新的太阳能电池记录

发布日期：2020年8月10日 / 更新日期：2020年8月17日 – 作者：Konrad Wolfenstein

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效率同步提升——太阳能电池创下新纪录

光伏研究正致力于不断提高太阳能电池的效率。串联光伏技术日益受到关注，该技术将高性能太阳能电池材料以各种方式组合，以更高效地利用太阳光谱将光能转化为电能。弗劳恩霍夫太阳能系统研究所 (Fraunhofer ISE) 近日公布了一项新的纪录：直接在硅衬底上生长的 III-V/Si 串联太阳能电池的效率达到了 25.9%。这是首个在经济高效的硅衬底上生产的电池，是实现串联光伏技术经济可行性解决方案的重要里程碑。.

多个 III-V 族串联太阳能电池安装在直径为 10 厘米的硅衬底上 – © Fraunhofer ISE – 摄影：Markus Feifel

弗劳恩霍夫太阳能系统研究所 (ISE) 多年来一直致力于多结太阳能电池的研究。这种电池由两到三个子电池堆叠而成，能够将不同波长的太阳光转化为电能。硅非常适合作为红外光谱的吸收层，其上涂覆几微米厚的 III-V 族半导体薄膜。这些材料来自元素周期表的 III 族和 V 族，能够更高效地将紫外光、可见光和近红外光转化为电能。纯 III-V 族半导体太阳能电池已应用于航天和聚光光伏发电领域。更经济高效的工艺，结合硅作为底层子电池，旨在使这种串联技术在未来能够广泛应用于光伏发电领域。然而，这项技术仍有很长的路要走。.

直接硅基生长的III-V/Si串联太阳能电池的效率为25.9%。

制造III-V族和硅太阳能电池的组合方法多种多样。自2019年以来，弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraunhofer ISE）一直保持着串联太阳能电池34.1%（现为34.5%）的世界效率纪录。该串联太阳能电池采用的工艺是将III-V族半导体层从砷化镓衬底转移到硅衬底上，然后通过晶圆键合将各层粘合在一起。这项技术效率高但成本昂贵。因此，弗劳恩霍夫太阳能系统研究所多年来一直致力于研发更直接的制造工艺，即将III-V族层沉积或外延键合到硅太阳能电池上。保持所有层的高晶体质量至关重要，这也是一项巨大的挑战。如今，直接在硅衬底上生长的III-V/Si串联太阳能电池的效率已达到25.9%，创造了新的世界纪录。弗劳恩霍夫太阳能系统研究所 (Fraunhofer ISE) 的科学家马库斯·费费尔 (Markus Feifel) 近日在第47届IEEE光伏专家会议上展示了他的研究成果。与如今许多会议一样，本次会议也在线上举行。费费尔荣获混合串联太阳能电池类别的学生奖。这位年轻的太阳能电池研究员解释说：“电池内部复杂的结构从外部无法看到，因为所有吸收层都相互连接，并通过额外的晶体层进行电气连接。” 他表示，在不到一年的时间里，他成功地将电池效率从24.3%提高到了25.9%。他继续说道：“这一成功是通过替换多层电池中的一个薄层实现的。对电池的仔细分析表明，这个薄层阻碍了电流的传导。”

自2007年以来，弗劳恩霍夫研究所的研究人员与伊尔梅瑙工业大学、马尔堡菲利普大学以及艾克斯通公司合作，逐步开发这项技术，构建专用外延系统并对结构的每一层进行研究。这些研发工作由德国联邦教育与研究部（BMBF）在“III-V-Si”和“MehrSi”项目框架内资助。这种新型串联太阳能电池的一大亮点在于，其III-V族层并非像以往那样生长在经过化学和机械抛光的衬底上，而是生长在硅片上。晶体切割完成后，硅片采用一种简单且经济高效的研磨和蚀刻工艺进行处理。丹麦Topsil公司在欧洲“SiTaSol”项目框架内开发了这些硅片，从而朝着经济高效地生产新型多结太阳能电池迈出了重要一步。未来，重点将放在进一步提高效率、加快薄膜沉积速度、提高吞吐量以及降低成本上，目标是使串联光伏技术能够为能源转型所需的光伏产业扩张做出重要贡献。.

能源转型的关键技术

在世界许多地区，太阳能电池发电目前是最具成本效益的能源生产方式。“欧洲光伏研究正在探索多种方案，以进一步提高这项能源转型关键技术的效率，”光伏研究负责人斯特凡·格伦茨教授表示，“我们不仅致力于使硅太阳能电池的生产更具可持续性和成本效益，还在探索将成熟的硅与其他半导体材料结合，以实现更高效率的新途径。我们正在通过串联光伏技术来实现这一目标。”串联光伏技术不仅为未来的电力生产铺平了道路，而且由于其更高的电压，这些太阳能电池也非常适合用于电解，即直接将水分解成氢气和氧气。因此，这项技术也有助于生产氢气，氢气既是储能介质，也是能源转型的重要组成部分。.

