太陽電池物理與新型太陽電池技術(shù)發(fā)展課件

淺談太陽電池物理與新型太陽電池技術(shù)發(fā)展沈

輝中山大學(xué)太陽能系統(tǒng)研究所順德中山大學(xué)太陽能研究院主要內(nèi)容太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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Systems-2

-9/21/2023國內(nèi)外能源市場分析國內(nèi)光伏發(fā)展現(xiàn)狀回答兩個焦點(diǎn)問題太陽電池物理基礎(chǔ)問題太陽電池成本分析新型太陽電池發(fā)展關(guān)于光電轉(zhuǎn)換效率商業(yè)化的薄膜電池簡介化合物多能帶疊層太陽電池全硅疊層太陽電池?zé)彷d流子太陽電池多電子-空穴對太陽電池光譜轉(zhuǎn)換技術(shù)結(jié)束語國內(nèi)外能源市場分析太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-9/21/2023太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023Solarbuzz發(fā)布2010年統(tǒng)計數(shù)據(jù)太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023全球安裝18.2GW，其中：德國占比例42%（7.2

GW）、意大利21%（3.822

GW）歐洲其他18%美國5%日本5%全球其他9%2010年度中國光伏行業(yè)十大風(fēng)云人物（排名不分先后）太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023施正榮尚德電力控股有限公司董事長兼CEO晶澳太陽能控股有限公司CEO常州天合光能有限公司董事長兼CEO浙江正泰太陽能科技有限公司總裁保利協(xié)鑫能源控股有限公司董事局主席中電電氣集團(tuán)董事長江西賽維LDK太陽能高科技有限公司CEO韓華新能源有限公司CEO常州億晶光電科技有限公司董事長中盛光電集團(tuán)董事長方朋

高紀(jì)凡楊立友朱共山陸廷秀彭小峰謝平

荀建華王興華國內(nèi)光伏發(fā)展現(xiàn)狀2010年度中國光伏行業(yè)十大創(chuàng)新產(chǎn)品（排名不分先后）太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023英利綠色能源控股有限公司："熊貓"N型單晶硅高效電池尚德電力控股有限公司：Pluto晶體硅太陽能電池陽光電源股份有限公司：SunAccess

系列光伏并網(wǎng)逆變器常州天合光能有限公司：高邁-高效高功率電池組件杜邦光伏解決方案：杜邦TM

Solamet?

光伏電極金屬漿料友達(dá)光電股份有限公司：SunForte

PM318B00高效單晶硅太陽能光伏組件臺灣禧通科技股份有限公司：高效率Ⅲ—Ⅴ族砷化鎵太陽能電池上海普羅新能源有限公司：RDS4.6型多晶硅鑄錠爐力諾光伏集團(tuán)：彩色太陽能電池組件2010年度中國光伏行業(yè)十佳應(yīng)用案例（排名不分先后）太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023浙江正泰太陽能科技有限公司：高效薄膜光伏幕墻尚德電力控股有限公司：Pluto晶體硅太陽能電池陽光電源股份有限公司：上海虹橋樞紐6.68兆瓦光伏發(fā)電項目江西賽維LDK太陽能高科技有限公司：2MW光伏示范電站工程上海普羅新能源有限公司：寧夏光伏發(fā)電項目北京科諾偉業(yè)科技有限公司：西藏羊八井10MWp光伏并網(wǎng)電站KNGI600-330PTA并網(wǎng)逆變器項目新奧太陽能源集團(tuán)：3.2MW雙結(jié)硅基薄膜地面電站項目普樂新能源（蚌埠）有限公司：大豐20兆瓦薄膜光伏電站項目上海聚恒太陽能有限公司：200KW高倍聚光光伏示范電站項目英利綠色能源控股有限公司：10兆瓦金太陽示范工程特變電工新疆新能源股份有限公司：新疆若羌縣獨(dú)立光伏電站項目回答兩個焦點(diǎn)問題太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023問題由來：對光伏發(fā)電的懷疑和批評，主要來自政府有關(guān)部門與專家-多晶硅高耗能、高污染？水泥、鋼鐵、玻璃等高耗能、高污染？與行業(yè)沒有關(guān)系，行業(yè)沒有高貴與低賤之分，沒有水泥、鋼鐵和玻璃可以嗎？高耗能、高污染應(yīng)該是對企業(yè)來劃分，不是對行業(yè)！??！黃金1盎司：礦石3.3噸，水5400升，電力370度，高耗能高污染？！-晶體硅電池與薄膜電池之爭？本是同根生，相煎何太急！晶體硅與薄膜是一家，共同發(fā)展沒有矛盾！當(dāng)前和未來10年晶體硅就是主流，薄膜還有待技術(shù)突破！高效電池離不開薄膜技術(shù)，硅片與薄膜技術(shù)可以兼容，如HIT電池！太陽電池物理問題太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023太陽光譜-光譜高效利用，全光譜，高轉(zhuǎn)換率材料來源-豐富、無毒、易于加工等光學(xué)問題-材料、結(jié)構(gòu)、原理，硅片厚度100微米電學(xué)問題–材料、結(jié)構(gòu)、原理，電極材料成本問題-與化石能源相比，實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用環(huán)境問題–環(huán)保、回收利用、可持續(xù)發(fā)展太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023太陽電池制造成本：材料-電池-組件太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023（特別說明：以下按照河北工業(yè)大學(xué)任丙炎教授數(shù)據(jù)整理）多晶硅材料按＄50/kg計算（未來3-5年可以達(dá)到＄30）：＄50/kg÷70片/kg=＄0.71/片；（尺寸125，厚度180）＄0.71/片÷2.5W/片=＄0.29/W（效率17%，硅材料每瓦成本）長晶+切片：＄75（長晶切片含利潤總成本）÷70片/kg=＄1.07/片＄1.07/片÷2.5

