聚光多結(jié)太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)、制備及可靠性研究.pdf

1、隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益加劇,開發(fā)利用新型可再生清潔能源已經(jīng)成為人們生產(chǎn)、生活,維持社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。近年來開發(fā)利用太陽(yáng)能,光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)吸引了人們的普遍關(guān)注,其中聚光光伏發(fā)電技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),如較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的發(fā)電成本,已被公認(rèn)為最具潛力的地面應(yīng)用發(fā)電技術(shù)。聚光型多結(jié)化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池是聚光發(fā)電技術(shù)的核心器件,具有目前最高的光電轉(zhuǎn)換效率,良好的溫度特性,抗輻射性能好,以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。本論文主要從電池結(jié)構(gòu)

2、設(shè)計(jì)、器件制備以及可靠性三個(gè)方面對(duì)聚光多結(jié)化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池開展研究,具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)開展聚光多結(jié)化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的理論研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先將聚光Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)能電池分成三個(gè)子電池,分別研究pn結(jié)摻雜濃度、界面特性、載流子遷移率等參數(shù)對(duì)各子電池性能的影響,其次設(shè)計(jì)并優(yōu)化各子電池結(jié)構(gòu),其中考慮到高倍聚光測(cè)試要求,著重優(yōu)化了GaInP頂電池發(fā)射層結(jié)構(gòu)。最后完成子電池間電流匹配的優(yōu)

3、化設(shè)計(jì),從而獲得了高性能的聚光Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)能電池,1000倍聚光測(cè)試下具有38.1％的轉(zhuǎn)換效率。
　　(2)對(duì)聚光GaInP/InGaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)能電池關(guān)鍵工藝技術(shù)進(jìn)行研究。首先運(yùn)用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)外延生長(zhǎng)技術(shù),不斷摸索外延生長(zhǎng)工藝,克服外延反相疇、晶格匹配以及GaInP有序化等外延問題,進(jìn)而生長(zhǎng)完成高質(zhì)量、高轉(zhuǎn)換效率的單結(jié)子電池;優(yōu)化高摻雜超薄外延層的生長(zhǎng)條件,獲得了峰值

4、隧穿電流密度達(dá)150A/cm2的高性能GaAs隧穿結(jié);完成高質(zhì)量、低表面缺陷的三結(jié)太陽(yáng)能電池的外延生長(zhǎng)。其次優(yōu)化設(shè)計(jì)電極占空比,獲得優(yōu)化的電極圖形;設(shè)計(jì)并制備Al2O3/TiO2雙層減反膜結(jié)構(gòu),使得電池短路電流提升33.3％。最后成功制備高效聚光GaInP/InGaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)能電池,在1000倍聚光條件下實(shí)現(xiàn)了39.2％的轉(zhuǎn)換效率。
　　(3)開展聚光多結(jié)化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的可靠性研究。首先運(yùn)用三維(3-D)等效電路模

5、型分別考察了光照和外接恒流源情況下電池表面缺陷的缺陷行為,發(fā)現(xiàn)對(duì)具有表面缺陷的三結(jié)電池進(jìn)行作用,使用外接恒流源的方式將比直接光照的方式使電池衰退的更快。其次依據(jù)IEC62108檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)表面良好和表面缺陷樣品進(jìn)行快速老化實(shí)驗(yàn)研究,老化測(cè)試結(jié)果表明,表面良好和表面缺陷樣品性能衰退均在8％以內(nèi),完全滿足IEC62108檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。
　　(4)開展新型III-V族化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的理論研究工作。首先,研究了應(yīng)力補(bǔ)償多量子阱Ga

6、As太陽(yáng)能電池在不同組分多量子阱In1-xGaxAs/GaAsyP1-y結(jié)構(gòu)下的電池性能,與標(biāo)準(zhǔn)GaAs電池對(duì)比發(fā)現(xiàn),應(yīng)力補(bǔ)償多量子阱GaAs電池具有較高的短路電流,但是開路電壓和填充因子相對(duì)較低,電池效率低于標(biāo)準(zhǔn)GaAs電池。另外,提出了新型應(yīng)力補(bǔ)償多量子阱AlGaAs/GaAs電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),模擬結(jié)果顯示新型電池結(jié)構(gòu)具有比標(biāo)準(zhǔn)電池更高的短路電流和開路電壓,但是填充因子較應(yīng)力補(bǔ)償多量子阱 GaAs電池和標(biāo)準(zhǔn)電池低。其次,針對(duì)無定形GaI

7、nP/InGaAs/Ge三結(jié)電池的特殊結(jié)構(gòu),研究電池在不同位錯(cuò)密度下的性能變化,發(fā)現(xiàn)當(dāng)位錯(cuò)密度大于106/cm2時(shí)電池轉(zhuǎn)換效率明顯降低。同時(shí)獲得不同聚光倍數(shù)下電池的性能參數(shù),300倍聚光下電池指出了最高的轉(zhuǎn)換效率。最后,開展新型InGaN太陽(yáng)能電池的理論研究,優(yōu)化設(shè)計(jì)n-on-p型InGaN電池結(jié)構(gòu),獲得了20.8％的較高轉(zhuǎn)換效率,同時(shí)討論位錯(cuò)密度對(duì)InGaN電池性能的影響,發(fā)現(xiàn)相比于GaAs太陽(yáng)能電池,InGaN太陽(yáng)能電池具有更好的穩(wěn)