今年1月份,美國海軍實驗室(NRL)和位于伊利諾伊州奈爾斯的MicrolinkDevicesInc.公司宣布將共同開發有潛力達到50%轉換效率的三結電池。也包括來自英國倫敦帝國學院的合作,該項目的目的是研發出一種晶格匹配的三結光伏電池。

就在NRL宣布該項目前的幾個月,2012年10月,位于加利福尼亞州圣何塞的SolarJunction公司宣布它的最新多結電池以44%轉換效率打破了其之前的紀錄。在新聞發布會上,該公司再次顯示了其在多結電池領域的領導地位。

據工業專家介紹,目前多結電池的發展空間還很小,但其具有良好的創新性并能大幅地開拓現有的光伏組件市場。

工藝研發

多結電池包括多個疊層,每層都可以吸收陽光光譜中不同波長的光。"我們將陽光中的光譜有效地分離,"MicrolinkDevices公司光伏板材產品負責人RayChan解釋道。"這就好像將三種不同的太陽電池堆疊到了一起。"

三層(電池)中一層俘獲藍光,而第二層和第三層就分別俘獲可見光和紅外光。

對于研究者而言,關鍵任務就是找到針對三種不同疊層的合適材料。"新穎性就在于對與磷化銦(InP)晶格匹配的InAlAsSb四元合金的識別,根據我們的模型,其直接帶隙寬度可高達1.8eV,"NRL固態器件部的負責人RobertJ.Walters博士解釋道。

"使用這種材料,我們可以設想全部由與InP晶格匹配的材料組成的三結電池,在AM0時,它與地面光譜契合地非常理想,"他說。

"帶隙"指的是受到光子激發后電子的躍遷程度。不同材料的帶隙寬度也不同,單位是電子伏(eV)。NRL在其公告中特別指出,他們將用高帶隙半導體材料吸收短波長輻射,而長波長部分則傳輸到后續半導體。

NRL和Microlink研究備選材料的目的就是找到一種可以優化帶隙的完美晶格匹配結構。Walters博士指出,現有的其他多結太陽電池都是基于非晶格匹配結構達到所需帶隙的。

"我們的模型顯示出這些技術無法達到晶格匹配材料期許的高效,"他說。"主要突破就是對InAlAsSb四元合金的識別。"

眼下研究者們的任務就是生長這種材料并在之上創造高質量的結。"我們剛著手進行對這種材料培育的研究,希望在明年內可以看到顯而易見的進展,"Walters博士說。

目前,研發團隊剛剛進行項目的初始階段。"我們已經建模并且識別了材料,現在就要開始材料的培育研究,"他說。"InAlAsSb的生長極具挑戰性,所以我們預計要在材料培育上花費一定的時間。"

商業應用

Microlink公司使用其獨有的外延層剝離(ELO)工藝生長電池,這也是金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)技術的一種。根據其官網介紹,剝離層直接沉積在砷化鎵(GaAs)基底上,再將多結太陽電池沉積在剝離層上。

太陽電池的外延結構可以從基底上無損傷移除,而且背面電極給剝離后的太陽電池提供了機械支持。因為砷化鎵(GaAs)基底可以在其他太陽電池的后續生長中繼續使用,所以這種外延層剝離(ELO)工藝大大降低了成本,Microlink公司介紹說。

目前公司制造的多結太陽電池效率約為31%,厚度卻不到40μm,富有彈性使其可以在曲面上使用。

多結電池在聚光光伏上的應用由來已久--主要是軍事和政府項目應用,比如衛星、無人機和一些其他用途。"多結電池已經在太空領域使用很多年了,"RayChan說。"但是他們(軍事和政府部門)也為此花銷不菲。"

