中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 ■ 向賢碧 廖顯伯

進(jìn)一步提高太陽(yáng)電池效率最現(xiàn)實(shí)、最有效的途徑是形成多結(jié)疊層聚光電池。這里以三結(jié)疊層電池為例來(lái)說(shuō)明疊層電池的工作原理。選取3種半導(dǎo)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(gè)子電池，然后按Eg的順序，從大到小將這3個(gè)子電池串疊構(gòu)成疊層電池。帶隙為Eg1的子電池在最上面(稱(chēng)為頂電池)，帶隙為Eg2的子電池在中間(稱(chēng)為中電池)，帶隙為Eg3的子電池在最下面(稱(chēng)為底電池)。理想情況下，如圖3所示，頂電池吸收和轉(zhuǎn)換太陽(yáng)光譜中hν≥Eg1部分的光子(藍(lán)色)，中電池吸收和轉(zhuǎn)換太陽(yáng)光譜中Eg1≥hν≥Eg2部分的光子(綠色)，而底電池吸收和轉(zhuǎn)換太陽(yáng)光譜中Eg2≥hν≥Eg3部分的光子(紅色)。也就是說(shuō)，太陽(yáng)光譜被分成3段，分別被3個(gè)子電池吸收并轉(zhuǎn)換成電能。很顯然，這種三結(jié)疊層電池對(duì)太陽(yáng)光的吸收和轉(zhuǎn)換比任何一個(gè)帶隙為Eg1、Eg2或Eg3的單結(jié)電池有效得多，因而它可大幅提高太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率。

圖3 AM 1.5太陽(yáng)光譜和被三結(jié)太陽(yáng)電池利用的光譜

根據(jù)疊層電池的原理，構(gòu)成疊層電池的子電池的數(shù)目愈多，疊層電池可望達(dá)到的效率愈高。圖4為在地面光譜、1倍太陽(yáng)光強(qiáng)(藍(lán)線)和最大聚光(紅線)條件下，疊層電池的結(jié)數(shù)與電池效率的關(guān)系[15]。由圖4可看出，兩結(jié)疊層電池比單結(jié)電池的效率要高很多，而當(dāng)子電池的數(shù)目繼續(xù)增加時(shí)，效率提高的幅度變緩；而在聚光條件下，對(duì)比1倍太陽(yáng)光強(qiáng)，電池效率又有明顯的增加。無(wú)限多結(jié)疊層電池的極限效率，在1倍太陽(yáng)光強(qiáng)下可達(dá)65.4%，在最大聚光(約46200倍)條件下可達(dá)85.0%。

圖4 AM 1.5太陽(yáng)光譜下多結(jié)疊層電池的結(jié)數(shù)與電池計(jì)算效率的關(guān)系

[15] Andreev V M. 高效聚光III-V族太陽(yáng)電池的研究[A].中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所學(xué)術(shù)討論會(huì)[C], 北京, 2005.

(待續(xù))