砷化镓太阳电池的特点


自从上个世纪50年代首次发现GaAs材料具有光伏效应后,很快引起了科学界的注意。当时在理论上已经证明,带隙为Eg=1.4~1.6eV的材料,光电转换效率最高。


而GaAs复材料的带隙Eg=1.43eV,恰好能够取得很高的转换效率。Jenny等首次制成GaAs太阳电池,其效率为6.5%。


60年代Gobat等研制了第1个掺锌GaAs太阳电池,但转换效率仅为9%~10%,远低于27%的理论值。


70年代,Woodal等采用LPE技术,在GaAs表面生长层宽禁带A1GaAs窗口层,大大减少了表面复合,把转换效率提高到了16%。目前的GaAs电池的效率最高已经能够达到40%。



砷化镓太阳电池与Si电池的比较


GaAS太阳电池是一种III~V族化合物半导体太阳电池,与Si太阳电池相比,其特点为:


转换效率高

GaAs的禁带宽度相比于Si要宽,光谱响应特性与太阳光谱的匹配度也比Si要好。所以,GaAs太阳能电池的光电转化效率要高于Si太阳能电池。


Si电池的理论效率仅为23%,而单节的GaAs电池理论效率为27%,而多节GaAs的电池理论效率更是高达50%。


可以制成超薄型电池

GaAs是直接带隙半导体,而Si是间接带隙半导体,在可见光到红外的光谱内,GaAs的吸收效率要远远高于Si。


同样吸收95%的太阳光,Si需要150um以上的厚度,但是GaAS只需要5um~10um,用GaAs制成的太阳能电池,在质量上可以大大减轻。


耐高温

GaAs的本征载流子浓度低,GaAs太阳电池的最大功率温度系数(-2×10-3℃-1)较低比Si(-4.4×10-3℃-1)太阳电池小很多。


200℃时,Si太阳电池已不能工作,而GaAs太阳电池的效率仍有约10%。这使得GaAs电池可以在聚光领域有很好的应用。


抗辐射性能好

GaAs少子寿命短,在离结几个扩散度外产生的损伤,对光电流和暗电流均无影响。因此,其抗高能粒子辐照的性能优于间接禁带的Si太阳电池。


在电子能量为1MeV,通量为1×10(15)个/cm²辐照条件下,辐照后与辐照前太阳电池输出功率比,GaAs单结太阳电池>0.76,GaAs多结太阳电池>0.81,而BSFSi太阳电池仅为0.70。


可制成效率更高的多结叠层太阳电池

随着MOCVD技术的日益完善,III~V族三元、四元化合物半导体材料(GalnP、AIGalnP、GalnAs)的生长技术取得重大突破,为多结叠层太阳电池研制提供了多种可供选择的材料。


砷化镓太阳电池的发展前景


高效率多结GaAs太阳电池

下表表示GaAs电池(非聚光)与Si的性能成本比较



除了空间的需求外,聚光是必然的超势,最高效的三结CPV的转换效率已经突破40%,国外批量生产的产品效率也已经突破30%,我公司的产品和国外差距并不大。但是改进工艺,降低成本还是很必要的。


虽然现在国内外聚光发电还不是很成熟,但欧洲,美国,日本等发达国家或地区都提出了发展聚光的计划。例如西班牙的NFLATCOM项目为2000年完成的第一阶段实验,接近与完全聚光PV模块原型制造过程。


使用RXI光学聚光器1000倍聚光,使用GaAs单结电池(25%);使用高效率高倍聚光系统实现了商业光伏系统安装(10MWp)成本为2.8欧元/Wp,另外,如果加上其他不过预期的成本估算为4.8欧元/Wp,由此可见,发达国家对于CPV的重视程度。


目前和今后,发展类似LEDS制造方法制造多结化合物太阳电池,可以使得多结化合物太阳电池的成本大大降低,未来CPV市场需要使用1000倍或更高倍聚光的III-V族太阳电池。


因为市场上Si太阳电池已经做到几百倍太阳聚光,虽然效率只有25%。但更高倍聚光可以抵消III-V太阳电池生产成本。所以III-V太阳电池需要高的聚光倍数,才可以占领市场。


下图表示聚光倍数与成本的关系:


在日本,这个能源匮乏的国家,更加受到重视,下图显示出日本太阳能发电的经济预测,表示出对CPV的看好:


有人做出了太阳能发电的成本预测(图3),这里计算公式为:


图3、R.R.King做的太阳能发电的成本预测


■ 绿线组是不同效率的平板Si电池,

■ 蓝色线组是多结化合物太阳电池,


从图中我们可以看出,化合物电池的成本还是要高一些的,这正是需要我们我们现在要解决的问题。



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