多结光伏电池技术

多结光伏电池是具有多个不同半导体材料的pn结的太阳能电池。 每种材料的每个pn结响应于不同波长的光产生电流。 简单的电池在太阳光谱中产生单一波长的电流。 多结太阳能电池将在多个波长的光下产生电流,这将太阳光的能量转换效率提高到可用的电能。
传统的单联合细胞的最大理论效率为33.16%。 从理论上讲,在高度集中的阳光下,无数个关节的极限效率为86.8%。

目前,传统晶体硅太阳能电池的最佳实验室实例具有20%至25%的效率,而多结电池的实验室实例在集中的阳光下显示出大于46%的产率。 串联电池的商业实例在一个太阳照射下可广泛获得30%,并且在聚光太阳光下可提高至约40%。 然而,这种效率是以更高的复杂性和制造价格为代价获得的。 迄今为止,其较高的价格和较高的性价比限制了其在特殊功能中的使用,特别是在需要高功率/重量比的航空航天领域。 在地面应用中,这些太阳能电池正在光伏聚光器(CPV)中出现,并且全世界的安装数量不断增加。

串联制造技术已被用于改善现有设计的性能。 特别地,该技术可以应用于使用非晶硅的低成本薄膜太阳能电池,与传统的晶体硅不同,该技术可以产生效率为约10%且光和柔性的电池。 这种方法已被一些商业供应商使用,但这些产品目前仅限于某些利基角色,例如屋顶材料。

传统的单联合细胞的最大理论效率为34%。 在理论上无限多的接头中,在高度集中的阳光下,多结电池的效率将为87%。

目前,传统硅太阳能电池的最佳实验室实例具有约25%的效率,而多结电池的实验室实例表现出高于43%的性能。

描述

多结电池
由多个材料层制成的单元可以具有多个带隙,因此将响应多个光波长,捕获并转换一些能量,否则这些能量将如上所述地丢失。
例如,如果有一个带有两个带隙的单元,一个调到红光,另一个调到绿色,那么绿色,青色和蓝色光中的额外能量只会丢失到绿色敏感材料的带隙,而红色,黄色和橙色的能量只会损失到红色敏感材料的带隙。 在对类似于单带隙器件的分析进行的分析之后,可以证明双间隙器件的完美带隙为1.1eV和1.8eV。

方便地,特定波长的光不与具有较大带隙的材料强烈地相互作用。 这意味着您可以通过将不同材料叠加在一起来制作多结电池,“顶部”上的最短波长(最大带隙)和通过电池体增加。 由于光子必须穿过电池才能到达要吸收的适当层,因此需要使用透明导体来收集在每层产生的电子。

生产串联电池并非易事,主要是由于材料的薄度和难以在层之间提取电流。 简单的解决方案是使用两个机械分离的薄膜太阳能电池,然后将它们分别连接在电池外部。 这种技术被非晶硅太阳能电池广泛使用,Uni-Solar的产品使用三层这样的层来达到约9%的效率。 使用更具异国情调的薄膜材料的实验室示例已经证明效率超过30%。

更困难的解决方案是“单片集成”电池,其中电池由多个机械和电连接的层组成。 这些电池更难以生产,因为每层的电气特性必须仔细匹配。 特别地,每层中产生的光电流需要匹配,否则电子将在层之间被吸收。 这限制了它们对某些材料的构造,最好由III-V半导体满足。

材料选择
每个子电池的材料选择取决于晶格匹配,电流匹配和高性能光电特性的要求。

为了获得最佳生长和最终的晶体质量,每种材料的晶格常数a必须紧密匹配,从而形成晶格匹配的器件。 在最近开发的包含小程度晶格失配的变质太阳能电池中,这种约束已经有所放松。 然而,更大程度的不匹配或其他生长缺陷会导致晶体缺陷,从而导致电子特性的降低。

由于每个子电池串联电连接,因此相同的电流流过每个结。 材料以带隙减小的顺序排序,E g ,允许子带隙光( hc /λ<e·E g )传输到较低的子电池。 因此,必须选择合适的带隙,使得设计光谱将平衡每个子电池中的电流产生,从而实现电流匹配。 图C(b)绘制了光谱辐照度E (λ),它是给定波长λ下的光源功率密度。 将其与每个结的最大转换效率一起作为波长的函数绘制,其与可用于转换成光电流的光子数直接相关。

最后,这些层必须是电学上最佳的,以获得高性能。 这需要使用具有强吸收系数α(λ),高少数载流子寿命τ 少数和高迁移率μ的材料。

下表中的有利值证明了通常用于多结太阳能电池的材料的选择:用于顶部子电池的InGaP(E g = 1.8-1.9eV),用于中间子电池的InGaAs(E g = 1.4) eV)和底部亚细胞的锗(E g = 0.67 eV)。 Ge的使用主要是由于其晶格常数,坚固性,低成本,丰富性和易于生产。

