米乐m6官方网站 加速高效多结太阳能电池普及的技术开发

国立先进产业科学技术研究所[主席：石村和彦]（以下简称“AIST”）零排放国际合作研究中心[研究中心主任：吉野彰]多结太阳能电池研究小组Takeyoshi Sugaya，研究小组组长，Yasushi Shoji，研究员，Ryuji Oshima，研究小组服务员，Kikuo Makita，特邀研究员，大阳日酸株式会社[代表董事兼社长永田贤二]（以下简称“大阳日酸”）将成为普及下一代太阳能电池的关键氢化物气相外延（HVPE）法开发了一种能够沉积铝 (Al) 基材料及其在太阳能电池中的应用的设备。

HVPE法是一种可以用比传统成膜技术更便宜的原材料高速成膜的技术，特别是III-V族化合物太阳能电池然而，铝基材料的形成存在一些问题，而铝基材料对于提高太阳能电池的效率和减薄至关重要。这次，我们开发了一种可以在反应器内对Al原料进行500℃低温加热的装置，我们开发了一种可以在反应器内对Al原料进行500℃低温加热的装置。₃)，可以形成高质量的磷化铝铟镓（AlInGaP）和铝砷（AlAs）层，可用于太阳能电池。在采用 AlInGaP 的磷化铟镓 (InGaP) 太阳能电池中，地表附近的电流损耗被压制发电效率已得到改善。此外，通过使用AlAs层，可以将制造过程中所需的昂贵基板与太阳能电池层分离，并且通过重新使用基板可以预期降低成本。另外，由于分离的太阳能电池层是薄膜，因此这是AIST拥有的粘合技术。智能堆栈可以应用，并且可以通过连接不同材料进一步提高效率并降低成本。这项新开发的技术将极大地有助于降低III-V族化合物太阳能电池的成本和提高效率，并有望成为超高效率太阳能电池更容易获得的突破。

III-V族化合物太阳能电池带隙用不同材料层压多结结构，可以扩大太阳光的可用波长范围，并且可以获得高发电效率。太阳能电池串联连接，带隙从太阳光入射侧开始减小，穿过上层电池的光被下层电池吸收。特别是采用III-V族化合物材料多结太阳能电池现有太阳能电池中发电效率最高，且耐辐射，因此用于人造卫星。然而，尽管多年来人们一直期望它能够广泛应用于电动汽车等日常用品中，但高昂的制造成本一直是一个主要问题。制造成本高的主要原因是传统的成膜方法需要昂贵的原材料和基板，并且成膜速度慢。

AIST将从2015财年起降低III-V族化合物太阳能电池的制造成本金属有机气相外延相比，可以显着降低成本，我们一直与Taiyo Nippon Sanso合作开发水平安装的垂直HVPE系统（2017 年 6 月 13 日 AIST 新闻稿）。尽管使用该技术的高速成膜已经得到证实，但InGaP太阳能电池的高性能和基板成本仍然是主要问题，并且需要铝基材料的高质量成膜来解决这些问题。因此，这次，AlCl₃前体供应的HVPE方法的设备，并致力于形成AlInGaP和AlAs等高质量薄膜并将其应用于太阳能电池。

此项研发得到了国家研究开发机构新能源和产业技术发展机构委托项目“高性能高可靠性太阳能发电降低发电成本技术开发/创新型新型结构太阳能电池研发/超高效率低成本III-V化合物太阳能电池组件研发（低成本技术/量子点生长技术）（2015-2019）”的支持。

这次我们成功开发了HVPE系统，可以实现Al基材料InGaP的高质量成膜顶部单元格性能的方法并解决与董事会成本相关的问题。

①开发可实现Al系材料高质量成膜的HVPE设备

HVPE 方法提供金属氯化物，它是通过纯金属与氯化氢 (HCl) 气体反应生成的，作为第 III 族原料的前体（图 1）。当沉积GaAs或InGaP时，Ga或In金属与HCl气体在700至850℃的温度下反应生成一氯化镓(GaCl)和一氯化铟(InCl)。₂通过气体传输到基板附近。由于反应是从HCl气体开始的，反应器一般采用石英制成，具有优异的耐腐蚀性。另一方面，一氯化铝（AlCl）不能用作前体，因为它会剧烈还原石英反应器，导致杂质进入沉积层并损坏反应器。为了解决这个问题，我们开发了一种新装置，可以在反应器内以500℃的低温加热Al原料，抑制AlCl的生成，并降低AlCl与石英的反应性。₃