事實上,多結聚光組件沒能像晶硅和薄膜電池那樣受到傳統市場的青睞,其高額的成本正是原因之一。

制造商盡力通過放大照射在組件上的光強來增加其功率輸出,以期降低高成本。放大倍數通常用"日照強度"表示。比如,SolarJunction公司近期宣布:其最新電池在日照強度為947時的光電轉換效率為44%,打破了該公司2011年4月創造的日照強度418時43.5%的紀錄(兩項紀錄均通過了國家可再生能源實驗室(NREL)的認證)。

SolarJunction公司還宣稱,它目前使用了其獨有的A-SLAM材料生產高效多結太陽電池。A-SLAM是指可調式光譜晶格匹配工藝,提供了帶隙寬度從0.8eV到1.42eV的材料,從而使聚光組件吸收陽光最大化。

三結技術的獨特之處就在于其材料系統的帶隙可調,但材料的原子空間仍保持不變。SolarJunction技術部副總裁VijitSabnis介紹道。

"很容易找到一種材料可以吸收1eV的能量,又找到一種可以吸收2eV的材料,但二者卻不兼容,所以它們是非晶格匹配結構,"他進一步解釋說。

Sabnis指出制造高效多結電池最簡單、最可靠、成本最低的方法就是使用晶格匹配結構材料。"需要一個足夠彈性的生產平臺沉積所需材料,而材料本身也要有足夠的彈性適應晶格匹配,"他說道。"這能使生產更具穩健性,并且允許帶隙可調。"

未來展望

據Sabnis所言,近來不同多結技術發展的創新性將掀起整個聚光光伏領域的新高潮。然而,銘記電池效率最終如何轉換成組件的效率仍是至關重要的,環境條件和光照強度亦是如此。

"50%轉換效率的太陽電池組件對應的是42%-45%的直流組件,"Sabnis說。"棘手的問題在于你看到的僅僅是正常的直接入射光。"

"當入射強度變化時,42%-45%的轉換效率可能降低到35%。盡管如此,在系統中安裝逆變器后,所說的就是34%的交流轉換效率,那已經是相當高的了!"他補充道。

從長遠角度看,他說,傳統的板式組件可以達到18%的轉換效率。

與此同時,位于德國海爾布隆的AzurSpaceSolarPowerGmbH公司于去年11月宣布其使用500倍濃度制作的新型多結電池效率已達到43.3%。

該公司當時報道稱,這是有史以來通過金屬有機物氣相外延(MOVPE)技術直接生長的最高效率的太陽電池。該電池由磷化銦鎵(GaInP)、砷化銦鎵(GaInAs)和鍺(Ge)組成。

"和新電池技術一樣,持續不斷的小幅度改善都能引領效率的穩步提高,"德國弗賴堡太陽能系統Fraunhofer研究所材料、電池及技術部的負責人AndreasW.Bett博士如是說。

"現如今,所有的高效記錄都是由三結電池保持的。但如果采用不同的內部架構,"他補充說。"如果想追求遠高于45%的轉換效率,那就需要多于三結的多結電池。"

Bett繼續說道,光伏產業非常有前景而且更新換代非常迅速。在光伏技術領域,新的效率記錄宣布兩年后就會有相應的商業化產品出現并沖擊市場。這種進程在光伏產業是獨一無二的,他說。

通常來講,這些新型的多結電池會用在太空市場以外的地方,也就是地面組件市場。"事實上,地面聚光光伏市場堪與太空市場相較量(甚至更大),"NRL的Walters介紹說。

Sabnis也同意這一說法并表示多結電池的前景相當廣闊。據他透露SolarJunction公司也正與其他幾家公司合作,包括Semprius、Soitec、Amonix、Heliotrop以及幾家中國公司。

"聚光光伏的優點就在于其有廣闊的性能提高和成本降低空間,"Sabnis說。"當你注意下傳統的光伏技術,它們已經利用了大量的改進空間,但它們是成熟的,也是成功的。"

"聚光光伏如今正依靠著傳統光伏的成功創造著屬于自己的輝煌,"他補充到。"在未來的三到五年內,50%效率的多結電池就會問世。"