非晶硅叠层太阳能电池

中文名称

非晶硅叠层太阳能电池

英文名称

α-Si based tandem solar cell

定　　义

由两个非晶硅基PIN结电池叠合构成的电池。通常，上下电池有不同带隙宽度，分别吸收不同光谱段的太阳光，可提高电池稳定效率。

应用学科

材料科学技术（一级学科），半导体材料（二级学科），非晶和微晶半导体材料（三级学科）

在硅系列电池中，非晶硅（a-Si）对阳光的吸收系数最高，活性层只需要1 μm 厚，材料的需求大大减少。但是也有不少缺点：随光照时间增加效率反而衰退；禁带宽度为1.7 eV，对长波区域不敏感。研究证实，叠层太阳能电池可有效提高非晶硅的稳定性，使室外阳光下照射1 年的效率衰退率从单结的25%~35%下降到20%以下。下面将介绍a-Si/poly-Si，a-Si/μc-Si，a-Si/CIS 3 种主要的非晶硅叠层太阳能电池。多晶硅（poly-Si）的禁带宽度（1.12 eV）比非晶硅小得多，作为a-Si/poly-Si 叠层太阳能电池底电池的光吸收体， 它能有效吸收从顶层电池透射的能量小于非晶硅禁带宽度的太阳光辐射光谱，提高叠层电池的能量转换效率。Takakura理论上计算出a-Si/poly-Si 叠层太阳能电池有超过30%的效率， 已制备出13.3%能量转换效率的a-Si/poly-Si 叠层太阳能电池，四端输出转换效率达21%，未发现电池性能随光照而衰退。微晶硅（μc-Si:H）有比非晶硅更高的光吸收系数，尤其近红外高出2~3 数量级，光照衰退效应引起的薄膜性能衰退远比非晶硅小，而经氧化微晶硅的载流子迁移率可增大20 倍，激起人们研制全微晶硅P-i-N 型太阳能电池的热情。目前单结微晶硅P-i-N 太阳能电池能量转换效率已达7.8%，而且其光伏特性特别适合用来制造a-Si/μc-Si 叠层电池的底电池， 国外报道已获得9.4%的电池能量转换效率，且长期光照电池性能衰退极小。林鸿生等通过数值求解Poisson 方程， 对经高强度光辐射过的a-Si/μc-Si 叠层电池进行了数值模拟分析，表明a-Si/μc-Si 叠层电池的顶层电池a-Si 未发生光致衰退效应，这种结构的电池具有较高的光稳定性。薛俊明等采用射频等离子增强化学气相沉积法制得a-Si/μc-Si 叠层电池，效率达到9.83%，高于国外水平。

CuInSe2是一种光吸收系数很高的半导体材料，对能量稍大于其禁带宽度（1.04 eV）的光子，它的吸收系数在105 cm-1数量级上。CuInSe2基多晶薄膜太阳能电池已得到了广泛的研究，它也是一种制造a-Si/CIS 叠层太阳能电池底电池最理想的光吸收体材料之一。Takakura从理论上算出a-Si/CIS 叠层太阳能电池的能量转换效率能超过20%，已制备出13%稳定效率的a-Si/CIS 叠层太阳能电池，而四端输出达14.6%，没有发现电池性能随光照而衰退 。

多元化合物太阳能电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳能电池。现在各国研究的多元化合物太阳能电池品种繁多，但绝大多数尚未工业化生产。半导体化合物GaAs，CdTe，Cu(In, Ga)Se2(CIGS)的禁带宽度接近于光伏电池所要求的最佳禁带宽度，它们具有高的光电转化效率，又有较低的制作成本，可以用来制造薄膜叠层太阳能电池。

GaAs 是III-V 族半导体材料，禁带宽度1.42 eV，与太阳光谱匹配，是理想的太阳能电池材料。单结GaAs 电池只能吸收特定光谱的太阳光，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，按禁带宽度由大到小叠合，这些III-V 族材料分别吸收和转换太阳光谱的不同子域， 可大幅提高太阳能电池的光电转换效率。由于镓比较稀缺，砷有毒，制造成本高，此类太阳能电池的发展受到一定的影响。目前， 国际上已对AlGaAs/GaAs，GaInP2 /GaAs，GaInAs/Inp，GaInP/GaInAs 等双结叠层太阳能电池进行过研究， 其中对GaInP2 /GaAs 叠层太阳能电池的研究居多。

