调整三结PV电池的性能

调整三结PV电池的性能

为了使三结光伏太阳能电池能具有最优异的性能，需要将其中每个亚电池（sub-cell）单元的吸收边波长达到最优化。QuantaSol公司的K. Barnham，A. Dobbi，M. Lumb和T. Tibbits说，在电池中引入量子阱结构，就能使器件可以根据应用时的光谱状况来进行调整，以实现上述的目标。

光伏电站发展的步伐正日益加快。根据国际能源机构（IEA）关于光伏电力系统规划的最新报告所述，尽管全球的经济还处于急剧衰退的背景下，但在很多国家中光伏电站的部署仍持续地以指数式在增长。由于得益于光伏发电上网税率政策的成功，2009年德国继续保持着在PV电站部署中的领先地位，它已成功安装了将近4GW功率的PV电站。如今这种成功的秘诀已经被许多其它国家所采用，其中包括英国，它主要做法是引入针对其本身市场的一揽子激励政策。

实现具有比第二代太阳能电池更低成本的关键是在聚光型PV系统中采用三结电池器件，这种聚光型系统采用了更便宜的塑料反光镜和透镜，来将太阳光聚焦到昂贵的III-V族PV电池上，其聚焦因子可达到500倍左右。

高度聚光系统可以自动跟踪太阳的位置，并且可将太阳光聚焦在小尺寸、高转换效率的太阳能电池上，首个这种PV系统已经被部署在具有强直接日照的地区（图片由Daido Steel公司提供）。

正如任何一种新兴技术一样，这种聚光型光伏（CPV）系统的初始成本也很高。因为在强日照地区PV系统的初始安装成本本身就比较高，但在该地区又具有其最高的效益成本比。工程师们正在不断地改进能跟踪太阳在天空中运动轨迹的技术，以确保能将太阳光最有效地聚焦在太阳能电池上。随着时间的推移，这种技术在市场销售上的增加将会逐渐压低在CPV电站在系统和电池级别上的成本，这将会增加这种CPV技术的吸引力，因为它在相同的系统占有面积下与第二代太阳能电池相比可以产生高达三倍电量。

Quantasol公司是由英国伦敦帝国理工学院衍生出来的一家公司，成立于2007年，致力于制造具有高转换效率太阳能电池，提供给正在不断增加产量的聚光型光伏电池（CPV）模块和系统的制造商。我们公司的强项之一是一家唯一拥有具有专利保护权的量子阱（QW）技术的公司，该技术能将三结太阳能电池转换效率的绝对值提高3个百分点（如图1所示）。这就意味着，我们所常规生产的晶圆可以获得40%的效率中位数，这使得我们的太阳能电池性能可以与那些市场领先者的水平相比美。

另外，我们这种新型的太阳能电池有望能对PV转换效率设定了一个新的基准（该基准与传统的三结型太阳能电池并不相匹配）和一个原动力（它已经帮助我们与遍布美国、欧洲和亚洲的客户们一起成功地开展了PV数据的采集行动）。它使得我们的订单数也已经有了增加，在2011年的上半年，我们太阳能电池的出货量已超出1MW。多年来，我们一直在致力于开拓采用量子阱（QWs）技术的III-V族PV电池的商业化发展过程，始于将这些量子阱结构引入到单结和双结的太阳能电池中。在太阳能电池中引入量子阱结构中可以增加器件的PV转换效率，因为它使太阳能电池能吸收更长波长的太阳光。如果引入多个量子阱后并不会使整个电池材料质量发生退化的话，那么这将是唯一可能由此获益的方法。

图1. 蓝色的柱状图显示了在200X聚光倍率下，171个标准三结型设计的太阳能电池转换效率的测量值，它们来自于在多晶圆生产反应器中所生长八个晶圆中的一个。而红色的柱状图显示了生长在类似晶圆上的太阳能电池的测量值，在其中间的电池上制作了50个量子阱。

我们通过应变平衡结构来满足这一基准。在这些用高质量材料制作量子阱（QW）的太阳能电池中，由入射太阳光唯一会产生载流子损耗的机理是辐射复合，它会将载流子重新变回到光子形式，这是一种不可避免而且会必然发生的过程。但是我们并不会浪费这些光子，与此相反，我们将会把很大比例的这种光子限制在器件范围内，以便它们可以被重新吸收而产生新的电能。可以通过在电池结构中加入反射层来做到这一点，类似于在垂直腔激光器中所用的反射结构。

最近，我们一直是在中间结中采用量子阱（QWs）结构来开发三结型的太阳能电池。这种结构所具有的一项主要的优势是可以使我们超越竞争对手，这是因为我们的工程师在进行生长工艺时可以将中间电池的吸收边波长实现最优化。得益于此，中间电池的吸收率也可以进行调整，使它能与一天或一年中的不同时刻的太阳光光谱相匹配，因此对于一个给定的地理位置和一个给定的聚光器来说，就可以将PV电池的性能达到最优化，以能在整年中获得最大的电能产量。

