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今年1月份，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室(NRL)和位于伊利諾伊州奈爾斯的Microlink Devices Inc.公司宣布將共同開發(fā)有潛力達(dá)到50%轉(zhuǎn)換效率的三結(jié)電池。也包括來(lái)自英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院的合作，該項(xiàng)目的目的是研發(fā)出一種晶格匹配的三結(jié)光伏電池。

就在NRL宣布該項(xiàng)目前的幾個(gè)月，2012年10月，位于加利福尼亞州圣何塞的Solar Junction公司宣布它的最新多結(jié)電池以44%轉(zhuǎn)換效率打破了其之前的紀(jì)錄。在新聞發(fā)布會(huì)上，該公司再次顯示了其在多結(jié)電池領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。

據(jù)工業(yè)專家介紹，目前多結(jié)電池的發(fā)展空間還很小，但其具有良好的創(chuàng)新性并能大幅地開拓現(xiàn)有的光伏組件市場(chǎng)。


工藝研發(fā)
 

多結(jié)電池包括多個(gè)疊層，每層都可以吸收陽(yáng)光光譜中不同波長(zhǎng)的光。"我們將陽(yáng)光中的光譜有效地分離，"Microlink Devices公司光伏板材產(chǎn)品負(fù)責(zé)人Ray Chan解釋道。"這就好像將三種不同的太陽(yáng)電池堆疊到了一起。"三層(電池)中一層俘獲藍(lán)光，而第二層和第三層就分別俘獲可見(jiàn)光和紅外光。

對(duì)于研究者而言，關(guān)鍵任務(wù)就是找到針對(duì)三種不同疊層的合適材料。"新穎性就在于對(duì)與磷化銦(InP)晶格匹配的InAlAsSb 四元合金的識(shí)別，根據(jù)我們的模型，其直接帶隙寬度可高達(dá)1.8eV，"NRL固態(tài)器件部的負(fù)責(zé)人Robert J. Walters博士解釋道。

"使用這種材料，我們可以設(shè)想全部由與InP晶格匹配的材料組成的三結(jié)電池，在AM0時(shí)，它與地面光譜契合地非常理想，"他說(shuō)。"帶隙"指的是受到光子激發(fā)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(dǎo)體材料吸收短波長(zhǎng)輻射，而長(zhǎng)波長(zhǎng)部分則傳輸?shù)胶罄m(xù)半導(dǎo)體。

NRL和Microlink研究備選材料的目的就是找到一種可以優(yōu)化帶隙的完美晶格匹配結(jié)構(gòu)。Walters博士指出，現(xiàn)有的其他多結(jié)太陽(yáng)電池都是基于非晶格匹配結(jié)構(gòu)達(dá)到所需帶隙的。"我們的模型顯示出這些技術(shù)無(wú)法達(dá)到晶格匹配材料期許的高效，"他說(shuō)。"主要突破就是對(duì)InAlAsSb 四元合金的識(shí)別。"眼下研究者們的任務(wù)就是生長(zhǎng)這種材料并在之上創(chuàng)造高質(zhì)量的結(jié)。"我們剛著手進(jìn)行對(duì)這種材料培育的研究，希望在明年內(nèi)可以看到顯而易見(jiàn)的進(jìn)展，" Walters博士說(shuō)。

目前，研發(fā)團(tuán)隊(duì)剛剛進(jìn)行項(xiàng)目的初始階段。"我們已經(jīng)建模并且識(shí)別了材料，現(xiàn)在就要開始材料的培育研究，"他說(shuō)。"InAlAsSb的生長(zhǎng)極具挑戰(zhàn)性，所以我們預(yù)計(jì)要在材料培育上花費(fèi)一定的時(shí)間。"


商業(yè)應(yīng)用
 

Microlink公司使用其獨(dú)有的外延層剝離(ELO)工藝生長(zhǎng)電池，這也是金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)的一種。根據(jù)其官網(wǎng)介紹，剝離層直接沉積在砷化鎵(GaAs)基底上，再將多結(jié)太陽(yáng)電池沉積在剝離層上。

太陽(yáng)電池的外延結(jié)構(gòu)可以從基底上無(wú)損傷移除，而且背面電極給剝離后的太陽(yáng)電池提供了機(jī)械支持。因?yàn)樯榛��?GaAs)基底可以在其他太陽(yáng)電池的后續(xù)生長(zhǎng)中繼續(xù)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(shuō)。

目前公司制造的多結(jié)太陽(yáng)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(jié)電池在聚光光伏上的應(yīng)用由來(lái)已久--主要是軍事和政府項(xiàng)目應(yīng)用，比如衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)和一些其他用途。"多結(jié)電池已經(jīng)在太空領(lǐng)域使用很多年了，" Ray Chan說(shuō)。"但是他們(軍事和政府部門)也為此花銷不菲。"

