高效的Ⅱ-Ⅵ族多結(jié)太陽能電池的研究

王海燕，王常春

(吉林化工學(xué)院 理學(xué)院，吉林 吉林 132022)

現(xiàn)在全球正面臨著能源短缺以及環(huán)境污染等問題。由于現(xiàn)在社會一直提倡環(huán)保節(jié)能，那些煤炭、石油、天然氣等有污染的資源漸漸被新能源所替代，每個國家都在盡力研究清潔新能源，所研究的程度和利用價值，成了國家發(fā)展的標(biāo)志，所以研究綠色環(huán)保新能源迫在眉睫。這其中太陽能具有取之不盡、用之不竭、無污染、清潔等優(yōu)點，因此而受到研究者的關(guān)注，目前全世界共有136個國家投入普及應(yīng)用太陽能電池的熱潮中,其中有95個國家正在大規(guī)模地進(jìn)行太陽能電池的研制開發(fā),積極生產(chǎn)各種相關(guān)的節(jié)能新產(chǎn)品。高效的Ⅱ-Ⅵ族多結(jié)太陽能電池因其成本低、具有理想的禁帶寬度、很高的光吸收率、光電轉(zhuǎn)換率高、電池性能穩(wěn)定、電池結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點而成為應(yīng)用前景最好的太陽能電池。隨著人們對高效的Ⅱ-Ⅵ族多結(jié)太陽能電池的研究與開發(fā)，高效的Ⅱ-Ⅵ族多結(jié)太陽能電池己經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事和日常生活等領(lǐng)域，尤其是它們在邊遠(yuǎn)地區(qū)、高山、沙漠、島嶼和農(nóng)村使用，可以節(jié)省造價很貴的輸電線路。對高效的Ⅱ-Ⅵ族多結(jié)太陽能電池的研究也成為改變?nèi)蚰茉炊倘钡挠行緩健Ｒ虼?，本文介紹了幾種單節(jié)和多節(jié)的Ⅱ-Ⅵ族，介紹了幾種電池的特點、制備工藝以及轉(zhuǎn)化效率。

1 Ⅱ-Ⅵ族太陽能電池

1.1 CdTe/CdS太陽能電池

1976年，RCA實驗室將含有In元素的合金覆蓋在CdTe單晶表面，因此制造出首個CdTe電池，當(dāng)時該電池的光電轉(zhuǎn)化效率只有2.1%。1982年，Kodak實驗室通過化學(xué)沉積法，將CdS成功地覆蓋在CdTe表面，從而設(shè)計出新型的p-CdTe/n-CdS電池，該電池的光電轉(zhuǎn)化效率在10%以上。進(jìn)入到九十年代后，企業(yè)開始了CdTe電池的工業(yè)化生產(chǎn)，不過由于轉(zhuǎn)化效率不高市場一直難以實現(xiàn)快速發(fā)展，市場份額始終難以突破1%。如今，CdTe電池在實驗室創(chuàng)造的能量轉(zhuǎn)化效率上限值能夠達(dá)到17.3%，工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的CdTe電池的這一效率值將近10%。

對于CdTe/CdS薄膜太陽能電池，一種常見的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在電池中，CdTe為p型，CdS為n型半導(dǎo)體。

圖1 一種常見的CdTe/CdS薄膜太陽能電池

1.2 CdSe/CdS太陽能電池

CdSe半導(dǎo)體材料是Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體材料領(lǐng)域研究成果比較豐富的一種材料。早在20世紀(jì)50年代中期，Heinz及其研究小組就對CdSe材料所具有的性質(zhì)進(jìn)行了全面的研究和闡述。自此以后，人們對CdSe的研究越來越多。CdSe屬于寬帶隙Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體材料，它具有直接躍遷的特征，它的禁帶寬度達(dá)到了(1.74 eV)，和太陽光所含有的可見光的波段是完全匹配的，并且在可見光的照射下樣品能夠發(fā)生光電效應(yīng)。也是因為這一特征的存在，CdSe被人們廣泛地應(yīng)用到高效發(fā)光設(shè)備、太陽能電池等領(lǐng)域。CdSe的其他優(yōu)勢主要體現(xiàn)在平均原子序數(shù)大、有效抵抗高能射線、難以潮解等，在室溫狀態(tài)下其工作不受高電場的影響，并且漏電量低，穩(wěn)定性高。如今，人們的研究主要集中在CdSe薄膜生產(chǎn)工藝和特性研究方面，各種研究成果不斷涌現(xiàn)。采用不同的方法生產(chǎn)出的CdSe薄膜，其在結(jié)構(gòu)、形貌和性質(zhì)方面都具有明顯的差異。

可利用電化學(xué)沉積法[1]、化學(xué)氣相沉積法[2]、化學(xué)浴沉積法[3]、 真空熱蒸發(fā)沉積法[4]、分子數(shù)外延法[5]、高溫?zé)峤夥╗6]、離子層吸附和反應(yīng)法[7]等方法進(jìn)行CdSe/CdS太陽能電池的制備。

1.3 CdTe/CdSe/CdS多結(jié)太陽能電池

如圖2是CdTe/CdSe/CdS多結(jié)太陽能電池示意圖。

(a)

其中，圖2(a)是一個2結(jié)電池，最上面的一結(jié)為CdS，下面依次是CdSe和CdTe，三者的帶隙依次是2.42 eV、1.74 eV以及1.45 eV。上面的兩個電池是通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)隧道結(jié)連接在一起的，這樣設(shè)計的目的在于CdSe電池也能吸收太陽光，同時提供高的結(jié)間勢壘，防止兩層中產(chǎn)生的少子擴散。圖2(b)是另一種結(jié)構(gòu),其中CdS是以量子點的形式生長的CdSe和CdTe表面的，這種結(jié)構(gòu)的太陽能電池具有三個結(jié)，有利于提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。

