太阳能电池技术的研究现状及发展趋势

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1、第24卷第3期邢台职业技术学院学报Vol.24No.32007年6月JournalofXingtaiPolytechnicCollegeJun.2007GaAs叠层太阳能电池技术的研究现状及发展趋势于敏丽，孟红秀（邢台职业技术学院电子系，河北邢台054035）摘要：本文介绍了GaAs作为太阳能电池材料的特点以及GaAs叠层太阳能电池的结构、性能等，叙述了GaAs叠层太阳能电池的研究现状及最新进展，讨论和分析了GaAs叠层太阳能电池的发展趋势。关键词：GaAs；叠层太阳能电池；转换效率中图分类号：

2、TM914.4文献标识码：A文章编号：1008—6129（2007）03—0041—03人类当前所使用的矿物能源日趋耗尽，环境污染日益严重，在严峻的能源替代形势和人类生态环境逐渐恶化的双重压力下，开发新能源成为世界各国关注的焦点。众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭的可再生能源。而基于太阳光与半导体材料作用而形成的光伏效应的太阳能电池的研制与开发是近些年来发展最快，也是最具活力的，其中GaAs叠层太阳电池更成为当今研究的热点。一、GaAs半导体材料的特点GaAs是典型的III-V族化合物半导体材

3、料，具有直接能带隙，带隙宽度为1.42eV（300K），正好为[1]高吸收率太阳光的值，因此，是很理想的太阳能电池材料。其主要特点：1.光吸收系数高。GaAs太阳能电池的有源区厚度多选取3um左右，就可以吸收95%的太阳光谱中最强的部分。2.带隙宽度与太阳光谱匹配。GaAs的带隙宽度正好位于最佳太阳电池材料所需要的能隙范围，具有更高的理论转换效率。3.耐高温性能好。GaAs太阳能电池效率随温度升高降低比较缓慢，可以工作在更高的温度范围。4.抗辐照性能强。GaAs是直接带隙材料，少数载流子寿命较短

4、，在离结几个扩散度外产生损伤，对光电流和暗电流均无影响，因此，GaAs太阳能电池具有较好的抗辐照性能。5.多结叠层太阳电池的材料。由于III-V族三、四元化合物（GaInP、AlGaInP、GaInAs等）半导体材料生长技术日益成熟，使电池的设计更为灵活，从而大幅度提高太阳电池的效率并降低成本。二、叠层太阳能电池的提出和制备方法由于太阳光光谱中的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池，被背电极金属吸收，转变成热能；高能光子超出

5、能隙宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效的电能。因此单结太阳能电池的理论转换效率一般较低。太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料电池利用，这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样的电池结构就是叠层电池，可以大大提高其性能和稳定性。叠层太

6、阳能电池的制备可以通过两种方式得到。一种是机械堆叠法，先制备出两个独立的太阳能电池，一个是高带宽的,一个则是低带宽的。然后把高带宽的堆叠在低带宽的电池上面；另一种是一体化的——————————————收稿日期：2007—02—06作者简介：于敏丽（1980—），女，黑龙江海林市人，邢台职业技术学院电子系，助教。41邢台职业技术学院学报2007年第3期方法，先制备出一个完整的太阳能电池，再在第一层电池上生长或直接沉积在第一层电池上面。三、GaAs叠层太阳能电池单结GaAs电池只能吸收特定光谱的太阳

7、光，其转换效率不高。不同禁带宽度的Ⅲ-Ⅴ族材料制备的多结GaAs电池，按禁带宽度大小叠合，分别选择性吸收和转换太阳光谱的不同子域，可大幅度提高太阳电池的光电转换效率。理论计算表明(AM0光谱和1个太阳常数):双结GaAs太阳能电池的极限效率为30%，三结GaAs太阳能电池的极限效率为38%，四结GaAs太阳能电池的极限效率为41%。1.双结GaAs太阳能电池双结GaAs太阳能电池是由两种不同禁带宽度的材料制成的子电池，通过隧穿结串接起来。双结电池主要吸收太阳光谱的短波段和长波段。1)Al0.37

8、Ga0.63As/GaAs(Ge)双结太阳能电池在研制单结GaAs太阳能电池的过程中，深入研究了Al-GaAs/GaAs的异质结构。因此研制双结太阳能电池时，首先关注Al0.37Ga0.63As/GaAs晶格匹配和光谱匹配系统，两者的Eg分别为1.93eV和1.42eV，正处于叠层太阳能电池所需的最佳匹配范围。1988年，CHUNG等用MOCVD技术生长了Al0.37-Ga0.63As/GaAs双结叠层太阳能电池，其AM0效率达到23%。研究中发现生长高质量Al0.37Ga0.63As层非常困难