單接合太陽電池現況與堆疊型太陽電池未來挑戰

 

刊登日期:2017/9/5
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太陽電池(Photovoltaics; PV)的技術發展,均朝向高效率開發,以下我們將介紹光電轉換效率>20%的各類太陽電池之研發現況,並報導堆疊型太陽電池的最新研究,道出太陽電池開發的現況與未來。近五年來,太陽光電材料的發展正經歷巨大的轉變與突破,太陽電池效率記錄不斷更新及成長。以下將逐一討論現有六種高效率太陽光電材料的研發現況。

太陽電池為半導體材料,可吸收高於能隙的太陽光能量,光子(Photon)將其激發為電子-電洞對(Electron-hole Pair),載子經由外部電路可將電導出。在廣域的太陽光譜中,太陽電池的基本效率極限由幾個因素決定,如圖一(a)。能量低於能隙的光子不會被吸收,無法產生電子-電洞對。而能量高於能隙的光子,大於能隙的能量會因熱輻射而不能完全轉換為電能,如圖一(b)。以上兩個因素造成只剩~45%的入射光譜存在於1.1~1.4 eV的能隙的半導體。電池最大功率為能隙能量所對應的電壓,即具有高於能隙能量的所有光子完全捕獲,然後所有生成的載子被完全收集。但即使在理想的情況下,開路電壓(Voc)總是低於能隙能量,其因來自於熱力學的限制。載子的復合(Recombination)產生暗電流(Dark Current),使得Voc遠低於能隙電壓Vg,如圖一(c)。此外,在最大功率操作下(最大J×V),電壓Vmp低於Voc,電流密度Jmp低於最大短路電流密度(Jsc),如圖二(a)。

圖一、太陽電池理論效率限制
圖一、太陽電池理論效率限制

單接合太陽電池
以下,我們將描述所有材料的單接合太陽電池之最高效率與研發現況。
①矽(Si),最高效率為25.0%~26.7%:
矽具有近乎理想的能隙(Eg = 1.12 eV)可達到高效率。同質接合矽晶電池,主要於矽晶片上形成P-N接合。接觸復合(Contact Recombination)是損失的主要來源,因此最佳的方法是使接觸面積最小化,如透過局部重摻雜或金屬沉積,形成鈍化接觸,一般鈍化層為Si3N4、Al2O3、SiO2。單晶矽最高記錄效率可達25.1%。另一種較不同的設計為P-N接合和電極位於電池的底部,這種交叉反向接觸(Interdigitated Back Contact; IBC)設計,具有交替的P型和N型接觸區,如圖四(a)。

堆疊型太陽電池
由以上介紹可知單接合太陽電池的效率始終受限S-Q極限理論,尤其矽晶電池近年來雖持續緩幅成長,但始終無法突破29%的極限。自2014年開始,有諸多團隊投入研發堆疊型(Tandem)太陽電池之研究,成為新興的技術,如圖五所示,2015年之後,已有堆疊型太陽電池效率可接近30%。以矽晶為例,單接合矽晶太陽電池極限理論效率為29%(Single Junction,簡稱1J),而堆疊型太陽電池之極限理論效率可高達47%(Tandem Junction,簡稱2J)。

若以窄能隙(Narrow Bandgap)之矽晶太陽電池為下電池(Bottom Cell),在上方疊以寬能隙(Wide Bandgap)之上電池(Top Cell),上電池可吸收高能量之短波長,下電池可吸收低能量之長波長,堆疊型太陽電池模組可成為較廣域的吸收,如圖六所示。

圖六、堆疊型太陽電池之概念
圖六、堆疊型太陽電池之概念

堆疊型太陽電池研發,仍處於小面積實驗室級之雛型,圖七為目前堆疊型太陽電池/模組之實驗室研發實品與效率現況。目前以二接合-四接點(2 Junction-4 Terminal;簡稱2J-4T)的技術應用較為廣泛…...以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:張佳文、林福銘 / 工研院綠能所
★本文節錄自「工業材料雜誌」369期,更多資料請見下方附檔。


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