中文名稱

非晶硅疊層太陽能電池

英文名稱

α-Si based tandem solar cell

定　　義

由兩個非晶硅基PIN結電池疊合構成的電池。通常，上下電池有不同帶隙寬度，分別吸收不同光譜段的太陽光，可提高電池穩定效率。

應用學科

材料科學技術（一級學科），半導體材料（二級學科），非晶和微晶半導體材料（三級學科）

在硅系列電池中，非晶硅（a-Si）對陽光的吸收系數最高，活性層只需要1 μm 厚，材料的需求大大減少。但是也有不少缺點：隨光照時間增加效率反而衰退；禁帶寬度為1.7 eV，對長波區域不敏感。研究證實，疊層太陽能電池可有效提高非晶硅的穩定性，使室外陽光下照射1 年的效率衰退率從單結的25%~35%下降到20%以下。下面將介紹a-Si/poly-Si，a-Si/μc-Si，a-Si/CIS 3 種主要的非晶硅疊層太陽能電池。多晶硅（poly-Si）的禁帶寬度（1.12 eV）比非晶硅小得多，作為a-Si/poly-Si 疊層太陽能電池底電池的光吸收體， 它能有效吸收從頂層電池透射的能量小于非晶硅禁帶寬度的太陽光輻射光譜，提高疊層電池的能量轉換效率。Takakura理論上計算出a-Si/poly-Si 疊層太陽能電池有超過30%的效率， 已制備出13.3%能量轉換效率的a-Si/poly-Si 疊層太陽能電池，四端輸出轉換效率達21%，未發現電池性能隨光照而衰退。微晶硅（μc-Si:H）有比非晶硅更高的光吸收系數，尤其近紅外高出2~3 數量級，光照衰退效應引起的薄膜性能衰退遠比非晶硅小，而經氧化微晶硅的載流子遷移率可增大20 倍，激起人們研制全微晶硅P-i-N 型太陽能電池的熱情。目前單結微晶硅P-i-N 太陽能電池能量轉換效率已達7.8%，而且其光伏特性特別適合用來制造a-Si/μc-Si 疊層電池的底電池， 國外報道已獲得9.4%的電池能量轉換效率，且長期光照電池性能衰退極小。林鴻生等通過數值求解Poisson 方程， 對經高強度光輻射過的a-Si/μc-Si 疊層電池進行了數值模擬分析，表明a-Si/μc-Si 疊層電池的頂層電池a-Si 未發生光致衰退效應，這種結構的電池具有較高的光穩定性。薛俊明等采用射頻等離子增強化學氣相沉積法制得a-Si/μc-Si 疊層電池，效率達到9.83%，高于國外水平。

CuInSe2是一種光吸收系數很高的半導體材料，對能量稍大于其禁帶寬度（1.04 eV）的光子，它的吸收系數在105 cm-1數量級上。CuInSe2基多晶薄膜太陽能電池已得到了廣泛的研究，它也是一種制造a-Si/CIS 疊層太陽能電池底電池最理想的光吸收體材料之一。Takakura從理論上算出a-Si/CIS 疊層太陽能電池的能量轉換效率能超過20%，已制備出13%穩定效率的a-Si/CIS 疊層太陽能電池，而四端輸出達14.6%，沒有發現電池性能隨光照而衰退 。

多元化合物太陽能電池指不是用單一元素半導體材料制成的太陽能電池。現在各國研究的多元化合物太陽能電池品種繁多，但絕大多數尚未工業化生產。半導體化合物GaAs，CdTe，Cu(In, Ga)Se2(CIGS)的禁帶寬度接近于光伏電池所要求的最佳禁帶寬度，它們具有高的光電轉化效率，又有較低的制作成本，可以用來制造薄膜疊層太陽能電池。

GaAs 是III-V 族半導體材料，禁帶寬度1.42 eV，與太陽光譜匹配，是理想的太陽能電池材料。單結GaAs 電池只能吸收特定光譜的太陽光，轉換效率不高。不同禁帶寬度的III-V

族材料制備的多結GaAs 電池，按禁帶寬度由大到小疊合，這些III-V 族材料分別吸收和轉換太陽光譜的不同子域， 可大幅提高太陽能電池的光電轉換效率。由于鎵比較稀缺，砷有毒，制造成本高，此類太陽能電池的發展受到一定的影響。目前， 國際上已對AlGaAs/GaAs，GaInP2 /GaAs，GaInAs/Inp，GaInP/GaInAs 等雙結疊層太陽能電池進行過研究， 其中對GaInP2 /GaAs 疊層太陽能電池的研究居多。

