论文部分内容阅读
目前,光伏发电面临的主要问题仍是如何有效降低发电成本。太阳电池作为光伏发电中最基础的单元,提高太阳电池的光电转化效率,减少半导体材料的用量是降低光伏发电成本的有效途径之一。开展高效太阳电池技术研究,开发新的电池材料和电池结构,一直是光伏领域的热点方向。在各类型太阳电池中,单晶硅太阳电池的研究最早,技术也最成熟,并以效率高、成本低、衰减小等优势一直占据着地面光伏电池较高的市场份额。此外,GaAs基III-V族三结太阳电池因光吸收系数大,光谱响应特性好等优势始终保持光电转化效率的领军地位,已然成为空间及地面聚光光伏电池的主流。本文主要致力于这两类太阳电池不同工作环境下的结构优化及性能研究,取得的主要成果如下:1.太阳电池计算程序的编译。基于太阳电池工作原理,利用Matlab编写了单结、多结太阳电池的模拟优化程序。在程序的算法设计上,既考虑了电池内部各参数、电池厚度等因素对量子效率影响的实际情况,又消除了暗电流计算中忽略空间电荷区复合电流的误差,以求更精确地模拟出太阳电池的实际工作情况。该程序可以根据材料的不同进行相应的参数调整,普遍适用于任何单结、多结化合物半导体材料电池器件结构的优化。2.径向p-n结单晶硅太阳电池的结构优化及电池制备。根据径向p-n结方向上与入射光垂直,结构上具有周期性和对称性的特点,本文将传统平面太阳电池器件模型扩展到柱坐标系下,构建了适用于径向p-n结太阳电池结构优化的物理模型,并基于此模型对径向p-n结单晶硅太阳电池结构单元进行优化设计。结果表明:当发射区半径为1 μm,柱体径向半径R=40 μm、轴向高度L=100μm时,理论转化效率最高,为33.11%,较传统平面单晶硅太阳电池的最高理论转化效率提高了近5个百分点。最后基于其优化结果,提出了一种径向p-n结单晶硅太阳电池的制备方案。3.具有抗辐照性能的空间用Ga0.51In0.49P/In0.01Ga0.99As/Ge三结太阳电池的结构优化。由于空间用Ga0.51In0.49P/In0.01Ga0.99As/Ge三结太阳电池的各子电池辐照损伤敏感度不同,高能粒子辐照后会导致各子电池间的电流失配,进而降低了三结太阳电池的电学性能。本文提出可以通过对不同电子辐照条件下的三结太阳电池进行厚度优化和增加布拉格反射层两种方法来提升三结太阳电池的抗辐照能力。基于多结太阳电池器件物理模型,结合空间用太阳电池的辐照损伤机理,对包含及不包含布拉格反射器的空间用Ga0.51In0.49P/In0.01Ga0.99As/Ge三结太阳电池厚度进行模拟优化。结果表明:在注量分别为1 × 1015、3 × 1015 cm-2的1 MeV电子辐照条件下,优化后的不含布拉格反射器的三结太阳电池理论转化效率分别为35.47%和33.82%,较优化前分别增加了 1.6%和2.7%。而包含布拉格反射器的新电池结构的理论转换效率则分别达到35.67%和34.27%,较优化前分别增加了 1.8%和3.2%。4.GaInP/GaAs/InxGa1xAs倒装三结太阳电池的结构优化及制备。为了实现单失配GaInP/GaAs/InxGa1xAs三结太阳电池对太阳光谱的有效分割利用,基于多结太阳电池结构优化模型,在单倍,AM1.5D(1000 W/m2)光谱下,对与GaAs衬底失配的InxGa1xAs底电池的禁带宽度和各子电池厚度进行优化。权衡材料成本和生长工艺,得出底电池禁带宽度为1.0 eV,各子电池厚度分别为t1=2.04 μm,t =4.44 μm,t2=3.79 μm时结构更合理,理论转化效率为45.91%。基于电池结构优化结果,采用金属有机化学气相沉积技术,以In组分阶变的InxAl1xAs作为应力缓冲层外延生长了面积为5.5×5.5 mm2的GaInP/GaAs/In0.31Ga0.69As倒装三结太阳电池。QE测试表明,在单倍,AM1.5D(1000W/m2)光谱下,各子电池的短路电流密度分别为13.12、13.30和13.00mA/cm2,实现了各子电池的电流匹配。在25％、AM1.5D(辐照功率为1000 W/m2)的测试条件下,光电转化效率达到了 33.02%。5.双失配GaInP/InxGa1xAs/InyGa1yAs倒装三结太阳电池的结构优化及位错影响分析。为了实现双失配GaInP/InxGa1xAs/InyGa1yAs三结太阳电池对太阳光谱的有效分割利用,本文在单倍,AM1.5D(1000 W/m2)光谱下,对均与GaAs衬底失配的In.xGa1xAs中电池、InyGa1yAs底电池的禁带宽度和各子电池厚度进行优化。结果表明:禁带宽度组合为1.90/1.39/0.97 eV的GaInP/In0.02Ga0.98As/In0.33Ga0.67As倒装三结太阳电池,在各子电池最优厚度组合(t1=7.92μm,t2=6.41μm,t3=10.97 μm)下理论转化效率最高,为 46.68%,与GaInP/GaAs/In0.31Ga0.69As单失配电池体系相比,效率提高了 0.4%,但在In0.02Ga0.98As中电池又额外引入了 0.15%的晶格失配。同时结合载流子通过位错复合的物理模型,将位错密度对单、双失配电池体系电学性能的不利影响进行了量化分析,并提出只有位错密度控制在3.68× 105 cm-2和8.70×106cm-2之间时,GaInP/In0.02Ga0.98As/In0.33Ga0.67As 双失配电池体系与 GaInP/GaAs/In0.31Ga0.69As单失配电池体系理论转化效率的差值介于0.20%～0.37%之间,双失配电池体系的效率优势更明显,这也为失配电池体系的制备提供了很好的理论参考。