三结电池技术将缔造下一代光伏组件

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　　今年1月份，美国海军实验室（NRL）和位于伊利诺伊州奈尔斯的Microlink Devices Inc.公司宣布将共同开发有潜力达到50%转换效率的三结电池。也包括来自英国伦敦帝国学院的合作，该项目的目的是研发出一种晶格匹配的三结光伏电池。

　　就在NRL宣布该项目前的几个月，2012年10月，位于加利福尼亚州圣何塞的Solar Junction公司宣布它的最新多结电池以44%转换效率打破了其之前的纪录。在新闻发布会上，该公司再次显示了其在多结电池领域的领导地位。

　　据工业专家介绍，目前多结电池的发展空间还很小，但其具有良好的创新性并能大幅地开拓现有的光伏组件市场。

　　工艺研发

　　多结电池包括多个叠层，每层都可以吸收阳光光谱中不同波长的光。"我们将阳光中的光谱有效地分离，"Microlink Devices公司光伏板材产品负责人Ray Chan解释道。"这就好像将三种不同的太阳电池堆叠到了一起。"

　　三层（电池）中一层俘获蓝光，而第二层和第三层就分别俘获可见光和红外光。

　　对于研究者而言，关键任务就是找到针对三种不同叠层的合适材料。"新颖性就在于对与磷化铟（InP）晶格匹配的InAlAsSb 四元合金的识别，根据我们的模型，其直接带隙宽度可高达1.8eV，"NRL固态器件部的负责人Robert J. Walters博士解释道。

　　"使用这种材料，我们可以设想全部由与InP晶格匹配的材料组成的三结电池，在AM0时，它与地面光谱契合地非常理想，"他说。

　　"带隙"指的是受到光子激发后电子的跃迁程度。不同材料的带隙宽度也不同，单位是电子伏（eV）。NRL在其公告中特别指出，他们将用高带隙半导体材料吸收短波长辐射，而长波长部分则传输到后续半导体。

　　NRL和Microlink研究备选材料的目的就是找到一种可以优化带隙的完美晶格匹配结构。Walters博士指出，现有的其他多结太阳电池都是基于非晶格匹配结构达到所需带隙的。

　　"我们的模型显示出这些技术无法达到晶格匹配材料期许的高效，"他说。"主要突破就是对InAlAsSb 四元合金的识别。"

　　眼下研究者们的任务就是生长这种材料并在之上创造高质量的结。"我们刚着手进行对这种材料培育的研究，希望在明年内可以看到显而易见的进展，" Walters博士说。

　　目前，研发团队刚刚进行项目的初始阶段。"我们已经建模并且识别了材料，现在就要开始材料的培育研究，"他说。"InAlAsSb的生长极具挑战性，所以我们预计要在材料培育上花费一定的时间。"

　　商业应用

　　Microlink公司使用其独有的外延层剥离（ELO）工艺生长电池，这也是金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）技术的一种。根据其官网介绍，剥离层直接沉积在砷化镓（GaAs）基底上，再将多结太阳电池沉积在剥离层上。

　　太阳电池的外延结构可以从基底上无损伤移除，而且背面电极给剥离后的太阳电池提供了机械支持。因为砷化镓（GaAs）基底可以在其他太阳电池的后续生长中继续使用，所以这种外延层剥离（ELO）工艺大大降低了成本，Microlink公司介绍说。

　　目前公司制造的多结太阳电池效率约为31%，厚度却不到40μm，富有弹性使其可以在曲面上使用。

　　多结电池在聚光光伏上的应用由来已久--主要是军事和政府项目应用，比如卫星、无人机和一些其他用途。"多结电池已经在太空领域使用很多年了，" Ray Chan说。"但是他们（军事和政府部门）也为此花销不菲。"

