II-VI族材料在叠层太阳能电池中的应用
II-VI 族材料ZnSe、CdSe、ZnTe、CdTe 等具有禁带宽度大, 少子寿命对位错不敏感等优点, 可以作为一种新的材料体系应用于叠层太阳能电池中。此类材料既能够与铜铟镓硒电池、III-V 族材料、单晶Si 等相结合, 也可将不同的II-VI 族材料相结合制备多结电池。本文介绍了上述几种思路的理论及实验研究现状, 以及II-VI 族材料顶电池的研究进展; 同时分析了阻碍II-VI 族半导体材料应用的单极性掺杂问题, 介绍了提高掺杂水平可能的途径。
太阳能的特点是能量总量大, 辐射面积大, 能量分布宽, 而能量密度小, 收集利用比较困难。传统单结太阳能电池主要有两部分效率损失: 一是小于禁带宽度(Eg) 的光子不被吸收, 二是被激发的高能电子和空穴在与晶格碰撞迁移至带边的过程中, 大于Eg 的能量转化为热能。叠层太阳能电池由一系列Eg 不同的子电池组成, 高能光子被顶层Eg 较大的子电池收集, 低能光子被底层E g 较小的子电池收集, 从而能更有效地利用不同波长光子的能量。
当前研究最深入、应用最广泛的叠层电池主要由GaAs 为代表的III-V 族材料制备, 在高倍聚光条件下使用。设计时优先考虑子电池间的电流匹配,通过生长组分渐变缓冲层解决外延材料间的晶格失配。已制备出位错密度小于106 cm-2、效率41.1%(AM1.5, 454 suns) 的三结电池。而自顶部开始外延的倒生长方式能保证对效率贡献最大的顶电池中位错密度最低, 可小于5×104 cm-2, 整个三结电池的效率为40.8%( AM1.5, 326 suns) 。但常用的GaAs 基、I nP 基III-V 族材料中缺少E g 大于2.0 eV 的顶电池用材料, 以及Eg 在1.0~1.3 eV 之间且与GaAs 晶格匹配的高质量材料。含Al 的III-V 族材料虽然Eg 较大, 但对水和氧敏感 ; InGaN 的Eg 可在0.7~ 3.2 eV 内调节, 但较高的In 组分容易使InN 相分离。因此III-V 族叠层电池难以充分利用太阳光谱。另外GaInAs、GaInP等III-V 族材料的少子寿命受位错影响大, 需尽可能地晶格匹配生长并使用缓冲层以提高少子寿命,这就限制了材料选择的灵活性, 提高了对生长工艺的要求。因此开发新的材料体系能够为更好地匹配太阳光谱提供更广阔的空间, 其中探索II-VI 族材料在叠层太阳能电池中的应用就是近年来新兴的研究方向之一。
II-VI 族材料的特点
II-VI 族材料指IIB 族和VIA 族元素组成的二及多元化合物, 其中在太阳能电池等光电器件方面研究较多的是IIB 族的Zn、Cd、Hg 和VIA 族的S、Se、Te 组成的化合物。这些化合物均为直接带隙材料,在可见光区域吸收系数一般可达104cm- 1以上,适宜制备薄膜器件。而且除含Hg 的化合物Eg 较小或为半金属外, 大部分II-VI 族材料的Eg 大于同周期的III-V 族材料, 因而能获得更高的开路电压(Voc ) 。同时多数II-VI 族材料为闪锌矿结构, 容易与其它立方相材料相结合。此外, 这类材料的离子性强, 少子寿命对位错不敏感, 在制备时可适当放宽对晶格匹配和晶体质量的要求, 采取简单的工艺就可能生产出高质量的电池。除了材料性能的优势外, 含Zn、Cd、Te 的材料比含Ga、As、P 的材料成本更低, 更利于生产较大面积、中等聚光条件(100~ 200suns) 下应用的电池, 这对降低聚光系统的技术要求和电池系统的总成本都十分有益。虽然II-VI 族材料拥有以上优势, 但这类化合物熔点高, 组成化合物的元素蒸气压高, 缺乏大尺寸的体单晶衬底, 制备高质量的单晶薄膜材料仍存在一定困难。除CdTe 外, 其它II-VI 族化合物一般呈现单极性掺杂特征, 例如ZnSe 和CdSe 难以实现高的p型掺杂, 而ZnTe 难以实现高的n 型掺杂。这是因为II-VI 族材料E g 大且本征缺陷多为两重施主或受主, 当本征缺陷被补偿时, 会释放出接近2Eg 的能量, 有利于体系总能量的降低, 故容易自发地形成本征缺陷并出现补偿。因此单极性问题也是应用II-VI 族材料时面临的一个主要障碍。
叠层太阳能电池通过各个子电池吸收和转化不同波段的光子能量, 可以有效地提高电池的光电转化效率。II-VI 族材料拥有禁带宽度大、少子寿命对位错不敏感等优势, 将其与Si、CIGS 电池或III-V 族材料相结合来制备叠层电池为进一步提升电池效率提供了新的契机。目前实验上主要进行了II-VI 族材料单结顶电池的初步研究。为了更好地发挥IIVI族材料在叠层电池中的优势, 还需要继续提高IIVI族单极性材料的掺杂水平, 实现更精确的多元化合物组分控制, 不断探索界面控制和处理方式, 同时进一步优化和细化电池的结构设计。
