多接面太阳能电池的效率提升至41.1%

    去年7~9月间，位于德国弗莱堡(Freiburg)的Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (全欧洲最大研究中心Fraunhofer-Gesellschaft 80个研究机构之一，简称FhG-ISE)，将太阳能电池的欧洲纪录由37.6%增加至39.7%，几经努力，终于实现多接面太阳能电池新的世界纪录-超过美国能源部再生能源实验室(Department of Energy’s National Renewable Energy Laboratory)之前的40.8%。 

图一、Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As/Ge多接面太阳能电池，面积 5.09mm² 

    如此高效率的多接面太阳能电池主要是用于聚焦型光伏系统(concentrating photovoltaic，简称CPV)，直接转换太阳的日照作为整个城镇电力的来源。将太阳光聚焦在一个很小(5mm²)的多接面太阳能电池上，在相当于454个太阳的能量下可以达到41.1%的转换效率，甚至在更高能量880个太阳的照射之下仍可量测到40.4%，这个电池可在一个宽的日照强度内使用，并得到超过40%的转换效率。  

    就如同FhG-ISE之前的电池，新的电池仍采用变形外延的三接面结构，晶格不匹配的Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As/Ge(磷化铟镓和砷化铟镓沉积于锗基板)三层结构。与传统的太阳能电池相比，分离的半导体材料彼此没有相同的晶格常数，所以只能利用变形外延来结合这两层，因此很难得到高质量的膜层，另外两层材料之间因不同的晶格常数，结合后容易产生应力，造成插排或是其它的晶格缺陷。

    由法兰克博士(Frank Dimroth)领军的III-V族磊晶与太阳能电池团队，FhG-ISE克服上述之困难，使缺陷局限于电子非活跃区，而活跃区则保留相对的无缺陷，这是要达到高转换效率不可或缺的因素之一。“这是一个很好的例子，告诉我们如何利用技术上的突破达到控制半导体的结晶缺陷”Fraunhofer ISE的院长艾克韦伯(Eicke R. Weber)博士提到。 

    多接面太阳能电池中的变形外延可以使用多种III-V族化合物半导体，这个高效率的电池结构，由合适的材料组成，可以将太阳光区分为三个波段分别来吸收。研究员提到，这是一个重要的结论，就是利用一系列材料连接形成的太阳能电池，其组件的电流将会被最小电流的那部份给局限，而利用变形外延的电池Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As/Ge，可以使电流匹配，完整的输出(多接面电池结构的三个次电池皆产生相近的电流)，这也是此电池可以达到高转换效率的重要原因之一。

图二、填充常数，效率与太阳集中常数作图 (数据由Fraunhofer ISE CalLab 量测)

    去年Fraunhofer ISE 将转换效率由37.6% 提升至 39.7% 通过调整前端金属细线的接触结构具有较低的阻值可以传递较大的电流，因此比较适合太阳集中常数 300~600。法兰克提到，最新的电池则改变前端金属细线的图形，并具有较佳质量的膜层。为了让整个技术与现有技术般具有竞争力，迅速且可行，Fraunhofer ISE与德国海尔布隆(Heilbronn)的Azur Space共同合作，并技转同样位于弗莱堡的Concentrix Solar GmbH。“与其它聚焦型光伏系统相比，我们的高效率太阳能电池是降低发电成本最有效率的方法” Fraunhofer ISE的所长安德鲁贝特博士(Andreas Bett)提到。Fraunhofer ISE藉由新的高转换效率电池往目标迈进一大步，很快的，光伏发电的成本便可与传统发电竞争。

    法兰克博士认为经由改变电池的结构将有助于使这类型电池具有长远的优势，并使效率提升至42~43%。过去15年Fraunhofer ISE的研究员致力于III-V族多接面太阳能电池应用于聚焦型光伏系统的研究，由初期德国联邦教育研究部(German Federal Ministry of Education and Research，简称BMBF)的支持，如今同时获得德国联邦环境、自然保育暨核子安全署、智慧能源决策局(German Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety，简称BMU)提供金援，作为博士生的奖助学金，未来，将以更快更好的研究结果与世人分享。