=＄0.43/W

（硅片每瓦成本）電池生產(chǎn)統(tǒng)計每瓦成本：（125×125㎜）=＄0.25/W（20）組件生產(chǎn)統(tǒng)計每瓦成本（含電池外的其它材料）：＄0.4/W（30）由材料到電池組件的總成本：＄0.29/W+＄0.43/W+＄0.25/W+＄0.4/W=＄1.37/W折合人民幣：＄1.37×￥6.83=￥9.3571/W最新發(fā)展：材料到組件成本1.2美元每瓦以下太陽電池制造成本：組件-系統(tǒng)安裝-并網(wǎng)發(fā)電太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023???????并網(wǎng)光伏電站安裝每瓦價格按組件1倍價格計算：￥9.3571/W×2

≈￥19,

1kW

=

￥

190001

kWh=1度電，在廣州晶體硅太陽電池每瓦平均年發(fā)電1.1度,在青?？梢园l(fā)電1.5度1kW電池20年發(fā)電量：1kW×1500h/每年×20年=30000

度電（西寧）1kW×1100h/每年×20年=22000

度電（廣州）（青海：1500小時，廣東1100小時）每度電安裝總成本/20年的發(fā)電量：￥

19000÷30000

度=0.63元/度（西寧）￥

19000÷22000

度=0.86元/度（廣州）太陽電池制造成本：發(fā)展預(yù)測與趨勢太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023如多晶硅的價格降為$35/Kg，硅片的厚度實現(xiàn)160μm，則：多晶硅按＄35/kg÷79片/kg=＄0.443/片÷2.5W/片=＄0.177/W由材料到電池組件的總成本：＄0.177/W+＄0.43/W+＄0.25/W+＄0.4/W=＄1.257/W折合人民幣：＄1.257×￥6.83=￥8.585/瓦每安裝工程瓦按組件1倍價格計算：（￥8.585/瓦）×2≈￥17.17完成電池并網(wǎng)工程后每度電的成本：￥17.17元/瓦（裝機(jī)）×1000瓦·小時=￥17170/度（每度電）每度電安裝總成本/20年的發(fā)電量￥

17170/度（每度電）÷30，000

度=0.572元/度電（西寧）隨著科技的不斷進(jìn)步，各個工藝環(huán)節(jié)的成本還會繼續(xù)下降。成本還會繼續(xù)下降。屆時，光伏發(fā)電將成為真正的替代能源。新型太陽電池發(fā)展太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023三代太陽電池的概念和論述來自國際著名的太陽電池的研究專家

Martin

A.Green教授。上世紀(jì)七十年代初，Martin

A.Green及其研究團(tuán)隊在澳洲新南威爾士大學(xué)開始了晶體硅太陽電池的研究，此后一直到今天，新南威爾士大學(xué)研究團(tuán)隊一直保持著單晶硅太陽電池最高轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄。Martin

