一小指甲块大小的砷化镓光伏电池输出多少功率

导读：美国国家可再生能源实验室的科学家们通过将砷化镓薄膜堆叠在带有玻璃夹层的互插式背接触硅太阳能电池上，模拟出一种III-V太阳能电池。科学家们已经完成了一些初步的微型模块集成工作，但要达到商业化，终究还需要大幅扩大尺寸。该电池目前的有效面积为1平方厘米。

美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）的一组研究人员通过将砷化镓（GaAs）薄膜堆叠在带有玻璃夹层的背隙接触（IBC）硅太阳能电池上，模拟了一种四端串联的III-V太阳能电池。

该项目的主要研究人员Adele Tamboli表示：“虽然我们已经做了一些初步的微型模块集成工作，但要实现商业化，最终还需要大幅扩大尺寸，这些电池在解决了几个挑战之后可以达到商业化。组件电池都已经在工业规模上进行了演示。然而，成本仍然很高，需要降低。”

科学家们解释道：“该装置的有效面积为1平方厘米，据称与在同一研究水平上建造的类似电池相比，效率更高，因为砷化镓吸收层的厚度得到了优化。如果吸收层太薄，通过顶部电池的传输将增加，而高能量的光子将在较低的电压下被底部电池收集。如果吸收层太厚，接近吸收层材料的少数载流子扩散长度，产生的载流子将过早地重新结合，光子能量会以热量的形式损失掉。”

砷化镓电池是通过金属有机气相外延（MOVPE）在砷化镓衬底上生长的。吸收层的厚度在1.5到3.5微米之间，2.4微米最佳。厚度为300微米的IBC电池由德国的哈梅林太阳能研究所（ISFH）提供。学者们表示：“通过将处理过的砷化镓电池堆叠在非晶硅底层电池上，中间有一薄层用于反转的环氧树脂，来组装串联的电池，然后将得到的电池在室温下固化24小时。”

研究人员发现，当砷化镓厚度超过1.5微米时，所有用这种设计开发的四端串联电池的效率都超过了32%。一个吸收层厚度为2.8微米的电池显示出最高的顶部电池和串联效率，分别为26.38%和32.57%。研究小组强调：“虽然这里的砷化镓顶部电池的填充系数（FF）略有下降，但IBC底部电池表现出的效率比之前使用的硅异质结底部电池略高。”

单晶硅太阳能电池的结构主要包括正面梳状电极、减反射膜、N型层、PN结、P型层、背面电极等。单晶硅太阳能电池广泛用于空间和地面，这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料。将单晶硅棒切成片，经过一系列的半导体工艺形成PN结。然后采用丝网印刷法做成栅线，经过烧结工艺制成背电极，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片即可按所需要的规格用串联和并联的方法组装成太阳能电池组件(太阳能电池板)，构成一定的输出电压和电流。最后用框架进行封装，将太阳能电池组件组成各种大小不同的太阳能电池阵列。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，实验室成果也有20%以上的。

二、多晶硅太阳能电池

多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上，用相对薄的晶体硅层 作为太阳电池的激活层，不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性，而且材料的用量大幅度下降，明显地降低了电池成本。多晶硅薄膜太阳电池的工作原理与其它太阳电池一样，是基于太阳光与半导体材料的作用而形成光伏效应。太阳能电池使用的多晶硅材料多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化，然后注入石墨铸模中，即得多晶硅锭。这种硅锭铸成立方体，以便切片加工成方形电池片。多晶硅太阳能电池板的制作工艺与单晶硅太阳能电池板差不多，其光电转换效率约12%左右，稍低于单晶硅太阳能电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。

三、非晶硅太阳能电池

非晶硅太阳能电池由透明氧化物薄膜(TCO)层、非晶硅薄膜P-I-N层(I层为本征吸收层)、背电极金属薄膜层组成，基底可以是铝合金、不锈钢、特种塑料等。它与单晶硅和多晶硅太阳能电池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗更低。制造方法有多种，最常见的是用辉光放电法得到N型或P型的非晶硅膜。衬底材料一般用玻璃或不锈钢板。非晶硅太阳能电池很薄，可以制成叠层式，或采用集成电路的方法制造，可一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。目前非晶硅太阳能电池光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右。

