关键字：光伏发电、叠层电池、别墅太阳能发电

早期实现多结级连太阳光伏发电电池结构的方法是：分别制备各级子电池，然后将其机械堆叠起来。有报道称：用带隙为1.42eV的Ⅲ-V族化合物半导体GaAs和带隙约为1. OeV的I-Ⅲ-Ⅳ族化合物半导体CUInSe2构成的双结电池能够获得23. 1%的光电转换效率 (AM0)，该实验并未在别墅太阳能发电行业及相关领域得到验证。

 

美国Fraas首先提出GaAs/GaSb机械叠层光伏发电电池，即：GaAs电池和GaSb电池用机械的方法相叠合而成。GaAs顶电池和GaSb底电池在光学上是串联的， 而在电学上是相互独立的，用外电路的串并联实现电流匹配。其效率等于GaAs电池和GaSb底电池的效率之和，因而容易获得高效率。

 

1990年，GaAs/GaSb机械叠层光伏发电电池的效率已达到35%(AM1.5，200倍聚光）。1987年报道了GaAs/Ge机械叠层双结电池，效率达到26. 1%。然而,这种电池尽管有较高的光电转换效率，但其机械堆叠的方法具有极难克服的缺点。以双结电池为例，首先，顶电池对于底电池必须是“透明”的。当使用厚衬底时，掺杂浓度不能太高。另外，顶层电池的下电极金属接触必须像上电极一样做成栅线构型，如下图所示。而且要与两级子电池的上电极图形精确对准。两级子电池一般具备4个输出端，通常要在电学上先把几个同级子电池互联，再去与另一级子电池相连接，以此对外构成一个两端器件。就GaAs/ CuInSe2双结光伏发电电池而言，需要先将4只CuInSe2电池串联得到与Ga(Al)As顶电池的电压匹配后，再把两级电池并联成两端器件。电学互联的复杂程度限制了这种电池的大规模的生产与应用；同时，各级子电池一般都要使用各自的衬底，大大增加了制造成本；因此该类电池在别墅太阳能发电几乎不使用。

 

GaAs/CuInSe2双结机械叠层太阳电池示意图

 

在叠层电池研究历程中，Fan等人1982年发表的理论分析，给人们带来了信心：叠层电池可以获得理论效率36%〜40%。半导体材料外延生长技术，特别是生长III-V族化合物半导体技术的成熟发展，使得制备单片集成式多结级联太阳光伏发电电池成为可能。AlxGai_xAs作为GaAs太阳电池的窗口层材料所获得的成功，使人们在研究叠层电池时，自然首先想到把它作为与GaAs太阳电池相匹配的顶电池材料。 因而，AlxGa_1-xAs/GaAs系列结构是最早进行研究的叠层电池结构，其理论效率可达到36%。

 

日本在1987年实现了高转换效率AlGaAs/GaAs双结电池。Chung等人在1988年曾报道：用MOCVD技术生长的Al_0.37Ga_0.63As/GaAs双结叠层光伏发电电池，其 AM0和AM1. 5效率分别达到23. 0%和27. 6%，电池面积为0. 5 cm2。但该电池的生产存在一系列困难：首先是生长高质量的Al_0.37Ga_0.63As层，由于铝容易氧化，对气源和系统中的残留氧很敏感，致使少子寿命明显缩短，无法显著地提高太阳电池的电流密度，所以只能采用多重吸气技术以降低残留氧含量。其次是如何实现上下电池之间的电学串联连接？因为制备中没有解决高电导的隧道连接问题，而是通过后腐蚀开窗口的办法，用金属互联上下电池。这种连接在器件工艺上十分复杂，而且增加了金属线的挡光。为了减小金属互联线的遮光问题，他们借助于棱镜盖玻璃以偏转入射光。其中，有一点不容忽视的是：Al_0.37Ga_0.63As电池的抗辐照性能与GaAs电池相仿，不能有效地提高双结太阳电池的空间应用寿命。正是这一系列困难的存在，使得后人难以在这个方向上取得新的进展，更别提该类电池在别墅太阳能发电行业的发展了。