A.Green在研究中發(fā)現(xiàn)了晶體硅（第一代）電池的問題：雖然轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到很高，甚至接近單結(jié)電池極限，但是需要高質(zhì)量低缺陷的昂貴晶體材料和復(fù)雜耗時的工藝。鑒于此，新南威爾士團(tuán)隊在八十年代后期開始對薄膜太陽電池（第二代）進(jìn)行研究，九十年代，他們開發(fā)出在玻璃上沉積硅工藝，并由PacificSolar公司所驗證。與第一代太陽電池相比，第二代電池的好處是采用沉積技術(shù)，減少材料制備過程的有毒物質(zhì)和降低了價格，代價是效率的降低和穩(wěn)定性的問題。第三代光伏技術(shù)旨在利用類似第二代的沉積技術(shù)制備高效電池，目標(biāo)是實現(xiàn)生產(chǎn)成本低于0.5美元每瓦，甚至低于0.2美元每瓦，同時在生產(chǎn)過程中盡量使用無毒物質(zhì)。目前他們主要在全硅疊層電池和熱載流子電池方面進(jìn)行研究。太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023第三代光伏技術(shù)的核心理念是高效、長壽與低價。第三代光伏技術(shù)包括：疊層太陽電池；熱載流子電池；多電子空穴對電池；雜質(zhì)能級以及多能帶太陽電池；熱光伏電池和；運(yùn)用新材料等制備的電池，如染料敏化電池。其中大部分的電池還處于實驗室試驗階段甚至理論階段，如多能帶太陽電池。但是具有沖擊低價、高效這一目標(biāo)的潛力。太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023在晶體硅電池迅猛發(fā)展的今天，也有學(xué)者對Martin

A.Green三代電池的說法提出了異議，討論的核心在于薄膜電池能否取代第一代電池。按照Martin

A.Green當(dāng)初的設(shè)想，薄膜太陽電池將在2020年后成為市場的主流，2020后第三代電池將迅速發(fā)展。有學(xué)者也稱第三代光伏技術(shù)為新一代光伏技術(shù)，或者未來一代光伏技術(shù)。無論命名如何，學(xué)術(shù)界一直以來對這一領(lǐng)域都保持了巨大的熱情和興趣，特別是憑借迅猛發(fā)展的納米技術(shù)和材料技術(shù)，科學(xué)家們有機(jī)會應(yīng)對Shockley-Queisser

極限效率的挑戰(zhàn)。太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023晶體管之父William

Bradford

Shockley

或許沒有想到，他關(guān)于半導(dǎo)體的工作不僅引發(fā)了一次產(chǎn)業(yè)革命，在數(shù)十年后又為另外一個龐大行業(yè)提供了研究的基礎(chǔ)。1961年，他與Queisser

通過理論計算發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體中光電轉(zhuǎn)換的效率極限約為32%。效率極限與材料的帶隙有關(guān)，具有最高理論轉(zhuǎn)換效率的材料是GaAs，其極限效率接近32%，而Si的極限效率要低一些。雖然Shockley預(yù)言了半導(dǎo)體太陽電池的極限效率，但是他的結(jié)果僅適用了單個p-n結(jié)的器件，隨著技術(shù)日益完善，采用新材料、具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的新型光伏器件的制備技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)。對于多個p-n結(jié)結(jié)構(gòu)的多結(jié)疊層電池和采用納米技術(shù)制備的新材料和新結(jié)構(gòu)的電池而言，它們不受Shockley

極限的限制，以至可獲得超過40%甚至50%的效率。太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023William

Bradford

Shockley(February

13,

1910

–

August

12,

1989)W.

Shockley

and

H.

J.

Queisser,

J.

Appl.

Phys.,

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(1961)

510太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023關(guān)于光電轉(zhuǎn)換效率太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023卡諾循環(huán)——太陽電池的熱力學(xué)效率極限太陽輻射可以近似為溫度為6000K（太陽光球的溫度）的黑體輻射（黑體即為完美的吸收體和光發(fā)射體）。Planck采用公式描述了黑體輻射的能量分布。在Shockley和Queisser的研究中，認(rèn)為太陽電池也是黑體模型，溫度采用地表溫度300K。則溫度為6000K（Tsource）和300K（Tsink）的兩個熱庫之間的能量轉(zhuǎn)換效率受卡諾循環(huán)限制（1-Tsource/Tsink）為95%。太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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Systems-29