這種電池結構首先由Olson 在1990 年提出，他發現GaInP2材料可以作為疊層太陽能電池的頂層電池。目前國外報道的GaInP2 /GaAs 雙結疊層太陽電池的光轉換效率已達25.7%。產業化成熟產品轉換效率約23.1%， 并逐步用作衛星等航天器的供電電源，前景十分廣闊。不過，造價昂貴一直是GaInP2 /GaAs 疊層電池難以大批量生產的直接原因， 選用價格低廉的Ge 襯底是降低成本， 減小GaInP2 /GaAs 疊層太陽能電池自身重量的有效途徑。國外對此已研究多年，近年國內研究也開始深入。上海交通大學物理系的陳鳴波、崔容強等采用低壓金屬有機物化學氣相沉積工藝制備P-N 型的GaInP2 /GaAs 疊層太陽能電池樣品，并對GaInP2頂層電池進行改進，制得的電池光電轉換效率為23.82%。其他雙結太陽能電池如Al0.37Ga0.63As/GaAs(Ge)兩者的禁帶寬度分別為1.93 eV 和1.42 eV，正處于疊層太陽能電池所需的最佳匹配范圍，其效率達到23%。

在雙結電池的基礎上，1993 年在國外就有報道研制出三結Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge 疊層太陽能電池。1996 年，美國光譜實驗室研制的該類電池的最高效率達到25.7%， 小批量生產平均效率達到23.8%，1997 年大批量生產平均效率達到24.5%。2000 年最高效率達到29%，2002 年大批量生產平均效率達到26.5%。目前，國際上從事多結電池批產的最知名的兩家公司是美國的光譜實驗室和Emcore 公司， 其年批產能力分別為500 kW 和200 kW。

作為II-VI 族化合物半導體CdTe，是禁帶寬度為1.46 eV的直接禁帶半導體，很接近太陽能電池需要的最優化禁帶寬度，吸收系數約為105 cm-1，就太陽輻射光譜中能量高于CdTe禁帶寬度的范圍而言，1μm 厚的CdTe 可以有效吸收其99%[10-11]。目前，國內的CdS/CdTe 太陽電池是研究熱點，報道的最高光電轉換率是由李愿杰等[12]制造的單層CdS/CdTe，效率為13.38%。該實驗室還制造出多層疊層CdS/CdTe 太陽能電池，結構為CdS/CdTe/CdS/CdTe/ZnTe:Cu/Ni。這種疊層太陽能電池的效率可以達到8.16%。

Cu(In, Ga)Se2(CIGS)太陽能電池的光電轉化效率高、性能穩定、抗輻射能力強，且制造成本低，倍受重視，是新一代太陽能電池。它的最高的轉換效率已經達到19.5%。為了提高效率，可以制成CGS/CIS 層疊太陽能電池，這種電池的轉換效率據報道已經達到33.9%，該疊層電池的穩定性、直接帶寬、高吸收系數對于生產低成本、高效率的兩結疊層太陽能電池來說是可取的。對于兩結疊層太陽能電池，其頂層電池對全部轉換效率的貢獻大，所以要達到CGS/CIS 25%的轉換效率，需要轉換效率大于15%高質量的CGS 頂層電池。

自從1991 年Grtzel 等首次將金屬釕有機配合物作為染料吸附在TiO2納米晶多孔膜制成電池后，吸引了許多研究者的目光。染料敏化太陽能電池原理上有諸多優勢：由于幾乎所有染料激發態上的電子可以有效地注入到半導體導帶中，減少了電子與空穴復合的機會，有利于提高光電轉換效率；此外，不僅原料和制造成本低，而且所用材料對環境影響小，具有代表性的增感色素Ru 色素的毒性很低，電池的生命周期評估也較好。要把理論優勢轉化為實際優勢，還取決于實際電池中的材料狀態與理想狀態的符合程度。在1 sun（即一天中最大的照射下）條件下，染料敏化太陽能電池的轉換效率已經超過10%，其實用化研究開發已經開始。據2008年5 月媒體報道索尼已經開發出商業應用的染料敏化太陽能電池，效率達到10%。

染料敏化疊層太陽能電池由兩個光電池組成，前面的電池吸收太陽光中的高能紫外和藍光，利用納米晶金屬氧化物薄膜來產生電子-空穴對。波長在綠光到紅光之間的光被Grtzel 敏化二氧化鈦電池吸收， 這兩個電池連接起來提供電壓。染料敏化太陽能電池的能量轉換效率主要與敏化劑吸收太陽光譜的能力有關，為了提高光譜效應，在電池的兩個不同層上用不同的敏化劑染料。馬廷麗、苗青青制作了一種疊層式染料敏化太陽能電池。其特征在于，頂部的太陽能電池與底部的太陽能電池的光陽極分別吸附具有相同結構或不同結構，不同光譜響應范圍且有互補性質的染料；兩個太陽能電池的光陽極結構為在基板上載有一層導電膜和半導體薄膜及染料，對向電極為帶有導電性的基板，在兩個電極之間介入電解質。這一新型疊層式染料敏化太陽能電池有光電轉換效率高、價格低、制備工藝簡單并且易于大規模生產的特點。解決現有太陽能電池效率低、成本高，制備工藝復雜的問題。用該發明的技術手法制造的染料敏化太陽能電池可用做太陽能發電和太陽能制氫系統。