四、多元化合物太阳能电池

硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，在广泛深入的应用研究基础上，国际上许多国家的碲化镉薄膜太阳电池已由实验室研究阶段开始走向规模工业化生产。

1、硫化镉太阳能电池：虽然光电效率已提高到9%，但是仍无法与多晶硅太阳能电池竞争。与非晶硅薄膜电池相比，制造工艺比较简单。

2、砷化镓太阳能电池：砷化镓与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30%，特别适合做高温聚光太阳能电池。由于镓比较稀缺，砷有毒，制造成本高，此种太阳能电池的发展受到影响。

3、铜铟硒太阳能电池：以铜、铟、硒三元化合物半导体为基本材料制成的太阳能电池。它是一种多晶薄膜结构，材料消耗少，成本低，性能稳定，光电转换效率在10%以上。因此是一种可与非晶硅薄膜太阳能电池相竞争的新型太阳能电池。

五、纳米晶体化学太阳能电池

染料敏化纳米晶体太阳能电池(DSSCs)主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。其阳极为染料敏化半导体薄膜(TiO2膜)，阴极为镀铂的导电玻璃。纳米晶体TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10，.寿命能达到20年以上。

六、叠层太阳能电池

叠层电池使得电池的性能可以得到叠加。太阳能电池的薄层化使其可以做得更薄，因此器件的叠层也变得更为现实可行。叠层电池可以是同种器件的叠层，也可以是异类器件的叠层。每一个叠层单元，由于感光部分的光响应性能不同，可分别吸收利用不同波段的太阳光。经过叠层，太阳光可以在全波段上都受到较好的吸收同时由于器件之间的耦合效应，整体的光能转换效率可以达到更高水平。

七、柔性太阳能电池

柔性太阳能电池板采用高晶硅材料制成，并用高强度、透光性能强的太阳能专用钢化玻璃以及高性能、耐紫外线辐射的专用密封材料层压制而成，有能抗冰雪、抗震、防压等多种优点，即使在温度剧变的恶劣条件下也能正常使用，。所以柔性电池能用在平板类太阳能电池难以胜任的许多领域，例如太阳能汽车、飞机、飞艇、建筑、纺织品、帐篷、服装、头盔，玩具等特殊曲面上。

俄专家研制出可连续使用12年免充电电池（砷化镓太阳能电池），电池密封结构内含有氚元素，内置的砷化镓三维传感器能将氚β粒子衰变释放的能量转化为电能，传感器表面有数量众多的小孔，增加了传感器的感应面积，大幅提高了电池的功效。

这种电池的输出功率虽然远小于普通电池，但它能够连续工作12年(氚的半衰期)不需要充电，可适用于医疗、军工和航天领域中要求低电流、长期供电的设备上，如心脏起搏器等装置。

1、光电转化率：

砷化镓的禁带较硅为宽，使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好。硅电池的理论效率大概为23%，而单结的砷化镓电池理论效率达到27%，而多结的砷化镓电池理论效率更超过50%。

2、耐温性

常规上，砷化镓电池的耐温性要好于硅光电池，有实验数据表明，砷化镓电池在250℃的条件下仍可以正常工作，但是硅光电池在200℃就已经无法正常运行。

3、机械强度和比重

砷化镓较硅质在物理性质上要更脆，这一点使得其加工时比容易碎裂，所以，常把其制成薄膜，并使用衬底（常为Ge[锗]），来对抗其在这一方面的不利，但是也增加了技术的复杂度。

技术上解决这一困难的途径有两条：一是采用薄膜太阳电池，二是采用聚光太阳电池，减小对原料在量上的依赖程度。常用薄膜电池转化率较低，因此新型的高倍聚光电池系统受到研究者的重视[1]。聚光太阳电池是用凸透镜或抛物面镜把太阳光聚焦到几倍、几十倍，或几百倍甚至上千倍，然后投射到太阳电池上。这时太阳电池可能产生出相应倍数的电功率。它们具有转化率高，电池占地面积小和耗材少的优点。高倍聚光电池具有代表性的是砷化镓（GaAs）太阳电池。

GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温。与硅太阳电池相比，GaAs太阳电池具有较好的性能