关键字：三结电池、光伏发电、别墅太阳能发电

 

自Olson等光伏发电科研人员在GaInP2/GaAs双结电池研究中取得成果以后，20世纪90年代中期，该项成果很快以技术转让的形式在美国的两个空间电池生产厂家（Spectrolab和Tecstar) 实现商业化应用，该项发明主要用于太空领域，比如卫星等发电设备装置，在别墅太阳能发电领域不怎么使用。

 

Spectrolab公司主要采用n-on-p（即p型Ge为衬底）形式，而Tecstar 则采用p-on-n（即n型Ge为衬底）形式。1997年8月，装备了Ge衬底GaInP2/GaAS 双结电池的第一颗商业通信卫星被发射升空。这颗美国休斯公司的HS601电视直播卫星，在原有太阳光伏发电电池阵设计的基础上，仅仅以平均效率为21. 6%的GaInP2/ GaAs/Ge双结电池取代Si太阳电池，太阳电池阵的输出功率就从4. 8 kWp上升了一倍，达到10kWp，大大增加了卫星的有效载荷，成为空间能源系统中一个新的里程碑。

 

双结太阳光伏发电电池只能吸收空间太阳光谱的短波段和中波段太阳光，而无法吸收长波段太阳光，因此极大程度上降低了光电转换效率。在材料外延关键技术解决的前提下，GaInP2/GaAs/Ge三结叠层太阳电池其研制和生产成本与双结太阳电池几乎相同，但性能和可靠性却明显优于双结太阳电池。因此，从1998年起，双结太阳电池作为一个过渡产品，逐渐被三结太阳电池所取代，而目前的别墅太阳能发电行业，早就失去了双结太阳电池的踪影。

 

GaInP2/GaAs双结光伏发电电池的短路电流只有GaAs单结太阳电池的一半，加入能将Ge衬底制成一个有效结，那么Ge电池产生的短路电流就能远远高于GaInP2/GaAS双结电池；同时，也能提高电池的开路电压，进而获得更高的光电转换效率。于是，研究者们开始将重心逐渐转移到Gaa5Ino.5P/GaAS/Ge三结电池上。

三结太阳电池示意图

 

从上图我们可以看到：GaInP2、GaAs和Ge从上到下三点成线，带隙宽度分别为1. 86、1. 42、0. 67eV，正好构成晶格匹配的级联三结光伏发电电池材料系统，虽然无法达到完全理想。在外延生长GaAs中间电池和GaInP2顶电池的同时，通过控制V族和III族元素向Ge衬底中的扩散，能够在Ge衬底表面形成p-n结构成底电池，进而形成GaInP2/GaAs/Ge整体叠层三结结构。

 

GalnP/GaAs/Ge双结电池在Spectrolab和Tecstar很快演变为三结电池。尽管p/n(即p-on-n)极性的GaInP₂/GaAs/Ge三结电池也曾实现了很高的转换效率，但n/p(n-on-p)型的GaInP₂/GaAs/Ge三结电池更具优越性:1、相对于p/n型构型，n/p型顶电池更易于制备成浅结却又不影响发射区的薄层电阻，从而改进顶电池短波响应；2、P-GaAs基区比n-GaAs具有高得多的迁移率和抗辐照性能。

 

自20世纪90年代后期以来，随着Spectrolab在1996年第一次报道了n/p型的GaInP₂/GaAs/Ge三结光伏发电电池的小批量生产结果，各空间电池生产厂家都争先恐后地投入n/p型GaInP₂/GaAs/Ge三结电池的研究。因而电池性能记录被不断刷新，新的产品相继被应用于新一代的大功率商业通信卫星。或许，在未来，三结电池的应用领域不再局限于空间通信，转而在别墅太阳能发电行业中的居民房顶的光伏设备中广为运用，到时，世界的光伏发电行业必将跨入一个新的时代。