这种电池结构首先由Olson 在1990 年提出，他发现GaInP2材料可以作为叠层太阳能电池的顶层电池。目前国外报道的GaInP2 /GaAs 双结叠层太阳电池的光转换效率已达25.7%。产业化成熟产品转换效率约23.1%， 并逐步用作卫星等航天器的供电电源，前景十分广阔。不过，造价昂贵一直是GaInP2 /GaAs 叠层电池难以大批量生产的直接原因， 选用价格低廉的Ge 衬底是降低成本， 减小GaInP2 /GaAs 叠层太阳能电池自身重量的有效途径。国外对此已研究多年，近年国内研究也开始深入。上海交通大学物理系的陈鸣波、崔容强等采用低压金属有机物化学气相沉积工艺制备P-N 型的GaInP2 /GaAs 叠层太阳能电池样品，并对GaInP2顶层电池进行改进，制得的电池光电转换效率为23.82%。其他双结太阳能电池如Al0.37Ga0.63As/GaAs(Ge)两者的禁带宽度分别为1.93 eV 和1.42 eV，正处于叠层太阳能电池所需的最佳匹配范围，其效率达到23%。

在双结电池的基础上，1993 年在国外就有报道研制出三结Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge 叠层太阳能电池。1996 年，美国光谱实验室研制的该类电池的最高效率达到25.7%， 小批量生产平均效率达到23.8%，1997 年大批量生产平均效率达到24.5%。2000 年最高效率达到29%，2002 年大批量生产平均效率达到26.5%。目前，国际上从事多结电池批产的最知名的两家公司是美国的光谱实验室和Emcore 公司， 其年批产能力分别为500 kW 和200 kW。

作为II-VI 族化合物半导体CdTe，是禁带宽度为1.46 eV的直接禁带半导体，很接近太阳能电池需要的最优化禁带宽度，吸收系数约为105 cm-1，就太阳辐射光谱中能量高于CdTe禁带宽度的范围而言，1μm 厚的CdTe 可以有效吸收其99%[10-11]。目前，国内的CdS/CdTe 太阳电池是研究热点，报道的最高光电转换率是由李愿杰等[12]制造的单层CdS/CdTe，效率为13.38%。该实验室还制造出多层叠层CdS/CdTe 太阳能电池，结构为CdS/CdTe/CdS/CdTe/ZnTe:Cu/Ni。这种叠层太阳能电池的效率可以达到8.16%。

Cu(In, Ga)Se2(CIGS)太阳能电池的光电转化效率高、性能稳定、抗辐射能力强，且制造成本低，倍受重视，是新一代太阳能电池。它的最高的转换效率已经达到19.5%。为了提高效率，可以制成CGS/CIS 层叠太阳能电池，这种电池的转换效率据报道已经达到33.9%，该叠层电池的稳定性、直接带宽、高吸收系数对于生产低成本、高效率的两结叠层太阳能电池来说是可取的。对于两结叠层太阳能电池，其顶层电池对全部转换效率的贡献大，所以要达到CGS/CIS 25%的转换效率，需要转换效率大于15%高质量的CGS 顶层电池。

自从1991 年Grtzel 等首次将金属钌有机配合物作为染料吸附在TiO2纳米晶多孔膜制成电池后，吸引了许多研究者的目光。染料敏化太阳能电池原理上有诸多优势：由于几乎所有染料激发态上的电子可以有效地注入到半导体导带中，减少了电子与空穴复合的机会，有利于提高光电转换效率；此外，不仅原料和制造成本低，而且所用材料对环境影响小，具有代表性的增感色素Ru 色素的毒性很低，电池的生命周期评估也较好。要把理论优势转化为实际优势，还取决于实际电池中的材料状态与理想状态的符合程度。在1 sun（即一天中最大的照射下）条件下，染料敏化太阳能电池的转换效率已经超过10%，其实用化研究开发已经开始。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能电池，效率达到10%。

染料敏化叠层太阳能电池由两个光电池组成，前面的电池吸收太阳光中的高能紫外和蓝光，利用纳米晶金属氧化物薄膜来产生电子-空穴对。波长在绿光到红光之间的光被Grtzel 敏化二氧化钛电池吸收， 这两个电池连接起来提供电压。染料敏化太阳能电池的能量转换效率主要与敏化剂吸收太阳光谱的能力有关，为了提高光谱效应，在电池的两个不同层上用不同的敏化剂染料。马廷丽、苗青青制作了一种叠层式染料敏化太阳能电池。其特征在于，顶部的太阳能电池与底部的太阳能电池的光阳极分别吸附具有相同结构或不同结构，不同光谱响应范围且有互补性质的染料；两个太阳能电池的光阳极结构为在基板上载有一层导电膜和半导体薄膜及染料，对向电极为带有导电性的基板，在两个电极之间介入电解质。这一新型叠层式染料敏化太阳能电池有光电转换效率高、价格低、制备工艺简单并且易于大规模生产的特点。解决现有太阳能电池效率低、成本高，制备工艺复杂的问题。用该发明的技术手法制造的染料敏化太阳能电池可用做太阳能发电和太阳能制氢系统。