III-V族/Si多结太阳能电池的层状结构 – © Fraunhofer ISE

III-V/Si多结太阳能电池的层状结构、量子效率以及在AM 1.5g光谱条件下的I-V特性

效率同步提升——太阳能电池创下新纪录

光伏研究正致力于不断提高太阳能电池的效率。目前，研究重点日益集中于串联光伏技术，该技术将高性能太阳能电池材料以各种组合方式结合在一起，以更有效地利用太阳光谱将光能转化为电能。弗劳恩霍夫太阳能系统研究所 (Fraunhofer ISE) 近日宣布，其在硅衬底上直接生长的 III-V/Si 串联太阳能电池的效率达到了 25.9%，创下新的纪录。这是首次在低成本硅衬底上制备出这种电池，也是实现串联光伏技术经济解决方案的重要里程碑。.

多个 III-V 族串联太阳能电池安装在直径为 10 厘米的硅衬底上 – © Fraunhofer ISE – 摄影：Markus Feifel

弗劳恩霍夫太阳能系统研究所 (ISE) 多年来一直致力于多结太阳能电池的研究。在这种电池中，两到三个子电池上下排列，以将不同波长的太阳光转化为电能。硅适合作为红外光谱的吸收层，而III-V族半导体（元素周期表第III族和第V族的材料）层则沉积在其上，这些半导体能够更高效地将紫外光、可见光和近红外光转化为电能。纯III-V族半导体太阳能电池已应用于航天和聚光光伏发电领域。通过更经济高效的工艺，并结合硅作为最底层子电池，这种叠层技术有望在未来应用于更广泛的光伏发电领域。然而，距离这一目标还有很长的路要走。.

直接在硅上生长的 III-V/Si 串联太阳能电池的效率为 25.9%

生产III-V族和硅太阳能电池的组合有多种方法。例如，自2019年以来，弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraunhofer ISE）一直保持着串联太阳能电池34.1%（现为34.5%）的世界效率纪录。该串联太阳能电池采用的方法是将III-V族半导体层从砷化镓衬底转移到硅衬底上，并通过所谓的晶圆键合连接各层。这项技术效率高但成本昂贵。因此，弗劳恩霍夫太阳能系统研究所多年来一直致力于研发更直接的制造方法，即将III-V族层沉积或外延生长到硅太阳能电池上。在这种方法中，保持所有层的高晶体质量至关重要——这是一项巨大的挑战。目前，直接在硅上生长的III-V/Si串联太阳能电池的效率已达到25.9%，创下新的世界纪录。弗劳恩霍夫太阳能系统研究所 (Fraunhofer ISE) 的科学家马库斯·费费尔 (Markus Feifel) 近日在第47届IEEE光伏专家会议上展示了他的研究成果。与目前许多会议一样，本次会议在线举行。费费尔凭借混合串联太阳能电池项目荣获学生奖。“从外部看，电池复杂的内部结构是不可见的，因为所有吸收层都通过额外的晶体层相互连接，并进行了电气连接，”这位年轻的太阳能电池研究员解释道。他利用这一成果，在不到一年的时间里，将电池的效率从24.3%提升到了25.9%。“这一成功是通过替换多层电池中的一个薄层实现的，”他继续说道，“我们对电池的仔细分析表明，这个薄层阻碍了电力线的传输。”

自2007年以来，弗劳恩霍夫研究所的研究人员与伊尔梅瑙工业大学、马尔堡菲利普大学以及艾克斯通公司合作，逐步推进这项技术的研发，他们搭建了专门的外延设备，并对结构的每一层进行了检测。这些研发工作由德国联邦教育与研究部（BMBF）资助，是“III-V-Si”和“MehrSi”项目的一部分。这种新型串联太阳能电池的一大亮点在于，III-V族层并非像以往那样生长在化学机械抛光衬底上，而是生长在硅片上。硅片在切割出晶体后，仅通过简单的研磨和蚀刻工艺进行处理。丹麦Topsil公司在欧洲“SiTaSol”项目中开发了这些硅片，从而实现了新型多结太阳能电池经济化生产的重要一步。未来，目标是进一步提高效率，并以更高的吞吐量和更低的成本实现薄膜的更快沉积，从而使串联光伏技术能够为能源转型所需的光伏扩张做出重要贡献。.

能源系统转型关键技术

在当今世界许多地区，太阳能电池发电是最经济的能源生产方式。“欧洲光伏研究正在探索多种方案，以进一步提升这项能源转型关键技术的效率，”光伏研究部主任斯特凡·格伦茨教授说道。“我们不仅致力于使硅太阳能电池的生产更加可持续和经济高效，同时也在开拓创新，力求将成熟的硅与其他半导体材料结合，实现更高的效率。我们正在通过串联光伏技术来实现这一目标。串联光伏技术不仅为未来的发电方式开辟了道路，而且由于其更高的电压，这些太阳能电池也非常适合电解，即直接将水分解成氢气和氧气。因此，这项技术也有助于氢气的生产，氢气既是储能介质，也是能源转型的重要组成部分。”.

III-V族/Si多结太阳能电池的层状结构 – © Fraunhofer ISE

III-V/Si多结太阳能电池的层状结构、量子效率以及在AM 1.5g光谱条件下的I-V特性