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2019-01-10 | 科技新報

串聯太陽能成趨勢,三五族半導體-矽電池轉換效率已達 22.3%

串聯太陽能成趨勢,三五族半導體-矽電池轉換效率已達 22.3%

為了解決當今太陽能轉換效率難突破窘境,各國科學家紛紛投入電池串聯技術,讓兩種材料攜手合作、盼能為光電技術帶來新氣象,而德國夫朗和斐協會太陽能研究所(Fraunhofer ISE)也不例外,近期結合矽與三五族半導體太陽能,成功將轉換效率提升到 22.3%。

串聯太陽能成趨勢,三五族半導體-矽電池轉換效率已達 22.3%

與單單一層太陽能電池相比,串聯技術有望大幅增加光電轉換效率,美國、澳洲、中國與英國等科學家也成功運用箇中道理,將轉換效率已突破至 22% 以上。目前轉換效率最高的串聯技術則是由瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)與瑞士電子和微技術中心(CSEM)攜手帶來的矽-鈣鈦礦太陽能,效率已高達 25.2%。

而最近德國 Fraunhofer ISE 也成功研發出串聯太陽能技術,且該成果可以說是「三層電池串聯技術」。這是因為該團隊是將磷化銦鎵(GaInP)、砷化鎵(GaAs)兩種三五族半導體電池跟矽電池相結合,打造出多接面太陽能電池(multi-junction cell)。
磊晶製程為太陽能串聯研究一大重點
相較於矽,人們或許會覺得三五族半導體這個名詞相當陌生,基本上他們是由元素週期表中三族的鋁、鎵、銦及五族的氮、磷、砷等元素所構成,通常都具有優異的光電轉換特性以及電子傳輸特性,為 LED、光電產業與通訊技術重要半導體材料。

只不過要讓三五族半導體跟矽攜手合作並非易事,其中主要方法有兩種,一是先讓三五族太陽能電池沉積在砷化鎵基板之上,再用半導體接合(bonding)技術把他們轉移到矽太陽能電池上,最後透過蝕刻技術將砷化鎵基板去除;第二個方法則比較便宜,就是透過磊晶技術讓三五族層直接「生長」在矽電池上。

▲ 圖為三五族-矽多接面太陽能電池結構與相關數據。

但技術便宜不代表過程簡單,科學家得密切注意材料原子結構,鎵跟磷原子排列必須要精準對上矽接面的晶格位置,而且晶格中的原子間距也不能太窄,必須要留空間給砷化鎵材料。因此 Fraunhofer ISE 團隊將矽與砷化鎵之間添入磷化鎵(GaP)的成核層和晶格形變(Metamorphic)緩衝層,希望可藉由最佳化緩衝層來解決上述挑戰。

Fraunhofer ISE 投入三五族-矽太陽能研究已超過 10 年,所幸近期終於有所突破,目前已大幅降低三五族-矽太陽能電池的缺陷密度,並將轉換效率提升到 22.3%。研究所所長 Andreas Bett 博士表示,磊晶技術為串聯太陽能電池的重要研究方法之一。

除此之外,三五族-矽磊晶技術也有望降低三五族太陽能板的成本。雖然三五族太陽能為歷史相當悠久的光電技術,NASA 早在 1950 年代就將該技術用在火星探測,當時轉換效率已達 27%,如今更是突破至 43.5%,但由於成本較為高昂,一直以來都無法邁向大規模商業化,而低成本的三五族-矽磊晶技術將有助於推動這一進展。
Are renewable technologies and recycling uncomfortable bedfellows? Photovoltaic Trend: Tandem Solar Cells – Record Efficiency for Silicon-based Multi-junction Solar Cell
(圖片來源:Fraunhofer ISE)

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