对其短波长性能经过优化后的聚光型光伏（CPV）系统如工作运行在更短的波长下的话，则很少能发挥它们的全部潜力，这是由于它在这种更短波长光谱范围内具有相对较高的光衰减系数。早晨和傍晚时刻存在较大的大气污染和浑浊，以及聚光器件本身的原因都会降低三结型器件顶部两个电池所能够产出的电能。然而，根据去年9月在在Valencia召开的第五届世界光伏能源转换大会上所提出的计算结果，通过增加量子阱的数目和适当地重新设计顶部电池的吸收性能，就有可能来扩展能够有效使用光谱曲线，由此可以增加5%左右电能提升。这些计算采用了各种不同的大气数据源，用来产生在不同地理位置一年中各个时刻的太阳光谱数据，它适用于第一代聚光型光伏（CPV）装置。这种太阳光谱可用来对传统的三结器件和另一种多量子阱（MQWs）结构的年度PV电能产量进行模拟。由于采用量子阱（QWs）所产生的效率增益从3.5%到多于5%不等，而其最大的收益是来自于其所用的太阳光谱相对于美国ASTM参考光谱来说具有更多的红光成分，诸如位于沙特阿拉伯的Solar Village那儿一样（图2）。

图2. 在ASTM参考光谱下，将MQW三结器件相对于体三结器件在电功率输出增加量进行模拟，它是采用小时光谱来计算电能产量的增加，所针对的是美国西南部Puerto Rico的La Parguera、印度的Gujarat和沙特阿拉伯的Solar Village等地区，

通过改变中间电池的带隙以及顶部两个亚电池（sub-cell）单元的透明度，就可以将它们性能都调整到与入射太阳光谱相对应，这样就有可能获得更高的PV增益，这大致会产生额外1%的发电电能增量。要确定对某一个特定地点的最优化设计，需要一个顶部电池对中间电池短路电流的比率来进行一整年太阳光谱的分析。这二种电池的光电流必须要匹配，才能获得最高发电效率（如图3）。有趣的是，每天最高的电能输出是与其有着很好的一致性（图3中的蓝色和黑色曲线）。所以，为了能从我们的电池中提取尽可能多的电能，我们改变了器件的设计，使得能在一天和一年中的太阳光入射能量峰值时刻来使发电效率同时达到最大化。这种方法的应用可以提高收益，即在电力输送和使用的峰值时间，通过调节电池来使它们工作性能达到最佳状态。提升量子阱的性能和展望其未来，我们已经开始对三结型器件的顶部电池和中间电池的多量子阱结构（MQW）的优点进行了研究。推动这一努力的背景是为了优化电池的吸收曲线，这也是与伦敦帝国理工学院QPV小组合作所追求的目标，该小组曾研发成功了第一个量子阱（QW）PV电池。在传统的三结型器件中，相比于理想情况来说，顶部电池和中间电池的吸收边的波长更短。

图3 a）针对美国西南地区的每小时变化太阳光谱所进行的器件模拟，其每日入射的能量密度（蓝色线）及其发电效率（红色线）。b）器件的电能输出（黑色线）以及平均电流匹配率（橙色线）。

我们的建模系统表明，采用多量子阱（MQW）结构的电池可以将吸收边向更长的波长延伸，其PV效率完全有可能超过40%，（如图4）。在500倍聚光因子时，在标准测试条件下使用特定选择的太阳光谱进行了计算和绘图显示，对顶部电池和中间电池吸收边波长的优化是如何来产生高达45%的PV总效率的。为了说明什么对于双－多量子阱（MQW）器件是可行的，在此图中我们用绿色虚线限定了一个矩形区域，可以看到要产生一个具有45%效率等高线的吸收边是有可能的。由于在一年中每天的太阳光谱都会在变化，这会使所标示的效率等高线发生移动，较大的矩形区域表明，在对两种电池吸收边的选择中，量子阱结构增加了极大的灵活性，这也表明，应当可以在一个非常宽泛的光谱条件范围内设计出最大的电能产量。

图4. 黑色数字隔开的着色区域显示的是在500x聚光下一个双－多量子阱（dual-MQW）的三结型电池的效率，它是如何随着顶部电池和中间电池吸收边波长的变化而发生变化的。绿色的虚线矩形框代表了双－多量子阱（dual-MQW）电池在吸收边波长上可能产生的变化。黑色虚线箭头代表竞争对手（结构不同）的电池中吸收边可能会产生的变化。就所有情况而言，顶部电池和中间电池的损失都假设为主要是一种辐射型的复合损失。