-10/21/2023這個數(shù)值沒有考慮電池的光子發(fā)射損失，因為模型假設(shè)這些損失能量又回到了太陽，使太陽保持自身的溫度。修正模型考慮了光子發(fā)射損失，并假設(shè)過程是可逆的，滿足卡諾循環(huán)的條件，由此得到的轉(zhuǎn)換效率是93.3%，這個數(shù)值是實際太陽電池的效率極限。UNSW研究中心對轉(zhuǎn)換效率為93.3%的器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及發(fā)展前途作了全面研究。指出達(dá)到這一極限效率的電池器件是有可能實現(xiàn)的，其結(jié)構(gòu)為在無限層Tandem電池中采用一系列光循環(huán)裝置達(dá)到通道帶阻輻射。否則，太陽光轉(zhuǎn)換為有用功（包括電能）的熱力學(xué)極限效率計算結(jié)果為86.8%，與無限層Tandem電池的理論效率相同。另一個研究結(jié)果是，理論上Tandem電池不是獲得86.8%轉(zhuǎn)換效率的唯一途徑。其它一些模型，例如熱載流子和能量級聯(lián)電池的極限效率也是這一數(shù)值。太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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Systems-30

-10/21/2023標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的效率損失標(biāo)準(zhǔn)單結(jié)太陽電池能量損失來自如圖2-1所示的幾種過程太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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Systems-31

-10/21/2023圖2-1標(biāo)準(zhǔn)太陽電池能量損失過程。(1)晶格熱振動損失；(2)、(3)p-n結(jié)和接觸電壓損失；(4)復(fù)合損失。太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的結(jié)構(gòu)太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023主要損失是過程（1）：光激發(fā)電子空穴對迅速失去多于禁帶寬度的多余能量。能量較低的紅光光子與能量較高的藍(lán)光光子在激發(fā)電子空穴對產(chǎn)生輸出時是等效的。僅這一項損失就使標(biāo)準(zhǔn)電池的轉(zhuǎn)換效率局限至44%左右。另一個重要損失是過程（4）：光激發(fā)電子空穴對的復(fù)合。采用光生載流子壽命長的材料，亦即材料缺陷更少以消除載流子復(fù)合通道，可以將復(fù)合損失降至最低。此時，載流子壽命取決于電池內(nèi)部的輻射復(fù)合，即光激發(fā)過程的逆過程。光吸收和發(fā)射過程的對稱性可用于太陽電池性能的理論極限的推導(dǎo)。推導(dǎo)引用了“黑體輻射”理論，這一理論為量子力學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ)。在一個太陽下，假設(shè)帶隙寬度1.3eV，理想標(biāo)準(zhǔn)電池的轉(zhuǎn)換效率極限計算結(jié)果為31.0%。W.Shockley,

H.J.Queisser,

J.Appl.Phys.

32

(1961)

510太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023另外一個損失是由于接觸和p-n結(jié)處的電壓降，電池輸出電壓低于帶隙寬度可產(chǎn)生的電勢，如圖2-1所示。采用聚光方法提高光強(qiáng)密度，可以減小此類壓降。在極限聚光倍數(shù)下（46200倍，此數(shù)值是根據(jù)卡諾循環(huán)得到的計算結(jié)果），理想太陽電池的轉(zhuǎn)換效率極限可以達(dá)到40.8%。需要注意的是在這種方式下，只有直射光才可以被聚焦。最大聚光倍數(shù)下的效率極限可以作為有關(guān)聚光和非聚光電池研究的參考數(shù)據(jù)，還可以作為經(jīng)典熱力學(xué)結(jié)果的參考。?太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023商業(yè)化的薄膜電池簡介太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023非晶硅-微晶硅薄膜（a-Si/μc-Si

）5-9%,

1.00Kaneka,

Ersol,

United

Solar,

Sharp杜邦，新奧，百世德，正泰，天裕，強(qiáng)生，普樂，拓日，創(chuàng)益等碲化鎘薄膜CdTeFirst

Solar，ＧＥ9-11%,0.82銅銦鎵硒薄膜CIGSWuerth

Solar，昭和殼牌等10-11%晶體硅薄膜CSG8-10%化合物多能帶疊層太陽電池太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023多能帶疊層電池是目前唯一一個已突破Shockley-Queisser極限并且已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化的電池。半導(dǎo)體具有如下性質(zhì)：能量低于帶隙的光無法被價帶的電子吸收并使之躍遷到導(dǎo)帶。由于不同的材料具有不同的帶隙，而太陽光譜包含了較寬的波段，因而可以將不同的材料按照帶隙從大到小的順序堆疊起來，大帶隙的材料吸收高能量的光子，能量小于帶隙的光子將透射過去被下層的材料吸收，以此類推，從而將吸收效率提高。這就是疊層電池光譜分割技術(shù)的原理，通過將太陽光譜進(jìn)行切割，讓不同帶隙的材料吸收對應(yīng)部分的光以提高效率。多能帶疊層電池是一個很好的想法，在1955年就由Jackon提出，并在1978年首次由Moon用實驗證實。1982年，F(xiàn)an

