去年7~9月間，位于德國弗萊堡(Freiburg)的Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (全歐洲最大研究中心Fraunhofer-Gesellschaft 80個研究機構(gòu)之一，簡稱FhG-ISE)，將太陽能電池的歐洲紀錄由37.6%增加至39.7%，幾經(jīng)努力，終于實現(xiàn)多接面太陽能電池新的世界紀錄-超過美國能源部再生能源實驗室(Department of Energy’s National Renewable Energy Laboratory)之前的40.8%。 

圖一、Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As/Ge多接面太陽能電池，面積 5.09mm² 

    如此高效率的多接面太陽能電池主要是用于聚焦型光伏系統(tǒng)(concentrating photovoltaic，簡稱CPV)，直接轉(zhuǎn)換太陽的日照作為整個城鎮(zhèn)電力的來源。將太陽光聚焦在一個很小(5mm²)的多接面太陽能電池上，在相當于454個太陽的能量下可以達到41.1%的轉(zhuǎn)換效率，甚至在更高能量880個太陽的照射之下仍可量測到40.4%，這個電池可在一個寬的日照強度內(nèi)使用，并得到超過40%的轉(zhuǎn)換效率。  

    就如同F(xiàn)hG-ISE之前的電池，新的電池仍采用變形外延的三接面結(jié)構(gòu)，晶格不匹配的Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As/Ge(磷化銦鎵和砷化銦鎵沉積于鍺基板)三層結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的太陽能電池相比，分離的半導(dǎo)體材料彼此沒有相同的晶格常數(shù)，所以只能利用變形外延來結(jié)合這兩層，因此很難得到高質(zhì)量的膜層，另外兩層材料之間因不同的晶格常數(shù)，結(jié)合后容易產(chǎn)生應(yīng)力，造成插排或是其它的晶格缺陷。

    由法蘭克博士(Frank Dimroth)領(lǐng)軍的III-V族磊晶與太陽能電池團隊，F(xiàn)hG-ISE克服上述之困難，使缺陷局限于電子非活躍區(qū)，而活躍區(qū)則保留相對的無缺陷，這是要達到高轉(zhuǎn)換效率不可或缺的因素之一?！斑@是一個很好的例子，告訴我們?nèi)绾卫眉夹g(shù)上的突破達到控制半導(dǎo)體的結(jié)晶缺陷”Fraunhofer ISE的院長艾克韋伯(Eicke R. Weber)博士提到。 

    多接面太陽能電池中的變形外延可以使用多種III-V族化合物半導(dǎo)體，這個高效率的電池結(jié)構(gòu)，由合適的材料組成，可以將太陽光區(qū)分為三個波段分別來吸收。研究員提到，這是一個重要的結(jié)論，就是利用一系列材料連接形成的太陽能電池，其組件的電流將會被最小電流的那部份給局限，而利用變形外延的電池Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As/Ge，可以使電流匹配，完整的輸出(多接面電池結(jié)構(gòu)的三個次電池皆產(chǎn)生相近的電流)，這也是此電池可以達到高轉(zhuǎn)換效率的重要原因之一。

圖二、填充常數(shù)，效率與太陽集中常數(shù)作圖 (數(shù)據(jù)由Fraunhofer ISE CalLab 量測)

    去年Fraunhofer ISE 將轉(zhuǎn)換效率由37.6% 提升至 39.7% 通過調(diào)整前端金屬細線的接觸結(jié)構(gòu)具有較低的阻值可以傳遞較大的電流，因此比較適合太陽集中常數(shù) 300~600。法蘭克提到，最新的電池則改變前端金屬細線的圖形，并具有較佳質(zhì)量的膜層。為了讓整個技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)般具有競爭力，迅速且可行，F(xiàn)raunhofer ISE與德國海爾布隆(Heilbronn)的Azur Space共同合作，并技轉(zhuǎn)同樣位于弗萊堡的Concentrix Solar GmbH。“與其它聚焦型光伏系統(tǒng)相比，我們的高效率太陽能電池是降低發(fā)電成本最有效率的方法” Fraunhofer ISE的所長安德魯貝特博士(Andreas Bett)提到。Fraunhofer ISE藉由新的高轉(zhuǎn)換效率電池往目標邁進一大步，很快的，光伏發(fā)電的成本便可與傳統(tǒng)發(fā)電競爭。

    法蘭克博士認為經(jīng)由改變電池的結(jié)構(gòu)將有助于使這類型電池具有長遠的優(yōu)勢，并使效率提升至42~43%。過去15年Fraunhofer ISE的研究員致力于III-V族多接面太陽能電池應(yīng)用于聚焦型光伏系統(tǒng)的研究，由初期德國聯(lián)邦教育研究部(German Federal Ministry of Education and Research，簡稱BMBF)的支持，如今同時獲得德國聯(lián)邦環(huán)境、自然保育暨核子安全署、智慧能源決策局(German Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety，簡稱BMU)提供金援，作為博士生的獎助學金，未來，將以更快更好的研究結(jié)果與世人分享。