多结太阳能电池

多结太阳能电池(Multi-junction solar cell MJ)是具有由不同半导体材料制成的多个p-n结的太阳能电池。 每种材料的pn结将响应不同波长的光产生电流。 多种半导体材料的使用允许更宽范围的波长的吸收,从而改善电池的太阳光到电能转换效率。

传统的单结电池最大理论效率为33.16%。 从理论上讲,在高度集中的阳光下,无限数量的结将具有86.8%的限制效率。

目前,传统晶体硅太阳能电池的最佳实验室示例具有20%至25%的效率,而多结电池的实验室示例在集中的阳光下已经表现出超过46%的性能。 串联电池的商业实例在单日照射下可以30%广泛获得,并且在集中的阳光下可以提高到约40%。 然而,这种效率是以增加复杂性和制造价格为代价获得的。 迄今为止,它们更高的价格和更高的性价比限制了它们在特殊作用中的使用,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聚光光伏(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,与传统的晶体硅相反,以产生具有约10%效率的电池,其重量轻且柔韧。 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,如屋顶材料。

描述

太阳能电池的基础知识

传统的光伏电池通常由掺杂的硅构成,金属触点沉积在顶部和底部。 掺杂通常应用于电池顶部的薄层,产生具有特定带隙能量的pn结,例如。

击中太阳能电池顶部的光子被反射或传输到电池中。 如果 hν≥Eg , 发射的光子有可能将它们的能量hν 给予 电子 ,从而产生电子 – 空穴对。 在耗尽区中,漂移电场Edrift使电子和空穴朝向它们各自的n掺杂和p掺杂区域(分别向上和向下)加速。 产生的电流Ig称为产生的光电流。 在准中性区域中,散射电场Escatt将空穴(电子)加速到p掺杂(n掺杂)区域,这产生散射光电流Ipscatt(Inscatt)。 因此,由于电荷的累积,出现电位V和光电流Iph。 通过添加生成和散射光电流获得该光电流的表达式:Iph = Ig + Inscatt + Ipscatt。

通过将暗二极管的JV特性向下移动Iph,获得在照射下的太阳能电池的JV特性(J是电流密度,即每单位面积的电流)。 由于太阳能电池设计为供电而不吸收,因此功率P = V·Iph必须为负。 因此,操作点(Vm,Jm)位于V> 0和Iph <0的区域中,并且被选择为使功率| P |的绝对值最大化。 损失机制 太阳能电池的理论性能首先在20世纪60年代进行了深入研究,现在被称为Shockley-Queisser极限。该限制描述了任何太阳能电池设计固有的几种损耗机制。 第一个是黑体辐射造成的损失,这是一种影响绝对零度以上任何物质的损耗机制。 在标准温度和压力下的太阳能电池的情况下,这种损失占功率的约7%。 第二种是称为“重组”的效应,其中由光电效应产生的电子与先前激发留下的电子空穴相遇。 在硅片中,这占了另外10%的功率。 然而,主要的损失机制是太阳能电池无法提取光中的所有能量,以及相关的问题,即它不能从某些光子中提取任何能量。 这是因为光子必须具有足够的能量来克服材料的带隙。 如果光子的能量小于带隙,则根本不会收集光子。 这是传统太阳能电池的主要考虑因素,传统太阳能电池对大多数红外光谱不敏感,尽管它几乎占太阳能量的一半。 相反,具有比带隙更多能量的光子,比如蓝光,最初将电子射出到高于带隙的状态,但是这种额外的能量在称为“弛豫”的过程中通过碰撞而损失。 这种损失的能量在电池中变成热量,这具有进一步增加黑体损失的副作用。 结合所有这些因素,单带隙材料(如传统硅电池)的最大效率约为34%。 也就是说,阳光照射到细胞中的能量的66%将会丢失。 实际问题进一步减少了这一点,尤其是前表面或金属端子的反射,现代高品质电池约为22%。 较低的,也称为较窄的带隙材料将转换更长波长,更低能量的光子。 更高或更宽的带隙材料将转换更短波长,更高能量的光。 对AM1.5光谱的分析表明,在约1.1eV(约1100nm,在近红外)达到最佳平衡,这恰好非常接近硅中的自然带隙和许多其他有用的半导体。 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失去松弛。 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实例已证明效率超过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。 这些材料以带隙减小的顺序排序,例如,允许子带隙光(hc /λ

分类 技术 η(%) OC (V) SC (A) W /平方米 t(μm) 结晶硅电池 单晶硅 24.7 0.5 0.8 63 100 多晶硅 20.3 0.615 8.35 211 200 薄膜太阳能电池 非晶硅 11.1 0.63 0.089 33 1 碲化镉 16.5 0.86 0.029 – 五 CIGS 19.5 – – – 1 多结电池 MJ 40.7 2.6 1.81 476 140

MJ太阳能电池和其他光伏器件有显着差异(见上表)。 在物理上,MJ太阳能电池的主要特性是具有一个以上的pn结以捕获更大的光子能谱,而薄膜太阳能电池的主要特性是使用薄膜而不是厚层来减少成本效率比。 截至2010年,MJ太阳能电池板比其他电池板更昂贵。 这些差异意味着不同的应用:MJ太阳能电池在空间中是优选的,而c-Si太阳能电池在地面应用中是优选的。

太阳能电池和硅太阳能技术的效率相对稳定,而太阳能电池组件和多结技术的效率正在不断提高。

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MJ太阳能电池的测量通常在实验室中使用聚光器(对于其他电池通常不是这种情况)和在标准测试条件(STC)下进行。 对于地面应用,STC规定AM1.5频谱作为参考。 该空气质量(AM)对应于48°天空中太阳的固定位置和833 W /m²的固定功率。 因此,在STC下不考虑入射光和环境参数的光谱变化。

因此,MJ太阳能电池在陆地环境中的性能不如在实验室中实现的性能。 此外,MJ太阳能电池被设计成使得电流在STC下匹配,但不一定在现场条件下匹配。 可以使用QE(λ)来比较不同技术的性能,但QE(λ)不包含有关子电池电流匹配的信息。 一个重要的比较点是用相同的入射光产生的每单位面积的输出功率。

应用

截至2010年,MJ太阳能电池的成本太高,无法在专业应用之外使用。 成本高,主要是由于结构复杂,材料价格高。 然而,在聚光器照射至少400个太阳的情况下,MJ太阳能电池板变得实用。

随着较便宜的多结材料变得可用,其他应用涉及带隙工程,用于具有不同大气条件的微气候。

MJ细胞目前正在火星探测器任务中使用。

太空环境是完全不同的。 由于没有大气层,太阳光谱不同(AM0)。 由于大于1.87eV的光子的光子通量大于1.87eV和1.42eV之间的光子通量,所以电池具有差的电流匹配。 这导致GaAs结中的电流太小,并且妨碍了整体效率,因为InGaP结工作在MPP电流以下并且GaAs结工作在MPP电流之上。 为了改善电流匹配,有意地减薄InGaP层以允许额外的光子穿透到下部GaAs层。

在地面聚光应用中,大气对蓝光的散射会使光子通量降至1.87eV以上,从而更好地平衡结电流。 不再过滤的辐射粒子会损坏细胞。 有两种损害:电离和原子位移。 仍然,MJ电池提供更高的耐辐射性,更高的效率和更低的温度系数。

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