太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率最高的是哪種材料？它有哪五個(gè)優(yōu)點(diǎn)？

:三代太陽(yáng)能電池技術(shù)研究中，高效多結(jié)砷化鎵太陽(yáng)能電池技術(shù)的研究取得的成果最為突出，多結(jié)級(jí)聯(lián)砷化鎵太陽(yáng)能電池是目前世界上承認(rèn)的光電轉(zhuǎn)化 效率最高的太陽(yáng)能電池。在高聚光的條件下，這類電池的光電轉(zhuǎn)化效率已突破 40.0% 。

目前高效多結(jié)砷化鎵太陽(yáng)能電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域，在 空間環(huán)境中，砷化鎵太陽(yáng)能電池的抗輻照能力也遠(yuǎn)大于硅太陽(yáng)能電池。砷化鎵材料是直接躍遷型，硅材料是間接躍遷型，而且砷化鎵太陽(yáng)能電池的帶隙與太陽(yáng)光譜的匹配程度比硅太陽(yáng)能電池的匹配程度要高。同時(shí)，砷化鎵太陽(yáng)能電池是通過 外延生長(zhǎng)工藝制備，能夠通過控制材料組分和摻雜來調(diào)整太陽(yáng)能電池的禁帶寬 度。因此砷化鎵太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)大于硅太陽(yáng)能電池。

但是，砷化鎵太陽(yáng)能電池的工藝復(fù)雜，技術(shù)難度高，由于制備設(shè)備和材料昂貴，其成本遠(yuǎn)大于硅太陽(yáng)能電池。因此，砷化鎵太陽(yáng)能電池?zé)o法大規(guī)模應(yīng)用于地面民用市場(chǎng)。但是在對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率要求非常高的航空領(lǐng)域，砷化鎵太陽(yáng)電池已經(jīng)逐步取代了硅太陽(yáng)能電池。

多結(jié)砷化鎵太陽(yáng)能電池相對(duì)于硅太陽(yáng)電池的一個(gè)大的優(yōu)勢(shì)是，砷化鎵太陽(yáng)能 電池可以由多個(gè)子電池串聯(lián)起來，通過調(diào)整不同子電池的禁帶寬度，使得不同的子電池可以吸收不同波長(zhǎng)范圍的太陽(yáng)光，這樣不但大幅度提高了多結(jié)砷化鎵太 陽(yáng)能電池的光譜吸收范圍，而且就將太陽(yáng)光譜劃分為多個(gè)區(qū)域，使得多結(jié)砷化鎵太陽(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)光的利用效率更高，一定程度上減少了能量遠(yuǎn)大于禁帶寬度的 入射光子在躍遷后的熱損失。

因此，多結(jié)砷化鎵太陽(yáng)能電池是目前光電轉(zhuǎn)換效率 最高的太陽(yáng)能電池，近幾年，美國(guó) Spectrolab 研究小組研制的多結(jié)聚光砷化鎵太 陽(yáng)能電池在 AM0 條件下光電轉(zhuǎn)換效率突破了40%。

目前，任何一種太陽(yáng)能電池只能吸收能量大于電池材料禁帶寬度的入射光子。由于太陽(yáng)的光譜范圍非常寬，但是任何單一的半導(dǎo)體材料由于受到禁帶寬帶的限制，只能吸收非常窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的太陽(yáng)光， 因而只能將太陽(yáng)光譜中非常小的一部分波長(zhǎng)內(nèi)的光轉(zhuǎn)換成電能，而大部分的太陽(yáng)光則被浪費(fèi)。使得單一材料制備的太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率始終難以有更高的突破。同時(shí)，當(dāng)入射光的光子能量遠(yuǎn)大于太陽(yáng)能電池材料的禁帶寬度的時(shí)候，其超出太陽(yáng)能電池禁帶寬度的 多余能量，不但被電池浪費(fèi)，而且會(huì)轉(zhuǎn)換成熱能，從而使得太陽(yáng)能電池在工作的時(shí)候發(fā)熱，影響太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

因此，為了解決單一半導(dǎo)體材料 的局限性，通過外延生長(zhǎng)技術(shù)，在晶片襯底上精確控制組份和摻雜，制備出多個(gè)不同禁帶寬度材料串聯(lián)的外延層，將太陽(yáng)能光譜分成不同區(qū)域有不同禁帶寬度的 子電池吸收。

這種多結(jié)太陽(yáng)能電池的最頂層子電池的禁帶寬度最高，往下依次 遞減，這樣入射能量高的光子被頂層的子電池吸收利用，而能量相對(duì)較低的入射 光子則透過頂電池被下面的其他子電池吸收[28]。這樣就使得不同能量的入射光子 都能夠被充分利用，避免了熱損失，實(shí)現(xiàn)將較寬范圍內(nèi)太陽(yáng)光譜的能量高效分配利用，從而進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。基于這項(xiàng)技術(shù)，各種雙結(jié)、三結(jié)、四結(jié)等多結(jié)疊層級(jí)聯(lián)太陽(yáng)能電池被開發(fā)出來。

