化合物太阳电池技术优化方案

化合物是由两种以上的元素构成的物质。化合物 (Compound) 太阳电池一般使用GaAs、InP、CdS/CdTe等化合物半导体材料，化合物太阳电池主要有Ⅲ～Ⅴ族 (镓Ga (Ⅲ族) 和砷As (Ⅴ族)，铟In (Ⅲ族) 和磷P (Ⅴ族)) 以及Ⅱ～Ⅵ族 (镉Cd (Ⅱ族) 和硫磺S (Ⅵ族)，镉Cd (Ⅱ族) 和碲Te (Ⅵ族)) 等种类，除此之外，还有CIS以及CIGS太阳电池等种类。与硅材料的太阳电池相比，化合物太阳电池具有波带宽、光吸收能力强、转换效率高、可做成薄膜、柔软、节省资源、重量轻、制造成本较低等特点。化合物太阳电池将成为下一代新型电池。

1.GaAs、InP太阳电池

由Ⅲ～Ⅴ族半导体组合而成的太阳电池有砷化镓GaAs、磷化铟InP等太阳电池，目前已经得到应用。它是在GaAs单晶衬底上，将Ⅲ～Ⅴ族半导体薄膜制成层状 (即制膜)，虽然结晶和薄膜的制造成本不是太高，但其转换效率较高。由于GaAs、InP太阳电池具有较强的耐放射线特性，能够适应宇宙空间的使用要求，所以目前主要用于人造卫星、空间实验站等宇宙空间领域。

在转换效率方面，目前芯片为25%左右，而使用聚光镜的聚光型太阳电池的转换效率已超过40%以上。Ⅲ～Ⅴ族太阳电池的转换效率较高的原因是由于Ⅲ～Ⅴ族半导体的光吸收率较高，如Ⅲ～Ⅴ族半导体 (在光子能量1.5eV附近) 光吸收率比硅半导体 (在光子能量1.25eV附近) 光吸收率高2位数，可高效地吸收光能。另外，GaAs半导体的能带为1.43eV，比晶硅半导体1.11eV要高，虽然性能较好，但由于镓、铟等原材料产量较少，而且价格较高，所以原材料供给不太稳定。

GaAs与硅、锗具有同样的半导体性质，这样组合而成的半导体称为化合物半导体。图3.11为Al GaAs-GaAs太阳电池的构成，主要由正电极、P型 (Al GaAs)、P型 (GaAs)、N型 (GaAs) 以及负电极构成。该太阳电池的N型半导体使用GaAs化合物，而P型半导体使用Al GaAs化合物，即在GaAs化合物中加入铝Al材料作为不纯物制成的化合物。其芯片的转换效率达到26%左右，聚光型太阳电池的转换效率已超过40%，图3.12为GaAs太阳电池组件。

图3.11 GaAs太阳电池的构成

图3.12 GaAs太阳电池组件

In与P组合而成的InP太阳电池与GaAs太阳电池基本相同，具有较强的宇宙放射线防护作用，即使遭到宇宙放射线的破坏，它具有较好的自恢复能力，因此， InP太阳电池可在放射线较强的空间环境中使用。需要指出的是，InP和GaAs半导体可在积层太阳电池中使用，以提高太阳电池的转换效率等。

2.CdS/CdTe太阳电池

由Ⅱ～Ⅵ族组合而成的太阳电池有硫化镉 (镉Cd (Ⅱ族) -硫磺S (Ⅵ族))，碲化镉 (镉Cd (Ⅱ族) 和碲Te (Ⅵ族)) 等太阳电池。但一般使用由二者组合而成的CdS/CdTe太阳电池，其中CdS为N型，CdTe为P型。

图3.13为印刷方式制成的CdS/CdTe太阳电池的构成。主要由玻璃衬底、透明电极膜、N型CdS、P型CdTe以及背面电极等组成。CdS/CdTe太阳电池的转换效率因制造方法的不同而不同，采用印刷方式可实现低成本、大面积制造，目前小面积芯片的转换效率为12.8%左右。而采用真空蒸镀法时，小面积薄膜太阳电池芯片的转换效率约为16%，大面积的为11%左右。目前正在研发高效率的太阳电池。(www.xing528.com)

