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大幅削减太阳能电池的成本
2023/12/20 9:17:45 材料来源：雅时
HVPE的动态变体有望进行一种连续生长工艺，在不影响性能的前提下降低III-V族太阳能电池的生产成本
作者：RIcharD STEVENSON，《
》杂志编辑
如果说太阳能电池唯一真正重要的指标是性能，那么III-V族太阳能电池将完全主导这一市场。但成本才是至关重要的，这也是太阳能电池广泛使用硅电池板的原因。
III-V族太阳能电池成本较高，一个主要原因是外延工艺。采用效率低下的批量方法，生长速度相对较慢，时间花费在晶圆装卸上，即在必须加热和冷却的反应器中装卸晶圆。
一团队正在解决以上所有问题，其来自美国科罗拉多州戈尔登市国家可再生能源实验室（NREL），正在开创一种新的外延生长方法，即动态HVPE。
这项特定技术的一大优势是，与MOCVD等用于制造太阳能电池的成熟外延技术相比，其生长速度通常要快一个数量级。此外，该方法还有助于摆脱批量加工。
重要的是，III-V族电池具备以上所有优势的同时，效率水平远远高于其他材料系统。通过动态HVPE生长的太阳能电池的性能一直在稳步提高，近期，据美国可再生能源实验室团队报告，一款单结电池的效率已达到27%。
以上数值与单结电池的最佳性能之间仍略有差距，单结电池的效率最高记录由现已停业的Alta Devices保持，该公司在2018年公布了29.1%的效率新基准。不过，据美国可再生能源实验室的Kevin Schulte称，这一电池的效率之所以能创下纪录，是因为其中包含了光学结构，可提高光子回收率并最终增加输出电压。他坚信，如果没有这些宝贵的、提高性能的光学技术（美国可再生能源实验室的电池未采用这些技术），不同生长技术会导致电池间的效率差距更小。
美国可再生能源实验室以60微米/小时的生长速度制造出效率达27%的电池，但这一速度仍远远低于可能达到的上限。Kevin Schulte表示：“我们已将太阳能电池的生长速度提高到每小时300微米，且并未发现电池有明显退化。”
为生产单异质结电池，Kevin Schulte及其同事在研究反应器的两个反应室之间交换晶圆位置。一个反应室进行生长时，气体流在另一个反应室中切换，为后续的外延层沉积做好准备。
这种操作方式为该团队实现线性反应器的宏伟愿景奠定了基础，其中线性反应器包含多个反应室，每个反应室可进行单层生长。在这种情况下，由于每一层所需的厚度不同，每个反应室的生长速度也有所不同。
使用不同前驱体可使动态HVPE的生长率更高、更省时，进而节约成本，除此之外，还能带来经济效益。MOCVD需要价格昂贵的金属有机化合物，而HVPE则需使用金属元素与无水HCl反应生成的前驱体。Kevin Schulte表示：“前驱体约便宜一个数量级。”
采用动态HVPE的III-V族太阳能电池生产商可能会首先瞄准卫星市场，因为该市场能够承担相对较高的成本。如果动态HVPE生长的III-V族太阳能电池能在卫星市场取得成功，那么其产量将会增加，有助于降低制造成本，进而可使生产商在地面市场寻求机会，如提供便携式电源或在空间有限的环境中发电。
III-V族器件的成本下降，是否能重新点燃人们对聚光光伏的兴趣，对此Kevin Schulte持怀疑态度。虽然低成本电池会提高相应技术的竞争力，但收益却微乎其微，因为系统的价格由光学及太阳跟踪系统等组件支配。
Kevin Schulte指出，大批量市场竞争激烈，导致多年来成本都有所降低，但聚光光伏却并未参与其中。他推断道：“问题在于硅的价格很便宜，速度也很快。”
建模见解
Kevin Schulte及其同事为加快开发高效单结电池，使用了一款名为ASFORS-HET的免费软件包，这款软件包先前可在线获取，并由柏林亥姆霍兹中心管理。
Kevin Schulte表示：“这是一款针对硅太阳能电池开发的器件物理模拟器，但对III-V族太阳能电池而言，其基本原理是一样的。”
这款软件包可在一分钟左右生成不同电池的电流-电压曲线，使研究团队能在几个月的时间内完善其器件设计。特别是研究人员能微调异质结结构中射极层的成分、厚度、掺杂。
纯粹的实验方法虽然也可以优化异质结电池，但通常需要对每个器件进行十次左右的校准运行。因此，要取得相同结果，需要进行数百次校准运行，从而花费大量时间和金钱。
Kevin Schulte及其同事还生产出一款效率为28%的双结电池。他表示，效率还可能达到更高的水平，并指出日本一团队已使用HVPE生产出效率为28.3%的III-V族器件。“如果我们有足够的时间来优化串联结构，那么我认为其效率可以达到30%或更高。”
然而，这并不是该团队的主要关注点。相反，他们的努力方向是制造面积更大的器件，并尝试在接近产业级的条件下验证动态HVPE。
在科罗拉多州安装试点系统有助于在这方面取得成功。这一新工具已于今年年初运抵，启动阶段目前进展顺利。
明年，Kevin Schulte及其同事有望共享这一工具的器件数据。如果这款规模较大的动态HVPE反应器取得成功，那么将有助于进一步证明该生长技术可批量生产高效III-V族电池，最终有助于推动此器件扩大市场机会。
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