[33]。热光子器件是在热光伏器件基础上发展起来的，利用一个正偏的发光二极管代替热光伏器件中的能量选择器，在正偏压作用下，二极管发出的辐射可被太阳电池利用，从而提高其效率[34]。

1.6.2 循环器

太阳电池属于交互系统，即可接收一定波长的太阳辐射，同时也可辐射出相同波长的辐射。然而对于非交互系统，有可能再次利用发射出的波长以提高系统的效率。原则上，循环器(如图7)的作用便是将来自前一个电池的辐射光照射到下一个电池上。如果使用无限数量的循环器和无限数量的电池，这种方法可将效率提高到93%。

图7 循环器示意图

2 总结

结合多能级的方法可有效改善光伏器件的效率，从而降低第三代太阳电池发电成本。另外，第三代太阳电池还可使用灵活的量子阱或量子点微结构来提高效率。然而叠层太阳电池是目前为止开发得最好、最有应用前景的光伏器件。

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