付甜甜

四結(jié)光伏電池創(chuàng)轉(zhuǎn)化效率新紀(jì)錄

付甜甜

該電池創(chuàng)造了44.7%世界轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄。它由四個基于III-V族化合物半導(dǎo)體的光伏電池組成，可應(yīng)用在聚光光伏技術(shù)中。

太陽能光伏技術(shù)經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，已經(jīng)在新能源領(lǐng)域確立了其重要地位。大力發(fā)展太陽能光伏發(fā)電已成為人類解決未來能源問題的重要途徑。當(dāng)前太陽能技術(shù)的重點是硅系太陽電池，然而硅系電池的低轉(zhuǎn)換效率想要進一步提高是非常困難的。眾所周知，提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽能光伏技術(shù)中的根本因素。因此，開展高效太陽電池技術(shù)研究，開發(fā)新的電池材料、電池結(jié)構(gòu)，一直是該領(lǐng)域的熱點。其中，高效多結(jié)太陽電池技術(shù)的研究尤為引人注目。目前研究較多的多結(jié)電池有III-V族材料體系、Ⅱ-Ⅵ族材料體系等。本文將主要介紹最新的III-V族材料體系的四結(jié)光伏電池。

日前，德國弗朗霍夫太陽能系統(tǒng)研究所、法國聚光光伏制造商Soitec公司、德國柏林亥姆霍茲研究中心攜手宣布，他們制造出了一款在297個太陽下光電轉(zhuǎn)化效率高達(dá)44.7%的四結(jié)光伏電池，僅僅經(jīng)過三年的研究就創(chuàng)造了這一項新的世界紀(jì)錄。這也就意味著太陽光譜中 44.7%的能量，由紫外線到紅外線都轉(zhuǎn)化成了電能。這項最新研究有望大幅降低太陽能發(fā)電的成本并為轉(zhuǎn)化效率達(dá)50%的太陽電池的研發(fā)鋪平了道路。

早期發(fā)展

早在今年5月份，德國弗朗霍夫太陽能系統(tǒng)研究所、法國聚光光伏制造商Soitec公司、德國柏林亥姆霍茲研究中心，和法國原子能委員會電子與信息技術(shù)實驗室（CEA-Leti）的科學(xué)家聯(lián)合推出了319個太陽下，光電轉(zhuǎn)化效率高達(dá)43.6%的光伏電池。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家們經(jīng)過精心的研究和優(yōu)化，制造出了光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)44.7%的太陽電池。

研發(fā)流程

Soitec的主席和首席執(zhí)行官安得烈-雅克利曼·安德里-荷夫表示：“在不到4個月的時間內(nèi)，這項世界紀(jì)錄把我們的轉(zhuǎn)換效率提高了1%，這證明四結(jié)太陽電池設(shè)計方法極具潛力，我相信，太陽電池的轉(zhuǎn)換效率即將超越50%?！?/p>

這些太陽電池主要用于聚光光伏設(shè)備。聚光光伏技術(shù)（CPV）是指將匯聚后的太陽光通過高轉(zhuǎn)化效率的光伏電池直接轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)。利用光學(xué)元件將太陽光匯聚后再進行發(fā)電的聚光太陽能技術(shù)，被認(rèn)為是太陽能發(fā)電未來發(fā)展趨勢的第三代技術(shù)。聚光光伏技術(shù)的轉(zhuǎn)換效率是傳統(tǒng)光伏技術(shù)轉(zhuǎn)換效率的兩倍。最新研制出的四結(jié)太陽電池中的單個電池由不同的III-V族（元素周期表中III族的B，Al，Ga，In和V族的N，P，As，Sb等）半導(dǎo)體材料制成，再將這些電池逐層堆積，單個子電池能吸收太陽光光譜中不同波長的光。

這項研發(fā)工作的負(fù)責(zé)人、弗朗霍夫太陽能系統(tǒng)研究所的弗蘭克·狄默思表示：“多年來，我們一直致力于多結(jié)太陽電池的研發(fā)工作，這種四結(jié)太陽電池是我們多年心血的結(jié)晶。除了改進材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)之外，被稱為‘晶圓接合’的新程序在研發(fā)過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。憑借這一技術(shù)，我們能將兩個半導(dǎo)體晶體有序地接合起來，而不是讓其胡亂地堆積在一起。利用這種方式，我們能生產(chǎn)出最佳的半導(dǎo)體結(jié)合體，從而制造出效率更高的太陽電池?！?/p>

在AM 1.5d ASTM G173-03的光譜下，在297個太陽下，四結(jié)光伏電池的四個特性

四結(jié)光伏電池的外量子效率

晶圓接合

晶圓接合是一種封裝技術(shù)，晶圓級制造微機電系統(tǒng)（MEMS）、納米機電系統(tǒng)（NEMS）、微電子和光電子，確保了穩(wěn)定的機械密封封裝。一個晶片是一個小的用于制造電路或者電子設(shè)備（例如硅）半導(dǎo)體材料。在接合過程中，機械或者電子設(shè)備自身與晶片接合，從而創(chuàng)建出芯片。晶圓接合技術(shù)對環(huán)境要求非常嚴(yán)格，它只能在特定的環(huán)境下才能夠進行工作。對于所使用的具體的粘結(jié)方法要設(shè)定與之相匹配的環(huán)境溫度。

弗朗霍夫太陽能系統(tǒng)研究所對晶圓接合技術(shù)進行了進一步的研發(fā)，使其能夠適用于特殊應(yīng)用程序。除了傳統(tǒng)的技術(shù)，如陽極接合或直接鍵合、共晶鍵合/焊接、玻璃料粘接、激光輔助接合，高頻器件的襯底材料也應(yīng)用于封裝的傳感器和激光組件中。弗朗霍夫太陽能系統(tǒng)研究所的這些技術(shù)對晶圓接合進程中的溫度、產(chǎn)量和粘結(jié)強度等都有所提高。

鏈接：

弗朗霍夫太陽能系統(tǒng)研究所：位于弗萊堡的弗朗霍夫太陽能系統(tǒng)研究所是歐洲歷史上最大的太陽能研究機構(gòu)，研究所共有1300名工作人員。研究所致力于研發(fā)促進可持續(xù)的、經(jīng)濟、安全和合理的能源供應(yīng)系統(tǒng)。該研究所共有八個不同的業(yè)務(wù)領(lǐng)域：節(jié)能建筑、應(yīng)用光學(xué)和功能表面、太陽能光熱技術(shù)、硅太陽電池、光伏組件和系統(tǒng)、替代光伏發(fā)電技術(shù)、可再生電源和氫能技術(shù)。