多结电池的设计

研究高效太阳电池的中心思想就是根据多结电池中的子电池的带隙来划分太阳光谱，致使其在有效能量转换上更具优势。因此，为了研制出转换效率超过40%的太阳电池，正在开展包括晶格失配或者变质、子电池的材料(诸如GaInAs的非传统合金)以及三结以上的电池结构等方面的研究。

10.2.1　多结电池的构架

在晶格匹配的GaInP/GaInAs/Ge三结电池中，由1.8/1.4/0.67 eV的带隙组合划分的太阳光谱导致了Ge子电池产生过剩的光生电流密度。如果中间电池的带隙能像晶格失配或者变质的GaInP/GaInAs/Ge三结电池的间电池GaInAs那样具有1.2～1.3 eV的较低带隙，那么这部分浪费的电流就可以被中间电池有效地利用起来［1，10～16］。那么面临的挑战就会变成如何减少由于这些失配材料中存在的缺陷导致的Shockley-Read-Hall复合现象。

如果可以保证晶格质量的话，那么较高的晶格失配依然会表现出较大的优势。对于晶格失配极高的单结GaInAs电池，我们开展的研究是使相对Ge基底有2.4%的晶格失配、带隙为0.95 eV的Ga0.65In0.35As电池的铟含量从0变化到35%［1］。探索了具有相同晶格常数的失配材料GaInAs和GaInP的少数载流子的性质，带隙为1.1 eV、晶格失配率为1.6%的GaInAs电池与拥有相同带隙、具有创纪录转换效率的硅太阳电池相比，两者可以产生近乎相等的开路电压。这一结果表明通过优化这些变质器件中的梯级缓冲层可以抑制材料中的缺陷。平面透射电镜和阴极射线测量结果表明，Ga0.77In0.23As材料中的错位密度是(3～4)×106cm－2［1］。较大样区上的透射电镜图像表明，带隙为0.95 eV的Ga0.65In0.35As的错位密度仅为2×10－6cm－2，与通过时间分辨光致发光(TRPL)在带隙为1.1 eV和0.95 eV的材料中测得的少数载流子的寿命大约都为10 ns的观测值一致［1］。这些变质材料使得在高级多结电池的设计中采用带隙为0.9～1.1 eV的子电池成为可能。

图10.1　自1975年以来的聚光多结电池和其他光伏技术太阳电池的创纪录电池效率

由美国国家可再生能源实验室(NREL)编辑(感谢NREL的R.McConnell提供此图)

有关这个领域的研究已经在变质Ga0.44In0.56P/Ga0.92In0.08As/Ge三结电池上取得了一定的成果:两个上部电池的晶格常数比Ge基底大0.5%［1，9］;Ga0.35In0.65P/Ga0.83 In0.17As电池［7］、两结和三结的Ga0.29In0.71P/Ga0.77In0.23As/Ge电池［14，15］、GaInP/GaAs/1－eVGaInAs三结电池上的两个上部子电池的晶格与GaAs基底的晶格匹配［17，18］。图10.3展示了电池的设计示意。

另外一种利用三结电池内的Ge基底的过剩光生电流的方法就是嵌入一个带隙为1 eV的半导体，例如在Ge子电池上嵌入与之晶格匹配的GaInNAs。五结和六结电池设计时划分的太阳光谱波段要比三结电池的窄，这样可以允许所有的子电池和GaInNAs子电池较低的电流匹配。此外，入射光谱划分得越细越会降低由高出带隙的能量产生的光子激发的电子－空穴对带来的热损失，而且还会减少五结和六结电池中的电流密度的阻值损失I2R。五结和六结电池的横截面如图10.4所示。

图10.2　Spectrolab公司的地面聚光太阳电池的技术路线

在给定的晶格失配情况下，如果GaInP顶电池的带隙增加的话，那么许多设计的多结电池的转换效率就会提高。这是因为少量的光透过GaInP到达其下面的GaIn-As电池上，更多的光会在GaInP顶电池的较高电压下得到转换。Ga和In原子的无序排列对第Ⅲ主族子格的影响会使晶格失配(LM)情况下的带隙增加大约100 meV。这种影响已经在晶格失配和富In的GaInP中得到了证实［12，15］。使用AlGaInP以增加顶电池的带隙也能提高多结电池的效率［2，12］。

10.2.2　理论效率

在25℃下，由辐射复合的基本机理限制的多结电池的理论效率已经作为三结和六结电池中子电池的带隙的函数来计算了。每个子电池的电流密度是由地面标准AM1.5D、低AOD光谱的每个光能段产生的光通量计算得到的［19］，开路电压是通过载流子浓度计算得到的，此时的载流子浓度所对应的辐射复合相对光生电流密度来说处于稳态。通过合并多结电池中子电池的电流－电压特性就可以获得电池的效率。

10.3　具有极高的晶格失配、倒置1 eVGaInAs底电池的三结太阳电池的两种结构

(a)在透明的GaAs基底的两侧生长;(b)在GaAs的背面或者在制造过程中会除去的Ge基底上生长