因为不同的层紧密地晶格匹配,所以器件的制造通常采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)。 该技术优于分子束外延(MBE),因为它确保了高晶体质量和大规模生产。

材料 g ,eV a ,nm 吸收
(λ=0.8μm),1 /μm
μn,cm²/(V•s) τp,μs 硬度
(莫氏)
α,μm/ K. S ,m / s
晶体硅 1.12 0.5431 0.102 1400 1 7 2.6 0.1-60
的InGaP 1.86 0.5451 2 500 5.3 50
砷化镓 1.4 0.5653 0.9 8500 3 4-5 6 50
通用电器 0.65 0.5657 3 3900 1000 6 7 1000
砷化铟镓 1.2 0.5868 三十 1200 5.66 100-1000

结构要素

金属触点
金属触点是与半导体层接触的低电阻率电极。 它们通常是铝。 这提供了与负载或太阳能电池阵列的其他部分的电连接。 它们通常位于细胞的两侧。 并且在背面上是重要的,以便减少照明表面上的阴影。

防反射涂层
在MJ太阳能电池的情况下,抗反射(AR)涂层通常由若干层组成。 顶部AR层通常具有带有多个金字塔的NaOH表面纹理,以增加透射系数T ,光在材料中的捕获(因为光子不能轻易地从金字塔中射出MJ结构),因此,路径长度光子在材料中。 R降至1%。 在两个AR层1的情况下(顶层,通常是SiO 
2 )和2 (通常为TiO 
2 ),必须有  对于反射场具有相同的幅度并且L1 d L1 =4λmin, L2 d L2 =λmin/ 4以具有反射场的相反相位。 另一方面,还选择每个AR层的厚度以使光电流最低的波长处的反射率最小化。 因此,这通过匹配三个子电池的电流来最大化SC 。 例如,由于底部电池产生的电流大于其他电池产生的电流,因此调整AR层的厚度,使红外(IR)透射(对应于底部电池)降低紫外线传输(对应于顶部小区)升级。 特别是,AR涂层在低波长下非常重要,因为没有它, T将强烈地降低到70%。

隧道交界处
隧道结的主要目标是在两个子电池之间提供低电阻和光学低损耗连接。

因此,电子可以容易地穿过耗尽区。 隧道结的JV特性非常重要,因为它解释了为什么隧道结可以用于在两个pn结之间具有低电阻连接。 图D示出了三个不同的区域:隧穿区域,负微分电阻区域和热扩散区域。 电子可以穿过屏障的区域称为隧穿区域。 在那里,电压必须足够低,使得一些隧道电子的能量等于屏障另一侧可用的能量状态。 因此,通过隧道结的电流密度很高(最大值为  因此,峰值电流密度和原点附近的斜率是陡峭的。 然后,电阻极低,因此电压也是如此。 这就是为什么隧道结对于连接两个pn结而不会产生电压降的理想选择。 当电压较高时,电子不能穿过势垒,因为能量状态不再可用于电子。 因此,电流密度降低,差分电阻为负。 最后一个区域称为热扩散区域,对应于通常二极管的JV特性:


为了避免MJ太阳能电池性能的降低,隧道结对于下一个光伏电池(中间电池,即E gTunnel > EgMiddleCell)吸收的波长必须是透明的。

窗口层和后表面场
使用窗口层以降低表面复合速度S. 类似地,后表面场(BSF)层减少载流子朝向隧道结的散射。 这两层的结构是相同的:它是捕获电子(空穴)的异质结。 实际上,尽管存在电场d ,但它们不会跳过由异质结形成的势垒之上,因为它们没有足够的能量,如图E所示。因此,电子(空穴)不能与空穴(电子)重新结合并且不能扩散穿过障碍。 顺便说一下,窗口和BSF层必须对下一个pn结吸收的波长透明,即E gWindow > E gEmitter和E gBSF > E gEmitter 。 此外,晶格常数必须接近InGaP的晶格常数,并且该层必须是高掺杂的(n≥1018 cm -3 )。

合资特色
为了获得最大效率,每个子电池应在其最佳JV参数下操作,这些参数对于每个子电池不一定相等。 如果它们不同,则通过太阳能电池的总电流是三者中最低的。 通过近似,对于MJ太阳能电池的短路电流产生相同的关系: SC = min(J SC1 ,J SC2 ,J SC3 )其中SCi (λ)是a的短路电流密度。对于子电池i给定波长λ。

由于不可能直接从总JV特性获得SC1 ,J SC2 ,J SC3 ,因此利用量子效率QE (λ)。 它测量在给定波长λ下产生的电子 – 空穴对的量与入射光子之间的比率。 设φi(λ)为子单元i中的相应入射光的光子通量, QE i (λ)为子单元i的量子效率。 根据定义,这相当于: 

