II-VI族材料在疊層太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用
II-VI 族材料ZnSe、CdSe、ZnTe、CdTe 等具有禁帶寬度大, 少子壽命對(duì)位錯(cuò)不敏感等優(yōu)點(diǎn), 可以作為一種新的材料體系應(yīng)用于疊層太陽(yáng)能電池中。此類材料既能夠與銅銦鎵硒電池、III-V 族材料、單晶Si 等相結(jié)合, 也可將不同的II-VI 族材料相結(jié)合制備多結(jié)電池。本文介紹了上述幾種思路的理論及實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀, 以及II-VI 族材料頂電池的研究進(jìn)展; 同時(shí)分析了阻礙II-VI 族半導(dǎo)體材料應(yīng)用的單極性摻雜問題, 介紹了提高摻雜水平可能的途徑。
太陽(yáng)能的特點(diǎn)是能量總量大, 輻射面積大, 能量分布寬, 而能量密度小, 收集利用比較困難。傳統(tǒng)單結(jié)太陽(yáng)能電池主要有兩部分效率損失: 一是小于禁帶寬度(Eg) 的光子不被吸收, 二是被激發(fā)的高能電子和空穴在與晶格碰撞遷移至帶邊的過程中, 大于Eg 的能量轉(zhuǎn)化為熱能。疊層太陽(yáng)能電池由一系列Eg 不同的子電池組成, 高能光子被頂層Eg 較大的子電池收集, 低能光子被底層E g 較小的子電池收集, 從而能更有效地利用不同波長(zhǎng)光子的能量。
當(dāng)前研究最深入、應(yīng)用最廣泛的疊層電池主要由GaAs 為代表的III-V 族材料制備, 在高倍聚光條件下使用。設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮子電池間的電流匹配,通過生長(zhǎng)組分漸變緩沖層解決外延材料間的晶格失配。已制備出位錯(cuò)密度小于106 cm-2、效率41.1%(AM1.5, 454 suns) 的三結(jié)電池。而自頂部開始外延的倒生長(zhǎng)方式能保證對(duì)效率貢獻(xiàn)最大的頂電池中位錯(cuò)密度最低, 可小于5×104 cm-2, 整個(gè)三結(jié)電池的效率為40.8%( AM1.5, 326 suns) 。但常用的GaAs 基、I nP 基III-V 族材料中缺少E g 大于2.0 eV 的頂電池用材料, 以及Eg 在1.0~1.3 eV 之間且與GaAs 晶格匹配的高質(zhì)量材料。含Al 的III-V 族材料雖然Eg 較大, 但對(duì)水和氧敏感 ; InGaN 的Eg 可在0.7~ 3.2 eV 內(nèi)調(diào)節(jié), 但較高的In 組分容易使InN 相分離。因此III-V 族疊層電池難以充分利用太陽(yáng)光譜。另外GaInAs、GaInP等III-V 族材料的少子壽命受位錯(cuò)影響大, 需盡可能地晶格匹配生長(zhǎng)并使用緩沖層以提高少子壽命,這就限制了材料選擇的靈活性, 提高了對(duì)生長(zhǎng)工藝的要求。因此開發(fā)新的材料體系能夠?yàn)楦玫仄ヅ涮?yáng)光譜提供更廣闊的空間, 其中探索II-VI 族材料在疊層太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用就是近年來新興的研究方向之一。
II-VI 族材料的特點(diǎn)
II-VI 族材料指IIB 族和VIA 族元素組成的二及多元化合物, 其中在太陽(yáng)能電池等光電器件方面研究較多的是IIB 族的Zn、Cd、Hg 和VIA 族的S、Se、Te 組成的化合物。這些化合物均為直接帶隙材料,在可見光區(qū)域吸收系數(shù)一般可達(dá)104cm- 1以上,適宜制備薄膜器件。而且除含Hg 的化合物Eg 較小或?yàn)榘虢饘偻? 大部分II-VI 族材料的Eg 大于同周期的III-V 族材料, 因而能獲得更高的開路電壓(Voc ) 。同時(shí)多數(shù)II-VI 族材料為閃鋅礦結(jié)構(gòu), 容易與其它立方相材料相結(jié)合。此外, 這類材料的離子性強(qiáng), 少子壽命對(duì)位錯(cuò)不敏感, 在制備時(shí)可適當(dāng)放寬對(duì)晶格匹配和晶體質(zhì)量的要求, 采取簡(jiǎn)單的工藝就可能生產(chǎn)出高質(zhì)量的電池。除了材料性能的優(yōu)勢(shì)外, 含Zn、Cd、Te 的材料比含Ga、As、P 的材料成本更低, 更利于生產(chǎn)較大面積、中等聚光條件(100~ 200suns) 下應(yīng)用的電池, 這對(duì)降低聚光系統(tǒng)的技術(shù)要求和電池系統(tǒng)的總成本都十分有益。雖然II-VI 族材料擁有以上優(yōu)勢(shì), 但這類化合物熔點(diǎn)高, 組成化合物的元素蒸氣壓高, 缺乏大尺寸的體單晶襯底, 制備高質(zhì)量的單晶薄膜材料仍存在一定困難。除CdTe 外, 其它II-VI 族化合物一般呈現(xiàn)單極性摻雜特征, 例如ZnSe 和CdSe 難以實(shí)現(xiàn)高的p型摻雜, 而ZnTe 難以實(shí)現(xiàn)高的n 型摻雜。這是因?yàn)镮I-VI 族材料E g 大且本征缺陷多為兩重施主或受主, 當(dāng)本征缺陷被補(bǔ)償時(shí), 會(huì)釋放出接近2Eg 的能量, 有利于體系總能量的降低, 故容易自發(fā)地形成本征缺陷并出現(xiàn)補(bǔ)償。因此單極性問題也是應(yīng)用II-VI 族材料時(shí)面臨的一個(gè)主要障礙。
疊層太陽(yáng)能電池通過各個(gè)子電池吸收和轉(zhuǎn)化不同波段的光子能量, 可以有效地提高電池的光電轉(zhuǎn)化效率。II-VI 族材料擁有禁帶寬度大、少子壽命對(duì)位錯(cuò)不敏感等優(yōu)勢(shì), 將其與Si、CIGS 電池或III-V 族材料相結(jié)合來制備疊層電池為進(jìn)一步提升電池效率提供了新的契機(jī)。目前實(shí)驗(yàn)上主要進(jìn)行了II-VI 族材料單結(jié)頂電池的初步研究。為了更好地發(fā)揮IIVI族材料在疊層電池中的優(yōu)勢(shì), 還需要繼續(xù)提高IIVI族單極性材料的摻雜水平, 實(shí)現(xiàn)更精確的多元化合物組分控制, 不斷探索界面控制和處理方式, 同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化和細(xì)化電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