事實(shí)上，多結(jié)聚光組件沒(méi)能像晶硅和薄膜電池那樣受到傳統(tǒng)市場(chǎng)的青睞，其高額的成本正是原因之一。制造商盡力通過(guò)放大照射在組件上的光強(qiáng)來(lái)增加其功率輸出，以期降低高成本。放大倍數(shù)通常用"日照強(qiáng)度"表示。比如，Solar Junction公司近期宣布：其最新電池在日照強(qiáng)度為947時(shí)的光電轉(zhuǎn)換效率為44%，打破了該公司2011年4月創(chuàng)造的日照強(qiáng)度418時(shí)43.5%的紀(jì)錄(兩項(xiàng)紀(jì)錄均通過(guò)了國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL) 的認(rèn)證)。

Solar Junction公司還宣稱，它目前使用了其獨(dú)有的A-SLAM材料生產(chǎn)高效多結(jié)太陽(yáng)電池。A-SLAM是指可調(diào)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(yáng)光最大化。

三結(jié)技術(shù)的獨(dú)特之處就在于其材料系統(tǒng)的帶隙可調(diào)，但材料的原子空間仍保持不變。Solar Junction 技術(shù)部副總裁 Vijit Sabnis 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(jié)構(gòu)，"他進(jìn)一步解釋說(shuō)。
Sabnis指出制造高效多結(jié)電池最簡(jiǎn)單、最可靠、成本最低的方法就是使用晶格匹配結(jié)構(gòu)材料。"需要一個(gè)足夠彈性的生產(chǎn)平臺(tái)沉積所需材料，而材料本身也要有足夠的彈性適應(yīng)晶格匹配，"他說(shuō)道。"這能使生產(chǎn)更具穩(wěn)健性，并且允許帶隙可調(diào)。"
 

未來(lái)展望
 

據(jù)Sabnis所言，近來(lái)不同多結(jié)技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新性將掀起整個(gè)聚光光伏領(lǐng)域的新高潮。然而，銘記電池效率最終如何轉(zhuǎn)換成組件的效率仍是至關(guān)重要的，環(huán)境條件和光照強(qiáng)度亦是如此。"50%轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)電池組件對(duì)應(yīng)的是42%-45%的直流組件，" Sabnis說(shuō)。"棘手的問(wèn)題在于你看到的僅僅是正常的直接入射光。"

"當(dāng)入射強(qiáng)度變化時(shí)，42%-45%的轉(zhuǎn)換效率可能降低到35%。盡管如此，在系統(tǒng)中安裝逆變器后，所說(shuō)的就是34%的交流轉(zhuǎn)換效率，那已經(jīng)是相當(dāng)高的了!"他補(bǔ)充道。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，他說(shuō)，傳統(tǒng)的板式組件可以達(dá)到18%的轉(zhuǎn)換效率。

與此同時(shí)，位于德國(guó)海爾布隆的Azur Space Solar Power GmbH公司于去年11月宣布其使用500倍濃度制作的新型多結(jié)電池效率已達(dá)到43.3%。

該公司當(dāng)時(shí)報(bào)道稱，這是有史以來(lái)通過(guò)金屬有機(jī)物氣相外延(MOVPE)技術(shù)直接生長(zhǎng)的最高效率的太陽(yáng)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(shù)一樣，持續(xù)不斷的小幅度改善都能引領(lǐng)效率的穩(wěn)步提高，"德國(guó)弗賴堡太陽(yáng)能系統(tǒng)Fraunhofer研究所材料、電池及技術(shù)部的負(fù)責(zé)人Andreas W. Bett博士如是說(shuō)。
"現(xiàn)如今，所有的高效記錄都是由三結(jié)電池保持的。但如果采用不同的內(nèi)部架構(gòu)，"他補(bǔ)充說(shuō)。"如果想追求遠(yuǎn)高于45%的轉(zhuǎn)換效率，那就需要多于三結(jié)的多結(jié)電池。"

Bett繼續(xù)說(shuō)道，光伏產(chǎn)業(yè)非常有前景而且更新?lián)Q代非常迅速。在光伏技術(shù)領(lǐng)域，新的效率記錄宣布兩年后就會(huì)有相應(yīng)的商業(yè)化產(chǎn)品出現(xiàn)并沖擊市場(chǎng)。這種進(jìn)程在光伏產(chǎn)業(yè)是獨(dú)一無(wú)二的，他說(shuō)。

通常來(lái)講，這些新型的多結(jié)電池會(huì)用在太空市場(chǎng)以外的地方，也就是地面組件市場(chǎng)。"事實(shí)上，地面聚光光伏市場(chǎng)堪與太空市場(chǎng)相較量(甚至更大)，"NRL的Walters介紹說(shuō)。
Sabnis也同意這一說(shuō)法并表示多結(jié)電池的前景相當(dāng)廣闊。據(jù)他透露Solar Junction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(guó)公司。

"聚光光伏的優(yōu)點(diǎn)就在于其有廣闊的性能提高和成本降低空間，" Sabnis說(shuō)。"當(dāng)你注意下傳統(tǒng)的光伏技術(shù)，它們已經(jīng)利用了大量的改進(jìn)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(tǒng)光伏的成功創(chuàng)造著屬于自己的輝煌，"他補(bǔ)充到。"在未來(lái)的三到五年內(nèi)，50%效率的多結(jié)電池就會(huì)問(wèn)世。"