借花献佛谈谈硅基层叠太阳能电池技术的基本技术要点

前言

用最小的代价提升光伏太阳能电池的光电转换效率是永恒不变的技术热点。（1）对现有量产电池和组件技术的修修补补，（2）开发出全新的太阳能电池， 必须要两手抓。兔子之前介绍了很多新型的技术包括PERC，PERL，HIT，IBC等等；今天来一个稍微遥远一点的，也是有好些兔子朋友关心的层叠太阳能电池技术（tandem，也叫叠层，串叠电池等等）。这篇主要想讲一讲为什么要叠，怎么叠，叠什么，期望叠出什么效果来？兔子着重分析自己比较喜欢的几篇文献，借用高人的笔墨试图说出些道道来。

1. 为什么要层叠？

一句话概括，单层电池极限效率低。此处直接甩出上古大神Shockley和Queisser的一张图。（顺便闲扯一句，William Shockley诺奖大神晶体管发明者，半导体和固体物理无数理论发现者，硅谷之父，闲暇之中随便甩出一个物理模型就够光伏圈吃一辈子了……）S-Q说，无论什么电池，如果只有一个结，从物理极限上看就只有30%光电转换效率的样子。

如果还要继续提升效率，就只有不同的电池取长补短，放在一起搞层叠。

2. 怎么层叠？

如果只考虑一个光子产生一个电子空穴对（实际上也基本如此），那能带宽度就是理论上对于一个太阳能电池最重要的指标。只有太阳光能量在太阳能电池能带宽度Eg附近的光子才能得到最有效的利用——能量太高就复合掉浪费掉了，能量太低没法激发电子空穴对则完全没用。可惜的是太阳能光谱能量分布很广，所以单一能带宽度的太阳能电池对太阳光的利用率只能是很低，也就是理论极限转换效率只能很低。自然而然的，提升极限效率的显然途径，就是同时加上N个有不同能带宽度的太阳能电池，同时发力，取长补短，实现全波段太阳光利用。

绝大多数的层叠电池都是从上而下的设计方案。也就是说，光首先透过第一层高带宽的光伏材料，短波长（高能量）的光被吸收掉，而长波长（低能量）的光则透过，到达第二层低带宽的光伏材料，被第二层材料加以利用。甚至可以加上第三，第四层能带更窄的材料，加以类推。这样使得整个光谱的光能的到最大程度的吸收。Green在2016的Nature Energy文章里面有所阐释。而另一种分光谱的电池技术此处不表。

3. 拿什么层叠？

已经实现商用化的层叠技术有两种，一种是曾经红极一时的非晶/微晶硅层叠薄膜电池，现在几乎已见不到大规模生产。另一种是三五族化合物层叠电池（GaInP, GaInAs，GaAs），效率很高但是价格奇贵，只能用于空间太阳能电池和聚光太阳能电池。这两种电池都是宽带隙材料在上，窄带隙材料在下，中间通过隧穿层连接，为串联的形式，电压从上到下增加，两层电池的电流保持一致。由于跟传统单结电池一样都是上下各一个正负电极，所以这种设计又被称为两极层叠电池。

尽管两级层叠电池结构简单（一体化结构），但是有着明显的缺点，即串联中必须有电流一致的要求。这种要求，对电池的设计搭配选材，都造成了很大的限制，影响到了极限理论效率。而最近提出的四极层叠电池则克服了这个缺点。在四极层叠电池中，上下两个电池只是机械的粘贴在一起，彼此只是有一个透光的互动，而电学上则是各有两个电极相互独立，所以放开了必须电流保持一致的限制，解放了极限效率。Lal在2014年的IEEE Journal of Photovoltaics文章里面有很好的诠释。

四极层叠电池的明显缺点则是结构复杂。更多的电池组件回路设计，甚至对变压器，逆变器都带来较大的挑战。

两极、四极哪家强？两家口水战可以打半天。笔者倾向于后者，毕竟光伏发展史多次证明，高效率才是王道，而工艺的复杂性则有可能找到解决的办法。

4. 拿什么跟晶硅层叠？

笔者认为，民用光伏，只有用晶硅作为底层，才可能有出路。三五族上卫星可以，商用没有降本的可能。晶硅工业底子厚不用多讲，单从技术上讲，作为衬底性能稳定可靠；湿法化学、真空、高温各种加工工艺随便上；在上面铺东西稳定可控，等等等等，优点可以数出一大堆。笔者几乎找不到可以替代晶硅的底层材料。

至于什么材料配合底层的晶硅，也不是随便乱找的，有严格的要求。这是因为作为顶层的材料本身就会吸光，吸掉的部分就没有办法被底层材料的晶硅所利用了 。这样如果顶层材料吸光产生的电能反而比不上没有顶层材料的时候硅自身产生的收益，就反而有损无益了。从效率上看是赔了夫人又折兵。在这个问题上，Lal又做了一个精彩的总结，见下图。从目前的技术发展趋势看，晶硅25%的量产效率那是指日可待。用25%作为标杆，把各个顶层候选材料一一罗列上去大比拼，看看层叠电池的最终效率如何，这就是Lal这篇文章的中心思想。填上去一看，按照现有的顶层薄膜材料的技术实力（效率），铜铟镓硒，非晶硅等等等等，贴上去纯粹是白搭！只有明星材料钙钛矿，如果按照现在技术发展趋势继续发展下去，才有希望作为顶层材料，效率超过25%，有可能获得层叠收益。

总结

兔子认为，层叠技术是突破极限效率的最佳途径，而硅基层叠太阳能电池是唯一可以有机会商业民用化的电池技术。硅基层叠太阳能电池对顶层薄膜电池的选择要求极高，目前只有钙钛矿电池还比较有希望。

前途光明，困难重重。

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