1.4 CdTe/CdSe/CdS多結(jié)太陽能電池的優(yōu)化

優(yōu)化多結(jié)太陽能電池能夠提高太陽能電池的效率，下面列舉一些常用的方法。首先量子點能夠很好地提高太陽能電池的效率。日本筑波大學(xué)科研人員運用此種方法將電池的效率做到8.54%[8]。量子點構(gòu)造如圖3所示。

(a)Ⅲ-Ⅴ族太陽能電池量子點結(jié)構(gòu)

量子點能夠在p-n結(jié)之間層疊多個量子點層，如圖3(a)中可以看到在1 cm2的GaAs襯底上能夠沉積30層InAs，圖3(b)中可以看到在1 cm2的CdTe 的襯底上能夠沉積30層的CdSe超晶格結(jié)構(gòu)。在CdTe上生長CdSe時，自組織形成高度達(dá)到3～4 nm、直徑為20～30 nm的量子點。另外，量子點在超晶格結(jié)構(gòu)的作用下連接在一起，此時傳導(dǎo)帶上就會出現(xiàn)一條微帶，大大提高了電池的吸收波范圍。從理論上來看，這種電池的效率應(yīng)該能夠超過60%。

通過優(yōu)化器件的結(jié)構(gòu)也是提高多結(jié)太陽能電池效率的一種重要方法?？梢酝ㄟ^改變器件贗形層結(jié)構(gòu)或者機械疊加結(jié)結(jié)構(gòu)等方法來提高電池的效率。

在多層電池上增加一個失配晶格層，我們管這個失配的晶格層叫做贗形層結(jié)構(gòu)。一般多結(jié)電池的外延層是晶格失配生長，會產(chǎn)生很多位錯，減少了少子擴散長度，降低了器件性能。在贗形層結(jié)構(gòu)多結(jié)太陽能電池中，使用組分漸變方法在CdTe/CdSe雙結(jié)上生長CdS結(jié)，使得所有位錯都局限在低頻寬的CdS結(jié)中。其實贗形層方法在CdTe基HEMT的開發(fā)中廣泛應(yīng)用，近幾年在CdSe基長波長雷射器中也有應(yīng)用。

多芯片結(jié)結(jié)構(gòu)也是提高太陽能電池效率的一種方法。所謂的多芯片結(jié)結(jié)構(gòu)就是將生長在不同襯底上不同頻寬的電池壓焊到一起。CdTe和CdSe的頻寬較窄，它們的頻寬為1.05和0.75 eV，我們可以在其上面生長一層頻寬較寬的CdTe/CdSe，然后將它們通過壓焊的方式壓到InP襯底，形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電池。Delaware大學(xué)的Allen Barnett的研究團(tuán)隊利用光電互連和機械疊加的方法研制了效率可達(dá)42.8%(在20個太陽聚光條件下)超高效太陽能電池[9]。這種優(yōu)化得到的太陽能電池能夠使入射光在不同光譜波段分離和定向，然后被不同頻寬的太陽能電池所吸收，這種光學(xué)聚焦系統(tǒng)具有較寬的接收角度，從而不需要復(fù)雜的定位跟蹤系統(tǒng)[10,11]。但這種結(jié)構(gòu)的太陽能電池生長工藝需要多種襯底，襯底的剝離，在外延層上壓焊芯片等，成本較高而且器件品質(zhì)很難保證。

2 結(jié) 語

文章簡單概括高效太陽能電池近幾年來的發(fā)展現(xiàn)狀，從理想化的場景、實用化的開發(fā)、家庭化的應(yīng)用三方面對高效太陽能電池的應(yīng)用前景進(jìn)行展望，最后通過多個方面對高效太陽能電池進(jìn)行簡單分類。

簡單介紹CdTe/CdS薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)，發(fā)展歷史，制備方法。再從CdTe/CdS薄膜太陽能電池的基礎(chǔ)、工作原理和性能參數(shù)等方面闡述了CdTe/CdS薄膜太陽能電池規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用速度快的原因。

又對CdSe/CdS薄膜太陽能電池的化學(xué)沉積法和化學(xué)水浴法兩種制備方法進(jìn)行詮釋，以及對CdSe/CdS薄膜太陽能電池的性能的簡單分析。

最后對CdTe/ CdSe /CdS多結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)及優(yōu)點進(jìn)行了簡單敘述，介紹了CdTe/ CdSe /CdS多結(jié)太陽能電池的制備方法并對其結(jié)構(gòu)提出贗形層結(jié)構(gòu)和機械疊加結(jié)構(gòu)兩種優(yōu)化方法。

高效的多結(jié)太陽能電池在未來的發(fā)展前景很好，但還有幾點可以優(yōu)化，會對其發(fā)展產(chǎn)生更好的促進(jìn)作用：

1.將材料納米化，會使太陽能電池的應(yīng)用領(lǐng)域更寬；

2.引用新的Ⅱ-Ⅵ族化合物作為贗形層；

3.增加結(jié)的個數(shù)，提高對太陽光的利用；

4.減小背接觸層和電極的接觸電阻，提高轉(zhuǎn)化效率。

高效的多結(jié)太陽能電池也有不足之處，需要注意：

1.重金屬元素鎘是有毒的。

2.碲原料稀缺。

3.它的制作成本較高。