多结太阳电池的发展概况

在太阳电池发展的初期，人们就意识到电池的效率对光伏发电成本影响巨大。在光伏安装方面，许多部件成本是和其面积有关的(比如结构成本、封装成本、土地成本等)。因此，高效的系统所需面积相对较小，总体成本相应较低。但是，如图4.1所示，仅使用单一半导体材料，电池效率会被热效应和光学损失所限制。为了更有效地利用太阳光谱，早在50多年前就有人提出了多结的概念。感兴趣的读者若想更多地了解多结电池的发展历史，可参阅文献［4］。

制作多结太阳电池有两种方法(参见图4.2):机械级联方法(图4.2(a))和单体级联方法(图4.2(b))。前者是把具有不同禁带宽度的电池首先分别制作在单独的衬底上，然后再把它们整合在一块，每个电池有自己的正负极，可以分开连接。而后者是让不同的材料在同一衬底上生长，通过带间的隧道二极管相互串联。这种方法可以把不同材料级联起来，最终形成像传统单结电池一样的仅有一个正负极的电池。此种电池的电流往往受限于产生最小电流的p-n结，因此一定要慎重选择材料的禁带宽度和整个电池的结构。

图4.2　制作多结太阳电池的两种方法

(a)机械级联方法，由不同半导体材料制成的单结电池相互级联在一起，这导致有多个终端，需要将它们正确地连接在模块上;(b)单体级联方法，具有不同禁带宽度的半导体材料相互外延生长，通过隧道二极管将子电池的内部串联起来

表4-1给出了一些Ⅲ-Ⅴ族聚光电池的效率，这些电池是在1988年至2005年间采用机械级联和单体级联技术生产出来的。值得注意的是，虽然在20世纪80年代和20世纪90年代初制造的电池本身具有很高的效率，但这些电池通常是小批量生产的研究样本，并未准备用于大规模商业化生产。

最近高效率的多结太阳电池的发展基于Ga0.5In0.5P/Ga0.99In0.01As/Ge制成的单体级联三结器件。这种电池结构的发展历史要追溯到1984年，当时Jerry Olson发明了GaInP/GaAs多结电池［12］，通过减小顶电池层的厚度使之部分透明，从而实现了这种结构电池的电流匹配。多年来，事实证明GaInP要比AlGaAs化合物更容易生长出高质量的晶格，这就是为什么上述方法那么成功的原因。Ga0.5In0.5P/Ga0.99In0.01As/Ge三结太阳电池在20世纪90年代得到商业化应用，当时这种结构的电池主要用于航空领域。具有低禁带宽度的Ge(0.67 eV)衬底可以被激活作为第3个p-n结。在这种情况下，Ge可以增加230 mV的电压，而且与GaAs作为衬底相比具有很多优势。这种电池得到了进一步发展，现在由Azur公司、Spectrolab公司和EMCORE公司生产。

在太空应用上，每单位质量的Ga0.5In0.5P/Ga0.99In0.01As/Ge太阳电池的功率输出与Si相比具有优势，已弥补了其较高的材料成本。在地面应用上，聚光是多结电池技术具有经济优势的关键。对于这种应用，必须调整太阳电池的结构，以适应地面上的太阳光谱和聚光条件下产生的高电流密度。尽管电池在设计上有许多不同之处，但太空与地面应用在技术上还是有许多共同之处的。目前，世界各地不同的研究小组已证实在聚光光谱AM1.5D［1，10，13］条件下电池的效率已超过35%。

表4.1　1988—2005年某些聚光电池的效率

注:AOD为气溶胶光学厚度。

在一个单体级联三结太阳电池中仅用一个衬底，所以单体级联方法与机械级联方法相比具有成本优势。但是，此种太阳电池的结构和表征更为复杂。下节将详细介绍单体级联多结聚光太阳电池是如何制造的。