聚光多结太阳能电池的设计、制备及可靠性研究

【摘要】：随着全球能源危机和环境污染的日益加剧,开发利用新型可再生清洁能源已经成为人们生产、生活,维持社会可持续发展的迫切需求。近年来开发利用太阳能,光伏发电技术已经吸引了人们的普遍关注,其中聚光光伏发电技术以其独特的优势,如较高的转换效率和较低的发电成本,已被公认为最具潜力的地面应用发电技术。聚光型多结化合物半导体太阳能电池是聚光发电技术的核心器件,具有目前最高的光电转换效率,良好的温度特性,抗辐射性能好,以及寿命长等优点。本论文主要从电池结构设计、器件制备以及可靠性三个方面对聚光多结化合物半导体太阳能电池开展研究,具体研究内容如下： (1)开展聚光多结化合物半导体太阳能电池的理论研究和结构设计。首先将聚光Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge三结太阳能电池分成三个子电池,分别研究pn结掺杂浓度、界面特性、载流子迁移率等参数对各子电池性能的影响,其次设计并优化各子电池结构,其中考虑到高倍聚光测试要求,着重优化了GaInP顶电池发射层结构。最后完成子电池间电流匹配的优化设计,从而获得了高性能的聚光Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge三结太阳能电池,1000倍聚光测试下具有38.1%的转换效率。 (2)对聚光GaInP/InGaAs/Ge三结太阳能电池关键工艺技术进行研究。首先运用金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延生长技术,不断摸索外延生长工艺,克服外延反相畴、晶格匹配以及GaInP有序化等外延问题,进而生长完成高质量、高转换效率的单结子电池；优化高掺杂超薄外延层的生长条件,获得了峰值隧穿电流密度达150A/cm2的高性能GaAs隧穿结；完成高质量、低表面缺陷的三结太阳能电池的外延生长。其次优化设计电极占空比,获得优化的电极图形；设计并制备Al2O3/TiO2双层减反膜结构,使得电池短路电流提升33.3%。最后成功制备高效聚光GaInP/InGaAs/Ge三结太阳能电池,在1000倍聚光条件下实现了39.2%的转换效率。 (3)开展聚光多结化合物半导体太阳能电池的可靠性研究。首先运用三维(3-D)等效电路模型分别考察了光照和外接恒流源情况下电池表面缺陷的缺陷行为,发现对具有表面缺陷的三结电池进行作用,使用外接恒流源的方式将比直接光照的方式使电池衰退的更快。其次依据IEC62108检验标准,对表面良好和表面缺陷样品进行快速老化实验研究,老化测试结果表明,表面良好和表面缺陷样品性能衰退均在8%以内,完全满足IEC62108检验标准要求。 (4)开展新型Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳能电池的理论研究工作。首先,研究了应力补偿多量子阱GaAs太阳能电池在不同组分多量子阱In1-xGaxAs/GaAsyP1-y结构下的电池性能,与标准GaAs电池对比发现,应力补偿多量子阱GaAs电池具有较高的短路电流,但是开路电压和填充因子相对较低,电池效率低于标准GaAs电池。另外,提出了新型应力补偿多量子阱AlGaAs/GaAs电池结构设计,模拟结果显示新型电池结构具有比标准电池更高的短路电流和开路电压,但是填充因子较应力补偿多量子阱GaAs电池和标准电池低。其次,针对无定形GaInP/InGaAs/Ge三结电池的特殊结构,研究电池在不同位错密度下的性能变化,发现当位错密度大于106/cm2时电池转换效率明显降低。同时获得不同聚光倍数下电池的性能参数,300倍聚光下电池指出了最高的转换效率。最后,开展新型InGaN太阳能电池的理论研究,优化设计n-on-p型InGaN电池结构,获得了20.8%的较高转换效率,同时讨论位错密度对InGaN电池性能的影响,发现相比于GaAs太阳能电池,InGaN太阳能电池具有更好的稳定性和耐久性。 【关键词】：高倍聚光 化合物半导体太阳能电池 结构设计 外延生长 减反膜 可靠性
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 光伏技术应对全球能源危机11-13
• 1.2 光伏技术的发展概况及趋势13-16
• 1.3 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳能电池研究进展16-19
• 1.4 本文内容概述19-21
• 2 化合物半导体太阳能电池基本理论21-32
• 2.1 半导体pn结的光生伏特效应21-22
• 2.2 太阳能电池的特征参数22-26
• 2.3 化合物半导体太阳能电池基本结构26-28
• 2.4 化合物半导体多结太阳能电池工作原理28-32
• 3 聚光多结太阳能电池的结构设计和优化32-49
• 3.1 聚光多结太阳能电池的结构参数与理论模型32-35
• 3.2 聚光多结太阳能电池各子电池的结构设计和优化35-46
• 3.3 聚光多结太阳能电池整体结构的设计和优化46-48
• 3.4 本章小结48-49
• 4 聚光GaInP/InGaAs/Ge三结太阳能电池关键工艺技术研究49-76
• 4.1 多结太阳能电池外延生长与器件表征技术简介49-55
• 4.2 单结Ge底电池外延生长与表征55-60
• 4.3 具有高隧穿电流密度隧穿结的外延生长与表征60-61
• 4.4 单结InGaP顶电池的外延生长与表征61-65
• 4.5 聚光GaInP/InGaAs/Ge三结太阳能电池的外延生长与表征65-68
• 4.6 聚光GaInP/InGaAs/Ge三结太阳能电池电极图形的设计与优化68-71
• 4.7 聚光GaInP/InGaAs/Ge三结太阳能电池减反膜研究71-74
• 4.8 聚光GaInP/InGaAs/Ge三结太阳能电池性能表征74-75
• 4.9 本章小结75-76
• 5 聚光多结太阳能电池可靠性研究76-91
• 5.1 聚光多结太阳能电池检验标准76-77
• 5.2 聚光多结太阳能电池外延缺陷研究77-85
• 5.3 聚光多结太阳能电池可靠性试验研究85-89
• 5.4 本章小结89-91
• 6 新型Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳能电池的探索性研究91-115
• 6.1 应力补偿多量子阱GaAs太阳能电池的理论研究92-100
• 6.2 无定形GaInP/InGaAs/Ge三结太阳能电池的理论模拟100-106
• 6.3 新型InGaN太阳能电池的理论研究和结构设计106-114
• 6.4 本章小结114-115
• 7 总结与展望115-118
• 致谢118-119
• 参考文献119-129
• 附录1 攻读博士学位期间已发表或完成的论文129-130
• 附录2 攻读博士学位期间已授权或公开的专利130

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