　　事实上，多结聚光组件没能像晶硅和薄膜电池那样受到传统市场的青睐，其高额的成本正是原因之一。

　　制造商尽力通过放大照射在组件上的光强来增加其功率输出，以期降低高成本。放大倍数通常用"日照强度"表示。比如，Solar Junction公司近期宣布：其最新电池在日照强度为947时的光电转换效率为44%，打破了该公司2011年4月创造的日照强度418时43.5%的纪录（两项纪录均通过了国家可再生能源实验室 (NREL) 的认证）。

　　Solar Junction公司还宣称，它目前使用了其独有的A-SLAM材料生产高效多结太阳电池。A-SLAM是指可调式光谱晶格匹配工艺，提供了带隙宽度从0.8eV到1.42eV的材料，从而使聚光组件吸收阳光最大化。

　　三结技术的独特之处就在于其材料系统的带隙可调，但材料的原子空间仍保持不变。Solar Junction 技术部副总裁 Vijit Sabnis 介绍道。

　　"很容易找到一种材料可以吸收1eV的能量，又找到一种可以吸收2eV的材料，但二者却不兼容，所以它们是非晶格匹配结构，"他进一步解释说。

　　Sabnis指出制造高效多结电池最简单、最可靠、成本最低的方法就是使用晶格匹配结构材料。"需要一个足够弹性的生产平台沉积所需材料，而材料本身也要有足够的弹性适应晶格匹配，"他说道。"这能使生产更具稳健性，并且允许带隙可调。"

　　未来展望

　　据Sabnis所言，近来不同多结技术发展的创新性将掀起整个聚光光伏领域的新高潮。然而，铭记电池效率最终如何转换成组件的效率仍是至关重要的，环境条件和光照强度亦是如此。

　　"50%转换效率的太阳电池组件对应的是42%-45%的直流组件，" Sabnis说。"棘手的问题在于你看到的仅仅是正常的直接入射光。"

　　"当入射强度变化时，42%-45%的转换效率可能降低到35%。尽管如此，在系统中安装逆变器后，所说的就是34%的交流转换效率，那已经是相当高的了！"他补充道。

　　从长远角度看，他说，传统的板式组件可以达到18%的转换效率。

　　与此同时，位于德国海尔布隆的Azur Space Solar Power GmbH公司于去年11月宣布其使用500倍浓度制作的新型多结电池效率已达到43.3%。

　　该公司当时报道称，这是有史以来通过金属有机物气相外延（MOVPE）技术直接生长的最高效率的太阳电池。该电池由磷化铟镓（GaInP）、砷化铟镓（GaInAs）和锗（Ge）组成。

　　"和新电池技术一样，持续不断的小幅度改善都能引领效率的稳步提高，"德国弗赖堡太阳能系统Fraunhofer研究所材料、电池及技术部的负责人Andreas W. Bett博士如是说。

　　"现如今，所有的高效记录都是由三结电池保持的。但如果采用不同的内部架构，"他补充说。"如果想追求远高于45%的转换效率，那就需要多于三结的多结电池。"

　　Bett继续说道，光伏产业非常有前景而且更新换代非常迅速。在光伏技术领域，新的效率记录宣布两年后就会有相应的商业化产品出现并冲击市场。这种进程在光伏产业是独一无二的，他说。

　　通常来讲，这些新型的多结电池会用在太空市场以外的地方，也就是地面组件市场。"事实上，地面聚光光伏市场堪与太空市场相较量（甚至更大），"NRL的Walters介绍说。

　　Sabnis也同意这一说法并表示多结电池的前景相当广阔。据他透露Solar Junction公司也正与其他几家公司合作，包括Semprius、Soitec、Amonix、Heliotrop以及几家中国公司。

　　"聚光光伏的优点就在于其有广阔的性能提高和成本降低空间，" Sabnis说。"当你注意下传统的光伏技术，它们已经利用了大量的改进空间，但它们是成熟的，也是成功的。"

　　"聚光光伏如今正依靠着传统光伏的成功创造着属于自己的辉煌，"他补充到。"在未来的三到五年内，50%效率的多结电池就会问世。"（文/Nora Caley ，译/陈超。Nora Caleys是一名来自丹佛的自由撰稿人。）

       来源：Solarzoom