的价值  通过将其与吸收系数联系起来获得  ,即材料每单位长度吸收的光子数。 如果假设子电池吸收的每个光子产生电子/空穴对(这是一个很好的近似),这会导致:

 其中i是子电池i和的厚度  是未被子电池i吸收的入射光的百分比。
同样,因为  ,可以使用以下近似值:  。
{\ displaystyle V_ {OCi}}的值  然后由JV二极管方程给出: 

理论限制效率
我们可以使用CH Henry发明的图形量子效率(QE)分析来估计理想无限多结太阳能电池的限制效率。 为了充分利用亨利的方法,AM1.5光谱辐照度的单位应转换为光子通量的单位(即光子数/ m 2 / s)。 为此,有必要进行中间单位转换,从每单位面积每光子能量入射的电磁辐射功率到每光子能量的光子通量(即,从[W / m 2 / eV]到[数量]光子/ m 2 / s / eV])。 对于该中间单位转换,必须考虑以下几点:光子具有不同的能量,其定义如下。

(1):E ph = h∙f = h∙(c /λ)
其中E ph是光子能量,h是普朗克常数(h = 6.626 * 10 -34 [J∙s]),c是光速(c = 2.998 * 10 8 [m / s]),f是频率[1 / s],λ是波长。
然后,相对于某些辐照度E [W / m 2 / eV],每光子能量的光子通量dn ph /dhν可以如下计算。

(2):  = E / {h∙(c /λ)} = E [W /(m 2 ∙eV)]∙λ∙(10 -9 )/(1.998∙10 -25[J∙s∙m / s])= E∙λ∙5.03∙10 15 [(光子数)/(m 2 ∙s∙eV)]
作为这种中间单位转换的结果,AM1.5光谱辐照度以每光子能量的光子通量为单位给出,[光子数/ m 2/ s / eV]
基于上述中间单位转换的结果,我们可以通过将每光子能量的光子通量相对于光子能量数值积分来导出光子通量。 使用梯形法则计算数值积分的光子通量,如下所述。

(3): 
作为这种数值积分的结果,AM1.5光谱辐照度以光子通量为单位给出,[光子数/ m2 / s]。

应当注意,在0eV至0.3096eV的小光子能量范围内没有光子通量数据,因为hv <0.31eV的标准(AM1.5)太阳能光谱不可用。 然而,无论这种数据不可用,图形QE分析都可以使用唯一可用的数据来完成,并且合理地假设半导体对于光子能量大于其带隙能量是不透明的,但对于小于其带隙能量的光子能量是透明的。 该假设解释了太阳能电池效率的第一个固有损失,这是由于单结太阳能电池无法与广泛的太阳能光谱正确匹配所致。 然而,目前的图形QE分析仍然无法反映太阳能电池效率,辐射复合的第二个固有损耗。 为了考虑辐射复合,我们首先需要评估辐射电流密度J rad 。 根据Shockley和Queisser方法,J rad可以近似如下。

(4): 

(5): 
其中E g是电子伏特,n被评估为3.6,GaAs的值。 入射吸收的热辐射J th由J rad给出,V = 0。

(6): 
传递到负载的电流密度是由于吸收的太阳和热辐射引起的电流密度与从顶部表面发射或在衬底中吸收的辐射的电流密度的差异。 定义J ph = en ph ,我们有

(7):J = J ph + J th – J rad
对于具有E g的所有半导体,第二项J th与J ph相比可忽略不计。 ≥0.3eV,可以通过评估上述 J 方程来表示。 因此,我们将忽略该术语以简化以下讨论。 然后我们可以表达J如下。

(8): 
通过设置J = 0找到开路电压。

(9): 
通过设定导数得到最大功率点(J m ,V m )  。 这个计算的熟悉结果是

(10): 

(11): 
最后,每个吸收光子完成的最大功(W m ),Wm由下式给出

(12): 
结合最后三个方程,我们有

(13): 

使用上面的等式,针对E g (或n ph )的不同值绘制W m (红线)。
现在,我们可以充分利用亨利的图形化QE分析,同时考虑到太阳能电池效率的两大主要内在损失。两个主要的固有损耗是辐射复合,并且单结太阳能电池不能正确匹配宽的太阳能光谱。 红线下的阴影区域代表理想的无限多结太阳能电池所完成的最大功。 因此,通过将由红线定义的阴影区域与由黑线确定的总光子通量区域进行比较,评估理想无限多结太阳能电池的限制效率为68.8%。 (这就是为什么这种方法被称为“图形”QE分析。)虽然这种限制效率值与Parrott和Vos在1979年公布的数值一致:分别为64%和68.2%,但估计值之间存在小的差距。这份报告和文献的价值观。 这种微小的差异很可能是由于如何将光子通量从0eV逼近到0.3096eV的不同方式。 在这里,我们将0eV至0.3096 eV的光子通量近似为0.31 eV的光子通量。