对我们双－多量子阱（dual-MQW）三结型PV电池的构成竞争的产品来说，它们是生长在一个松弛的缓冲层（常被称作为虚拟衬底）上的具有不同结构的三结型电池。在采用这种结构设计时，顶部电池和中间电池的吸收边也可以扩展到更长的波长数值，然而却无法对这二种电池进行独立的调整。如图4中的黑色箭头所示区域，上述电池的吸收边才有可能进行调整。从原则上来说，这个箭头可以延伸到具有更高效率的等高线处，然而这种延伸需要以更为松弛的缓冲层作为代价，这样会在该层中引入更多的剩余位错并最终导致PV效率的损失。在这些计算中采用了一个假设，即在多量子阱（MQW）顶部电池中载流子的主要损失机制是辐射型复合损失，众所周知它也将会主导中间电池的效率损失。如果这种现象同时也发生在顶部电池中时，随之将会出现一个令人感兴趣的可能性。如果确实是那样的话，在顶部电池中由辐射复合产生的大多数光子将会从其量子阱的底部发射，而其中的大多数光子随后将会在中间电池中被重新吸收，从而提高了它的PV电流输出。

为了理解它们是如何对我们三结型电池器件的整体性能产生影响的，我们对此种情况再次进行了计算，其结果绘制在图4中，采用了绿色等高线和蓝色数字。其结果表明，这种在顶部电池中辐射复合所产生光子，随后会被中间电池所吸收，由此产生的主要好处是能够扩展高转换效率的有效工作范围。相对于仅仅将量子阱引入到单个电池结构的器件来说，这意味着对于含有量子阱（QWs）的双电池结构的三结型器件来说，其PV效率随光谱状况的改变将只会产生相对较小的变化。

图5：与一个具有典型多量子阱（MQW）的中间电池比较，在研究型反应器中生长的两个具有多量子阱（MQW）结构顶部电池的辐射效率。

要在实际应用的器件中能实现这种高效率，顶部太阳能电池要具有高的辐射效率。我们在Valencia会议上所提供的最初结果是有发展前景的。根据在多量子阱（MQW）顶部电池的暗电流测量数据来提取其辐射效率，该电池是在Sheffield大学EPSRC国家中心研究的研究性反应器中进行淀积生长的，发现其辐射效率随着浓度的增加而增加（见图5）。相对于更为成熟的中间电池来说，起初顶部电池的辐射效率值相对较低，但是它的数值随着量子阱数目增加也确实得到了增长。如果顶部电池中能包含50个量子阱结构，就可以实现图4中的效率值。

由具有菲涅尔透镜特征透明百叶窗所制成的发电窗，它能将直射太阳光聚焦到发光条上，并进一步将其聚焦到位于框架上的PV电池上，其漫散射光则用来作为房间内的照明。(图片来自于Solarstructure 公司)

如以500倍因子来将太阳光聚集到太阳能电池上，将会使PV电池发热。对其进行冷却可以来降低其温升，这对传统的三结型太阳能电池来说是有益的，因为随着它们温度的升高，电池的PV效率会降低。但对于我们这种新颖的太阳能电池来说，这远不是一个问题。因为在我们的设计中可以在顶部电池和中间电池加入几个深阱，经过这样的设计修改使得在90°C工作温度下电池也可以获得40%以上的PV效率。这种太阳能电池的散热也可以好好地加以利用，使得器件能通过其整合性以及热－电的复合性应用上来进一步降低PV发电的成本。太阳能电池能在高温下工作意味着可以在建筑物中使用这种冷却水，因为电池90 °C的温度将足以驱动一个吸热制冷装置，来作为房屋的空调系统。

同时，这种太阳能电池发电的pV效率是第二代太阳能电池的三倍，可以用于处于非理想位置的建筑上，例如处于北半球建筑物的垂直墙壁上，它们在一年中每平方米所产的电能也多于第二代太阳能电池。

我们的多量子阱（MQW）太阳能电池对于在智能型发电窗户的应用中也是一个理想的选择。该种百叶窗利用透明的菲涅尔塑料透镜来跟踪太阳光，将直射的太阳光聚焦到一个发光条上，而允许非直射的太阳光进入房间作为室内照明，从而降低了照明用电的需求。量子阱（QW）太阳能电池安装于窗框上。冷却水可以用于室内的需求，例如来驱动空调系统，在太阳光强时，空调是最大的耗电需求对象。

许多其它的应用会着眼于小尺寸、高聚光的单位系统，它们能比第一代、第二代PV电池提供高至两倍的发电效率。如果用这种新的PV系统来替代供应家庭用电的第一代太阳能电池系统，如果此系统覆盖的屋顶面积相同，那么即使是在多雨的英国，其所能产生的额外电量也足够使该家庭的电动汽车使用一年！另外，这种系统还能够提供家庭住户对热水的需求。

在 Quantasol公司，我们正在作出很好地安排，以使第三代太阳能电池能占据整个新增订单的大部分，它将注定会成为太阳能市场中的主流产品。我们生产太阳能电池的多样性使得它们能在不同的太阳光谱条件下获得最大的发电量，同时也能够解决好由聚光器制造商的独创性而产生的挑战性问题。