在當(dāng)今太陽(yáng)能光伏市場(chǎng)上，柔性薄膜太陽(yáng)能電池的產(chǎn)品類型主要包括晶體硅薄膜太陽(yáng)能電池、非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池、銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池和CdTe 薄 膜太陽(yáng)能電池等。雖然這些太陽(yáng)能電池占據(jù)了柔性薄膜太陽(yáng)能電池大部分的市場(chǎng) 份額，但這些太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率都相對(duì)較低，在一個(gè)太陽(yáng)常數(shù)條件下 （AM0），就算是光電轉(zhuǎn)換效率最高的晶體硅薄膜太陽(yáng)能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率也很難突破 25%。

而且材料本身特性對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率有限制作用，無論是晶體硅 薄膜電池、非晶硅薄膜電池、銅銦鎵硒薄膜電池還是 CdTe 薄膜電池，都無法滿足空間站、載人探月、深空探測(cè)這類大功率航天器對(duì)高效薄膜太陽(yáng)能電池的需求 。

級(jí)聯(lián)多結(jié)砷化鎵太陽(yáng)能電池具有光電轉(zhuǎn)換效率高，高質(zhì)量比功率以及耐高溫性能好的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，砷化鎵為直接躍遷型材料，材質(zhì) 5～10μm 的厚度就能 吸收高達(dá) 95%的太陽(yáng)光，因此可以用砷化鎵材料制成超薄的太陽(yáng)能電池。

基于柔性薄膜砷化鎵太陽(yáng)能電池的這些優(yōu)點(diǎn)，柔性薄膜砷化鎵太陽(yáng)能電池能夠滿足各個(gè)領(lǐng)域?qū)?a href="http://msthinker.com/" target="_blank">能源需求不斷增加的發(fā)展?fàn)顩r。

隨著近幾年鍵合技術(shù)、外延層剝離技術(shù)的應(yīng)用，以及晶格失配反向外延生長(zhǎng) 技術(shù)取得的重大突破，柔性薄膜多結(jié)砷化鎵太陽(yáng)能電池也孕育而生，并成為了空間用太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。人們將這些逐漸成熟的技術(shù)應(yīng)用在柔性薄膜砷化鎵太陽(yáng)能電池上面，制備了各種結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池，電池的光電轉(zhuǎn)換效率 也不斷提高。近幾年的研究結(jié)果表明，砷化鎵薄膜外延層已成功轉(zhuǎn)移到各種柔性 襯底（金屬、高分子材料、玻璃、不銹鋼）上，且實(shí)現(xiàn)了較高的光電轉(zhuǎn)換效率。

2008 年，TatavartiR 等人提出了采用金屬鍵合技術(shù)，將砷化鎵外延層與金 屬襯底直接連接起來，再腐蝕剝離原襯底，實(shí)現(xiàn)了砷化鎵太陽(yáng)能電池的柔性化， 最終完善了柔性薄膜太陽(yáng)能電池的方法。并且制備了單結(jié)柔性薄膜砷化鎵太陽(yáng)能電池樣品，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到21.11%。

柔性薄膜太陽(yáng)能電池的制備相對(duì)于剛性襯底的電池來說更為困難。整個(gè)電池 的制備工藝更為復(fù)雜，特別是對(duì)電池的器件工藝水平要求會(huì)更高。由于電池很薄 而且柔軟，很難保證在制備過程中不會(huì)破壞到電池的外延層。因此，隨著反向晶 格失配外延技術(shù)的發(fā)展，為了研制出更高效的柔性薄膜砷化鎵太陽(yáng)能電池，研究 者一般采用一種新的技術(shù)—反向外延技術(shù)。此技術(shù)一方面是因?yàn)檫@種技術(shù)制備的 太陽(yáng)能電池具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率，另一方面，在比較關(guān)鍵的幾道器件工藝上 （比如鍵合、剝離、光刻、蒸鍍等工序）實(shí)現(xiàn)起來會(huì)更加的方便。 2014 年，日本 SHARP 公司通過創(chuàng)新的工藝技術(shù)，研制出了AM0 條件下光 電轉(zhuǎn)換效率 31.5%的反向生長(zhǎng)晶格失配薄膜三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)能電池，電池樣品如圖。

而且，日本 SHARP 公司用 30 片光電轉(zhuǎn)換效率 31%的柔性薄 膜三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)能電池制作成組件，組件的質(zhì)量比功率達(dá)到了 600W/Kg，柔 性薄膜太陽(yáng)能電池組件如圖以砷化鎵材料為代表的 III-V 族太陽(yáng)能電池有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即材料密度 大，同樣的厚度比硅太陽(yáng)能電池重量重。

因而砷化鎵太陽(yáng)能電池的效率盡管很高， 但質(zhì)量比功率并不高，相比之下，晶體硅、非晶硅、銅銦鎵硒、CdTe 等薄膜太 陽(yáng)能電池的質(zhì)量比功率要高得多。

