高效的Ⅱ-Ⅵ族多结太阳能电池的研究

2021-12-30王海燕王常春

大学物理实验 2021年6期

王海燕，王常春

(吉林化工学院理学院，吉林吉林 132022)

现在全球正面临着能源短缺以及环境污染等问题。由于现在社会一直提倡环保节能，那些煤炭、石油、天然气等有污染的资源渐渐被新能源所替代，每个国家都在尽力研究清洁新能源，所研究的程度和利用价值，成了国家发展的标志，所以研究绿色环保新能源迫在眉睫。这其中太阳能具有取之不尽、用之不竭、无污染、清洁等优点，因此而受到研究者的关注，目前全世界共有136个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中,其中有95个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发,积极生产各种相关的节能新产品。高效的Ⅱ-Ⅵ族多结太阳能电池因其成本低、具有理想的禁带宽度、很高的光吸收率、光电转换率高、电池性能稳定、电池结构简单等优点而成为应用前景最好的太阳能电池。随着人们对高效的Ⅱ-Ⅵ族多结太阳能电池的研究与开发，高效的Ⅱ-Ⅵ族多结太阳能电池己经广泛应用于工业、农业、军事和日常生活等领域，尤其是它们在边远地区、高山、沙漠、岛屿和农村使用，可以节省造价很贵的输电线路。对高效的Ⅱ-Ⅵ族多结太阳能电池的研究也成为改变全球能源短缺的有效途径。因此，本文介绍了几种单节和多节的Ⅱ-Ⅵ族，介绍了几种电池的特点、制备工艺以及转化效率。

1 Ⅱ-Ⅵ族太阳能电池

1.1 CdTe/CdS太阳能电池

1976年，RCA实验室将含有In元素的合金覆盖在CdTe单晶表面，因此制造出首个CdTe电池，当时该电池的光电转化效率只有2.1%。1982年，Kodak实验室通过化学沉积法，将CdS成功地覆盖在CdTe表面，从而设计出新型的p-CdTe/n-CdS电池，该电池的光电转化效率在10%以上。进入到九十年代后，企业开始了CdTe电池的工业化生产，不过由于转化效率不高市场一直难以实现快速发展，市场份额始终难以突破1%。如今，CdTe电池在实验室创造的能量转化效率上限值能够达到17.3%，工业应用领域的CdTe电池的这一效率值将近10%。

对于CdTe/CdS薄膜太阳能电池，一种常见的结构如图1所示。在电池中，CdTe为p型，CdS为n型半导体。

图1 一种常见的CdTe/CdS薄膜太阳能电池

1.2 CdSe/CdS太阳能电池

CdSe半导体材料是Ⅱ-Ⅵ族半导体材料领域研究成果比较丰富的一种材料。早在20世纪50年代中期，Heinz及其研究小组就对CdSe材料所具有的性质进行了全面的研究和阐述。自此以后，人们对CdSe的研究越来越多。CdSe属于宽带隙Ⅱ-Ⅵ族半导体材料，它具有直接跃迁的特征，它的禁带宽度达到了(1.74 eV)，和太阳光所含有的可见光的波段是完全匹配的，并且在可见光的照射下样品能够发生光电效应。也是因为这一特征的存在，CdSe被人们广泛地应用到高效发光设备、太阳能电池等领域。CdSe的其他优势主要体现在平均原子序数大、有效抵抗高能射线、难以潮解等，在室温状态下其工作不受高电场的影响，并且漏电量低，稳定性高。如今，人们的研究主要集中在CdSe薄膜生产工艺和特性研究方面，各种研究成果不断涌现。采用不同的方法生产出的CdSe薄膜，其在结构、形貌和性质方面都具有明显的差异。

可利用电化学沉积法[1]、化学气相沉积法[2]、化学浴沉积法[3]、真空热蒸发沉积法[4]、分子数外延法[5]、高温热解法[6]、离子层吸附和反应法[7]等方法进行CdSe/CdS太阳能电池的制备。

1.3 CdTe/CdSe/CdS多结太阳能电池

如图2是CdTe/CdSe/CdS多结太阳能电池示意图。

(a)

其中，图2(a)是一个2结电池，最上面的一结为CdS，下面依次是CdSe和CdTe，三者的带隙依次是2.42 eV、1.74 eV以及1.45 eV。上面的两个电池是通过异质结构隧道结连接在一起的，这样设计的目的在于CdSe电池也能吸收太阳光，同时提供高的结间势垒，防止两层中产生的少子扩散。图2(b)是另一种结构,其中CdS是以量子点的形式生长的CdSe和CdTe表面的，这种结构的太阳能电池具有三个结，有利于提高太阳能电池的光电转化效率。

1.4 CdTe/CdSe/CdS多结太阳能电池的优化

优化多结太阳能电池能够提高太阳能电池的效率，下面列举一些常用的方法。首先量子点能够很好地提高太阳能电池的效率。日本筑波大学科研人员运用此种方法将电池的效率做到8.54%[8]。量子点构造如图3所示。

(a)Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池量子点结构

量子点能够在p-n结之间层叠多个量子点层，如图3(a)中可以看到在1 cm2的GaAs衬底上能够沉积30层InAs，图3(b)中可以看到在1 cm2的CdTe 的衬底上能够沉积30层的CdSe超晶格结构。在CdTe上生长CdSe时，自组织形成高度达到3～4 nm、直径为20～30 nm的量子点。另外，量子点在超晶格结构的作用下连接在一起，此时传导带上就会出现一条微带，大大提高了电池的吸收波范围。从理论上来看，这种电池的效率应该能够超过60%。

通过优化器件的结构也是提高多结太阳能电池效率的一种重要方法。可以通过改变器件赝形层结构或者机械叠加结结构等方法来提高电池的效率。

在多层电池上增加一个失配晶格层，我们管这个失配的晶格层叫做赝形层结构。一般多结电池的外延层是晶格失配生长，会产生很多位错，减少了少子扩散长度，降低了器件性能。在赝形层结构多结太阳能电池中，使用组分渐变方法在CdTe/CdSe双结上生长CdS结，使得所有位错都局限在低频宽的CdS结中。其实赝形层方法在CdTe基HEMT的开发中广泛应用，近几年在CdSe基长波长雷射器中也有应用。

多芯片结结构也是提高太阳能电池效率的一种方法。所谓的多芯片结结构就是将生长在不同衬底上不同频宽的电池压焊到一起。CdTe和CdSe的频宽较窄，它们的频宽为1.05和0.75 eV，我们可以在其上面生长一层频宽较宽的CdTe/CdSe，然后将它们通过压焊的方式压到InP衬底，形成串联结构的电池。Delaware大学的Allen Barnett的研究团队利用光电互连和机械叠加的方法研制了效率可达42.8%(在20个太阳聚光条件下)超高效太阳能电池[9]。这种优化得到的太阳能电池能够使入射光在不同光谱波段分离和定向，然后被不同频宽的太阳能电池所吸收，这种光学聚焦系统具有较宽的接收角度，从而不需要复杂的定位跟踪系统[10,11]。但这种结构的太阳能电池生长工艺需要多种衬底，衬底的剥离，在外延层上压焊芯片等，成本较高而且器件品质很难保证。