J等人對多結(jié)電池進(jìn)行了設(shè)計和理論預(yù)測，理論預(yù)測顯示，這種Si襯底的AlGaAs/GaAs/GaInAs（或GaAsP）的多結(jié)電池效率將達(dá)到36-40%。1988年，實驗室制備出高性能的GaInP電池?？紤]到電流匹配問題，1990年，AM

1.5G條件下效率超過27%的電池在美國國家可再生能源實驗室（NREL）被制備出來。三年后，NREL刷新了GaInP/GaAs疊層電池的效率紀(jì)錄，達(dá)到29.5%。這個報導(dǎo)引起了眾多實驗室的廣泛關(guān)注和興趣，不久，這一紀(jì)錄被日

本能源公司以30.3%打破。太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023采用光譜分割技術(shù)的太陽電池的極限效率與p-n結(jié)的個數(shù)有關(guān)，這容

易理解，如果有足夠多種的材料，每一種材料吸收相應(yīng)能量的光子，這將大大的保證光能的吸收和減小熱耗散。1980年Henry計算了

AM1.5條件下多結(jié)電池的效率極限，當(dāng)結(jié)數(shù)分別為1，2，3，和36時，對應(yīng)的效率為37，50，56和72%。注意到當(dāng)結(jié)數(shù)由1變化為2時，效率增長非常明顯，結(jié)數(shù)超過2之后，增加p-n結(jié)數(shù)目對效率的貢獻(xiàn)減弱。這對于器件制備是非常幸運(yùn)的，這是因為首先每增加一個p-n結(jié)需要更加困難和復(fù)雜的工藝；其次增加的材料的帶隙是必須經(jīng)過嚴(yán)格計算和設(shè)計以實現(xiàn)匹配，然而在自然界中不一定能找到符合計算帶隙要求的材料；最后層數(shù)越多，隨之而來的電流、電壓匹配、材料體系的穩(wěn)定等問題將難以控制，導(dǎo)致廢品率上升。因此，目前的電池一般采用

2結(jié)或3結(jié)結(jié)構(gòu)。太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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Systems-40

-10/21/2023材料科學(xué)的發(fā)展，特別是MOCVD技術(shù)，極大的推動了多結(jié)疊層電池的發(fā)展，在此之前，這種電池只能存在于理論和設(shè)想中。迄今而至，在非聚光條件下，三結(jié)電池的世界紀(jì)錄由NREL保持，采用

GaInP/GaInAs/Ge體系，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了32%；二結(jié)電池的世界紀(jì)錄由日本能源公司保持，采用GaInP/GaAs體系，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到30.3%。在聚光條件下，NREL的GaInP/GaInAs/Ge和GaInP/GaAs/GAInAs電池分別在240和140倍聚光條件下，效率分別高達(dá)40.7%和40.8%，F(xiàn)raunhofer

ISE的GaInP/GaInAs/Ge在454倍聚光條件下效率高達(dá)

41.1%（Dr.A.Bett）。太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023夏普公司2009年10月22日宣布,由于應(yīng)用了一種創(chuàng)新的層形成技術(shù),該公司長期致力研發(fā)的3結(jié)化合物太陽電池實現(xiàn)了35.8％的高光電轉(zhuǎn)換效率。夏普公司22日發(fā)布的新聞公報說,化合物太陽電池不同于現(xiàn)在主流的以硅為材料的太陽電池.它以銦等2種以上元素組成的化合物作為材料,形成光吸收層,其光電轉(zhuǎn)換效率高于硅晶體太陽能電池,主要應(yīng)用于人造衛(wèi)星。太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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-10/21/2023全硅疊層太陽電池太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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Systems-44

-10/21/2023新南威爾士研究組將全硅疊層技術(shù)定為向第三代光伏技術(shù)進(jìn)軍的兩個課題之一。之所以要選擇硅是因為硅的原料豐富而且制備技術(shù)成熟。按照新南威爾士團(tuán)隊的設(shè)想，他們準(zhǔn)備用塊體的硅材料做襯底，然后