CdTe太阳电池的光吸收波长范围如图3.14所示。由于由镉等半导体构成的CdTe太阳电池的太阳光吸收波长范围较广，有较强的光吸收能力，能带为1.5eV，可将半导体做成薄膜，形成薄膜太阳电池。另外，在普通的玻璃衬底上可低温制成多结晶膜，所以可制成成本低、转换效率较高的太阳电池。这种太阳电池可采用印刷方式制成，不需大型真空设备，可大大节省设备投资，降低制造成本。同时由于制造所使用的原材料较少，回收时间约为1年，制造时的排放较少，对环境影响较少。不过由于这种电池具有较强的毒性，所以应用受到一定的限制。

图3.13 CdS/CdTe太阳电池的构成

图3.14 CdTe太阳电池的光吸收波长范围

3.CIS/CIGS太阳电池

化合物太阳电池有GaAs、InP以及CdS、CdTe等太阳电池，它们分别由Ⅲ～Ⅴ族以及Ⅱ～Ⅵ族材料构成，由于Ⅱ族处在Ⅰ族与Ⅲ族之间，所以出现了Ⅰ-Ⅲ-2Ⅵ组合的CIS以及CIGS太阳电池。CIS太阳电池由铜Cu (Ⅰ族) -铟In (Ⅲ族) -硒Se2(Ⅵ族) 构成，称为铜铟硒太阳电池。而CIGS太阳电池则在CIS太阳电池中加入了镓Ga (Ⅲ族) 而构成，称为铜铟镓硒太阳电池。CIGS太阳电池的组成比可用Cu(In1-x Gax) Se2表示，Ga的组成x从0～1变化时，半导体的能带则从1.0～1.7eV变化，可见控制x可使太阳电池的组成达到最佳。CIGS太阳电池的组成x为0时，则为CIS太阳电池。

图3.15为CIS/CIGS太阳电池的构成，主要由负电极、N型、P型、正电极以及玻璃衬底等构成，N型为透明导电膜，P型使用CIGS材料。图3.16所示为CIS/CIGS太阳电池组件。由于CIGS太阳电池使用黄铜矿系的半导体材料，具有较高的光吸收率，因此其发电层很薄，除去玻璃衬底的厚度仅为1～2μm左右，只有晶硅太阳电池厚度的1/100，这种电池具有节省资源、降低制造所需能源、容易量产、可连续大量生产等特点。衬底除了玻璃之外，也可使用金属箔、塑料等较轻且柔软的材料作为衬底制成太阳电池，作为下一代薄膜太阳电池受到关注。由于CIS/CIGS太阳电池具有极高的光吸收率，其理论转换效率可达25%～30%以上，目前组件转换效率为14%左右，对于CIGS半导体材料，可改变其厚度方向的组成，控制光吸收波长范围，将来有望进一步提高转换效率。

CIS/CIGS太阳电池组件的构成与晶硅太阳电池组件不同，晶硅太阳电池组件由芯片组成，如果由于阴影的影响则出现不发电的芯片，从而导致系统出力下降，而在CIS/CIGS太阳电池组件中阴影可能会影响部分出力，但对整个系统的出力影响不大。CIS/CIGS太阳电池已经在发电等领域得到广泛应用，由于其良好的发电特性，将来可能超过晶硅太阳电池，成为太阳能发电的主力电池。CdS/CdTe太阳电池以及CIS/CIGS太阳电池的转换效率虽比Ⅲ～Ⅴ族太阳电池的转换效率低，但由于制造成本较低等，所以在宇宙空间以外，即地面上正在得到越来越多的应用。

图3.15 CIS/CIGS太阳电池的构成

图3.16 CIS/CIGS太阳电池组件