砷化鎵基系III-V族化合物半導體太陽電池的發(fā)展和應用(4)

中國科學院半導體研究所 ■ 向賢碧 廖顯伯

進一步提高太陽電池效率最現(xiàn)實、最有效的途徑是形成多結疊層聚光電池。這里以三結疊層電池為例來說明疊層電池的工作原理。選取3種半導體材料，如GaInP、GaInAs和Ge，它們的帶隙依次為Eg1=1.7 eV、Eg2=1.18 eV和Eg3=0.67 eV，Eg1>Eg2>Eg3，將這3種材料分別制備出3個子電池，然后按Eg的順序，從大到小將這3個子電池串疊構成疊層電池。帶隙為Eg1的子電池在最上面(稱為頂電池)，帶隙為Eg2的子電池在中間(稱為中電池)，帶隙為Eg3的子電池在最下面(稱為底電池)。理想情況下，如圖3所示，頂電池吸收和轉換太陽光譜中hν≥Eg1部分的光子(藍色)，中電池吸收和轉換太陽光譜中Eg1≥hν≥Eg2部分的光子(綠色)，而底電池吸收和轉換太陽光譜中Eg2≥hν≥Eg3部分的光子(紅色)。也就是說，太陽光譜被分成3段，分別被3個子電池吸收并轉換成電能。很顯然，這種三結疊層電池對太陽光的吸收和轉換比任何一個帶隙為Eg1、Eg2或Eg3的單結電池有效得多，因而它可大幅提高太陽電池的轉換效率。

圖3 AM 1.5太陽光譜和被三結太陽電池利用的光譜

根據(jù)疊層電池的原理，構成疊層電池的子電池的數(shù)目愈多，疊層電池可望達到的效率愈高。圖4為在地面光譜、1倍太陽光強(藍線)和最大聚光(紅線)條件下，疊層電池的結數(shù)與電池效率的關系[15]。由圖4可看出，兩結疊層電池比單結電池的效率要高很多，而當子電池的數(shù)目繼續(xù)增加時，效率提高的幅度變緩；而在聚光條件下，對比1倍太陽光強，電池效率又有明顯的增加。無限多結疊層電池的極限效率，在1倍太陽光強下可達65.4%，在最大聚光(約46200倍)條件下可達85.0%。

圖4 AM 1.5太陽光譜下多結疊層電池的結數(shù)與電池計算效率的關系

[15] Andreev V M. 高效聚光III-V族太陽電池的研究[A].中國科學院半導體所學術討論會[C], 北京, 2005.

(待續(xù))