通過量子點(diǎn)技術(shù)，在上面生長帶隙分別為2eV和1.5eV的量子點(diǎn)電池，從而實現(xiàn)多能帶結(jié)構(gòu)。最初的工作是在一維的硅量子阱上進(jìn)行。研究

者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)薄層為1

nm左右時，帶隙可以提高到1.7

eV，接著他們又

做了2

nm的量子點(diǎn)超晶格結(jié)構(gòu)，帶隙同樣可以提高到1.7

eV。這表明，采用三維的納米結(jié)構(gòu)可以允許更大的加工容差?，F(xiàn)在正在Si/SiO2體系以及Si1-xCx/SiC體系進(jìn)行量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的研究，該

團(tuán)隊也在氮化硅體系和Ge/SiO2體系進(jìn)行理論模擬和實驗。在2008年年度報告報導(dǎo)的結(jié)果中，他們已經(jīng)在石英襯底上成功制備了Si的量子

點(diǎn)，做出開路電壓為493

mV的SiO2和83

mV的SiC量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)電池。單結(jié)晶硅電池效率29%(1.1

eV)雙結(jié)：42.5%(1.7-1.1

eV)三結(jié)：47.5%(2-1.5-1.1eV)太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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Systems-45

-10/21/2023熱載流子太陽電池太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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Systems-46

-10/21/2023當(dāng)能量超過帶隙的光子被價帶電子吸收后，價帶電子將躍遷到導(dǎo)帶，由于吸收的能量足夠大，大于帶隙多余的那部分能量成為載流子的動能，光子的能量越大，則載流子的動能就越大。這些熱載流子在一般情況下將與晶格、缺陷或者其他載流子發(fā)生碰撞進(jìn)行能量交換，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。這些熱載流子的動能將最終消耗，以發(fā)熱的形式耗散掉。如果能在熱載流子的動能消耗完之前將熱載流子提取出來，則可以產(chǎn)生較高的開路電壓，從而把能量更大限度的提取出來，這就是熱載流子電池的出發(fā)點(diǎn)。這種熱載流子電池的極限效率可以達(dá)到很高，在非聚光情況下甚至可以超過65%，而結(jié)構(gòu)相對于其他電池而言，比如多能帶疊層電池，要簡單得多。熱載流子電池必須經(jīng)過兩個很嚴(yán)格的考驗。首先，必須在熱載流子“變冷”之前將之提取出來，這個時間極短，在一般的情況下約為1

ps到1ns之間，甚至更短。換句話說，必須想辦法將熱載流子變冷之前的時間延長。其次，必須設(shè)計一個專門的電極收集熱載流子，以避免熱載流子在于“冷”金屬電極之間的接觸中消耗能量。太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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Systems-47

-10/21/2023Ross和Nozik在1982年最早為熱載流子電池進(jìn)行系統(tǒng)分析和模擬。此后一直到1993年，Arent等人才在多量子阱和超晶格器件中觀察到熱載流子“變冷”速度減慢。另一方面，1997年，Hanna等人制備熱載流子電池的嘗試失敗，人們才認(rèn)識到選擇性電極對于熱載流子電池的重要性。Würfel

在1997年提出用具有很高帶隙并且導(dǎo)帶和價帶都很窄的材料作為選擇性電極材料，另外的一種方法則是量子點(diǎn)技術(shù)制備選擇性電極。新南威爾士的研究者對后者進(jìn)行了理論模擬，結(jié)果表明隨著帶隙增大，電導(dǎo)率曲線將出現(xiàn)一個個尖峰，這說明了遂穿效應(yīng)的產(chǎn)生，目前他們

正在進(jìn)行實驗驗證。太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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Systems-48

-10/21/2023多電子-空穴對太陽電池太陽能系統(tǒng)研究所Institute

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Systems-49

-10/21/2023多電子-空穴對電池提高效率的出發(fā)點(diǎn)與熱載流子電池基本是一樣的，都是想盡可能的利用太陽光中的高能量光子。不同點(diǎn)在于，當(dāng)熱載流子產(chǎn)生以后，熱載流子電池想辦法把這些熱載流子傳遞出去，而多電子空穴對電池則是想辦法讓這些熱載流子產(chǎn)生更多的載流子。這個想法由來已久，早在1972年就由Deb和Saba提出。直到1994