从诞生到蓬勃发展：1.6太阳电池的发展历程

自1839年法国贝克勒尔第一次在化学电池中观察到光伏效应后，科学工作者不断地探索研究各种太阳电池^[14]。1953年，美国科学家达里尔·恰宾（Daryl Chapin）、加尔文·富勒（Calvin Fuller）和吉拉德·皮尔松（Greald Pearson）在美国贝尔实验室首次制成了效率为6%的单晶硅太阳电池（见图1.13）为现代太阳电池开始的划时代标志^[15]。1957年，贝尔实验室的这三位科学家获得了“太阳能转换器件”的专利。1958年3月15日，前苏联“Sputnik（伴侣号）”发射成功。该卫星由晶体硅太阳电池提供动力，Sputnik的发射成功在政治、军事、技术、科学领域带来了新的发展，也标志着太阳电池迈开了“空间电源”的应用步伐。同年3月17日，美国人造卫星“Vanguard-1（先锋1号）”发射成功。“Vanguard-1”是一颗小型地球轨道卫星，该卫星由晶体硅太阳电池提供动力，效率10%，太阳电池持续提供该卫星驱动力至1964年5月。从此，太阳电池开始进入空间电源行列。

与此同时，为了寻找效率更高的太阳电池，Lofferski分析了太阳电池光电转换效率_η和禁带宽度E_g的关系，如图1.14所示，即禁带宽度为1.4～1.6eV的材料，如GaAs、InP和CdTe具有较高的理论效率^[15，16]。作为太阳电池中的重要一员，GaAs太阳电池的研究始于1956年。1961年，前苏联向金星成功发射了“Venera_-2（金星2号）”与“Venera-3（金星3号）”探测器。该探测器由GaAs太阳电池提供动力，电池阵列面积为2m²。但是，早期的GaAs太阳电池效率很低，甚至比Si电池低。最主要的原因是，上表面复合严重，影响了光生载流子形成短路电流。当时尚未找到一种合适的钝化材料，实现优良的钝化效果。直到1972年，Woodall等用液相外延技术（LPE）在GaAs表面生长一层宽禁带材料Al_xGa_1-xAs，极大地降低表面复合速率，光电转换效率提高至16%，开创了高效GaAs太阳电池的新纪元^[17，18]。但是，由于当时半导体技术还不是特别成熟，太阳电池的光电转换效率不高，难以与常规能源相竞争。因此，尚得不到公众、企业和政府的重视与支持。

图1.13 单晶硅太阳电池的发明人皮尔松（左上）、富勒（左下）和恰宾（右）

图1.14 理想光电转换效率与半导体太阳电池材料禁带宽度的关系(www.xing528.com)

1973年10月爆发的能源危机，使高度依赖石油的西方国家，迫切地认识到现在的能源结构必须改变，应加速向新的能源结构过渡。于是，在世界范围内掀起了对太阳能和其他可再生能源开发利用的热潮，巨额的研究经费投入了该领域。这一阶段的战略目标是生产出转换效率更高、材料更廉价的太阳电池。为了提高光电转换效率，Jackson提出了多结太阳电池的概念^[19，20]，即用不同带隙宽度（E_g）的材料制作成太阳电池，按带隙大小的顺序自上而下叠合起来，选择性地吸收和转换太阳光谱的不同区域，就有可能大幅度提高电池的转换效率，图1.15给出的叠层电池中，每个子电池可以选择性地吸收和转换特定谱域的阳光^[20]。为了进一步降低成本，多晶硅、非晶硅（a-Si）、铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）等新型薄膜太阳电池也得到了迅猛的发展^[21]。

20世纪90年代，得益于半导体技术的迅猛发展，太阳电池光电转换效率不断提高。目前，以澳大利亚新南威尔士大学钝化发射区电池、德国Fraunhofer太阳能研究所的局部背场电池及美国斯坦福大学的背面点接触电池等为典型代表的第一代晶体硅高效太阳电池，这类电池的实验室效率均已超过24%，大规模生产商用产品的效率为17%以上^[22]。第二代薄膜太阳电池也取得了令人瞩目的成就。目前，CuInSe₂和CdTe等薄膜电池的实验室效率目前分别为20.8%和18.7%^[21，22]。与此同时，通过规模化生产，光伏发电成本不断下降，全球的光伏产业也得以蓬勃发展，2013年，世界光伏产量超过30GW，其应用场合也不断拓展，如航天、航海、电子通信、光伏建筑一体化、农村电气化等。

图1.15 多结叠层太阳电池光谱吸收原理

此外，特别需要提及的是GaAs系列多结太阳电池的发展史，因为它的发展更深刻地反映了太阳电池发展并非一帆风顺，有高潮也有低谷，是在克服各种障碍和困难中不断前进的。1989年美国国家可再生能源实验室（NREL）的J.M.Olson等发现GaInP/GaAs的界面质量比AlGaAs/GaAs界面质量还要好^[23]。1990年，他们研制出AM1.5效率为27.3%的GaInP/GaAs/Ge双结太阳电池^[24]。经过对电池结构和栅线的进一步改进，1994年，他们又将效率刷新至29.5%（AM1.5）^[25]。1997年，Japan Energy Corporation和Sumitomo Electric Industrial Corporation这两家公司的Takamoto等人采用GaInP隧道结结构，又将GaInP/GaAs/Ge双结太阳电池的AM1.5效率提高到30.28%^[26]。1998年，他们又研制出效率为33.3%的整体级联三结GaInP/GaAs/Ge太阳电池^[27]。2012年，日本Sharp公司将未聚光条件下GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池的效率由32.3%刷新至35.8%^[28]。在上述工作的基础上，对四结乃至更多结太阳电池的研制工作也进一步展开。目前，德国夫琅禾费太阳能研究所最新报道GaInP/GaAs/GaInAsP/GaInAs太阳电池的光电转换效率已突破44.7%（297-sun）^[29]。