雖然砷化鎵太陽(yáng)能電池的質(zhì)量比功率超過了 300W/kg，而采用卷對(duì)卷技術(shù)，生長(zhǎng)在柔性薄膜襯底上的非晶硅太陽(yáng)能電池的質(zhì)量比功率可高于 1000W/kg。由于砷化鎵太陽(yáng)能電池的質(zhì)量比功率相對(duì)較低，限 制了它在航天科技領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。

為了很好地改進(jìn)這一缺點(diǎn)，從上個(gè)世紀(jì) 80 年代開始，研究者們開始研制薄 膜型砷化鎵太陽(yáng)能電池。研究者們主要采用了玻璃技術(shù)（lift-off）。

典型的三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖

剝離技術(shù) （lift-off）的特點(diǎn)如下：在太陽(yáng)能電池有源層外延完成后，將它的正面粘貼到有 機(jī)高分子材料或者玻璃上，然后采用選擇腐蝕方法把太陽(yáng)能電池的原襯底剝離掉，只將太陽(yáng)能電池的有源層轉(zhuǎn)移到有機(jī)高分子材料或者玻璃上。這樣一來便獲 得了柔性薄膜砷化鎵太陽(yáng)能電池，而剝離下來的太陽(yáng)能電池原襯底在工藝處理后可以被重復(fù)使用。

在當(dāng)今太陽(yáng)能光伏市場(chǎng)上，柔性薄膜太陽(yáng)能電池的產(chǎn)品類型主要包括晶體硅薄膜太陽(yáng)能電池、非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池、銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池和 CdTe 薄 膜太陽(yáng)能電池等]。但是現(xiàn)在這些市場(chǎng)上主流的柔性薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換 效率都相對(duì)較低，很難滿足航天領(lǐng)域大功率器件的工作需求。

砷化鎵材料具有直接能帶隙，是典型的 III-V 族化合物半導(dǎo)體材料，其帶隙寬度為 1.42eV（300K）， 正好能吸收太陽(yáng)光譜中能量峰值較高的部分，因此是很理想的太陽(yáng)能電池制備材 料。

砷化鎵材料主要特點(diǎn)表現(xiàn)為：1.光電轉(zhuǎn)換效率很高；2.砷化鎵為直接躍 遷型材料，在太陽(yáng)光譜峰值較高的可見光范圍內(nèi)， 砷化鎵材料的光吸收系數(shù)遠(yuǎn) 高于硅和其他半導(dǎo)體材料。同樣都是吸收 95%的太陽(yáng)光， 砷化鎵太陽(yáng)能電池只 需 5～10μm 的厚度，而晶體硅太陽(yáng)能電池則需要不小于 150μm 的厚度。因此， 砷化鎵太陽(yáng)能電池可制成柔性薄膜（超?。┬停亓靠纱蠓鶞p??；3.抗輻照性強(qiáng)，更適用于空間環(huán)境；4.耐高溫性能好； 5.可以制備成多結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)能電池。

由于 III-V 族多元化合物半導(dǎo)體材料（GaInP、AlGaInP、GaInAs 等）外延生長(zhǎng) 技術(shù)日益成熟，使太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為靈活，可以制備成多結(jié)級(jí)聯(lián)砷化鎵 太陽(yáng)能電池，從而大幅度提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。因此，柔性薄膜多結(jié)砷化鎵太陽(yáng)能電池相比于其他類型的太陽(yáng)能電池?fù)碛蟹浅４蟮男阅軆?yōu)勢(shì)，特別是在更注重質(zhì)量比功率，應(yīng)用條件異?？量痰暮教祛I(lǐng)域?qū)⒂懈鼜V闊的應(yīng)用前景。

柔性薄膜砷化鎵太陽(yáng)能電池市場(chǎng)需求

柔性薄膜砷化鎵太陽(yáng)能電池技術(shù)目前已經(jīng)成為太陽(yáng)能電池技術(shù)發(fā)展的重要方向。無論是在空間應(yīng)用領(lǐng)域，軍事武器裝備，還是在地面民用光伏市場(chǎng)上對(duì)更高效、重量更輕的柔性薄膜太陽(yáng)能電池都有十分迫切的需求。相比剛性太陽(yáng)能電池，柔性薄膜太陽(yáng)能電池具有襯底材料便宜，襯底材料種類豐富（如金屬、高分 子材料、玻璃、不銹鋼），光電轉(zhuǎn)換效率高，重量輕，可彎曲，組件溫度系數(shù)低 等優(yōu)點(diǎn)。

柔性薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)在國(guó)際上受到嚴(yán)格控制，美國(guó)、日本和歐洲 都對(duì)其進(jìn)行了技術(shù)封鎖。目前我國(guó)的柔性薄膜砷化鎵太陽(yáng)能電池的研制總體上與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比差距還比較大。

原標(biāo)題:太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率最高的是哪種材料？它有哪五個(gè)優(yōu)點(diǎn)？