② 提高多结太阳能电池顶部电池的性能

为了制造高效多结太阳能电池，提高每个组件电池的性能非常重要。特别是，为了提高InGaP顶部电池的性能，必须通过形成带隙比InGaP更大的AlIn(Ga)P层来抑制表面附近的电流损耗。开发的HVPE设备可以形成高质量的AlInGaP层，并且当引入InGaP电池时，可以使导致电流损失的表面失活。结果，输出电流增加，发电效率提高（图3）。这是首次证明使用 HVPE 方法沉积的 AlInGaP 层可以在太阳能电池器件中发挥作用。

③太阳能电池薄化和不同材料连接的演示

基板成本占III-V族化合物太阳能电池制造成本的很大一部分。虽然HVPE方法可以通过使用廉价的原材料来降低形成太阳能电池的成本，但它尚未能够解决基板的成本问题。然而，通过使用新开发的设备形成AlAs薄膜成为可能，我们找到了解决基板成本问题的方法。我们证明，通过将 AlAs 层夹在基板和太阳能电池层之间，然后用氢氟酸仅去除 AlAs 层，可以将使用 HVPE 方法制造的太阳能电池层与基板分离（图 4）。由于可以重复使用已剥离太阳能电池层的基板，因此可以降低基板的成本。此外，由于基板已从太阳能电池层中去除，现在是薄膜，因此可以应用AIST的半导体接合技术“Smart Stack”，该技术可以接合到不同的材料以提高发电效率（图5）。这次，我们使用GaAs电池来演示分离和键合，但使用InGaP电池和多结结构也可以实现分离和键合。

美国可再生能源实验室 AlCl₃在反应器外，使用HVPE方法可以形成AlIn(Ga)P和AlGaAs薄膜，但存在晶体质量问题，并且在引入太阳能电池时无法提高转换效率。此外，目前尚未证明太阳能电池的分离和不同材料的粘合。在新开发的装置中，AlCl₃在反应器内部，抑制了杂质的混入，从而可以形成高质量的Al基材料的膜。通过使用HVPE方法在太阳能电池中使用铝基材料成为可能，我们可以说找到了一条高速、低成本生产高效太阳能电池的途径。

到目前为止，我们一直在进行使用2英寸基板的HVPE方法的研发，但未来我们将开发可以沉积6英寸薄膜的量产HVPE系统。另外，采用HVPE设备生产的III-V族化合物太阳能电池可CIGS等廉价太阳能电池相结合，我们的目标是创造出发电效率达到35%以上、发电成本达到200日元/W的太阳能电池。

◆氢化物气相外延（HVPE）法

氢化物气相外延法。一种使用廉价的金属氯化物晶体生长半导体薄膜的方法。在III-V族化合物半导体的情况下，使用金属氯化物作为III族元素，并且使用氢化物​​气体作为V族元素。其特点是晶体生长速率高、成膜成本低。[返回来源]

◆III-V族化合物太阳能电池

由III族元素（镓Ga、铟In、铝Al等）和V族元素（磷P、砷As等）组成的化合物半导体构成的太阳能电池。示例包括 GaAs、InP、InGaP、InGaAs 和 AlGaAs。这些太阳能电池具有非常高的发电效率，但其制造成本高是一个问题，目前它们大多用于空间和聚光用途。[返回来源]

◆表面附近的电流损耗

由于太阳能电池（半导体）表面存在大量杂质和原子悬键，光生电子和空穴复合，导致输出电流减小。为了减少这种影响，需要在带隙比有源层大的材料表面形成薄膜，以防止电子或空穴扩散到表面。[返回来源]

◆发电效率

太阳能电池的发电效率计算为产生的电能/输入光能x 100%。它通常使用称为太阳模拟器的伪阳光源进行测量。[返回来源]

◆智能堆栈

一种将金属纳米粒子排列在多个太阳能电池的粘合界面上以几乎没有电或光损失的方式粘合它们的技术。利用智能堆叠技术，金属纳米颗粒存在于键合界面处，表面不一定必须是原子级平坦的，不仅可以将III-V族化合物彼此键合，还可以将III-V族化合物与硅键合，以及III-V族化合物与CIGS键合。[返回来源]

◆带隙

半导体和绝缘体中电子不能存在的能量区域。在太阳能电池中，当能量大于带隙的光入射时，会产生电子和空穴，当它们被传输时，它们就变成电流。[返回来源]

◆多结结构、多结太阳能电池

通过串联不同类型的太阳能电池（吸收不同波长的太阳光）来吸收宽范围波长的太阳光，从而提高发电效率的太阳能电池。由于输出电压是每个电池电压的总和，因此结数越多，电压越高。根据太阳能电池中结的数量，它被称为 2 结、3 结或 4 结太阳能电池。[返回来源]

多结太阳能电池概念图

◆金属有机气相外延

一种使用有机金属生长半导体薄膜的方法。在III-V族化合物半导体的情况下，通常使用诸如三甲基镓和三甲基铟的有机金属作为III族元素，并且使用氢化物​​气体作为V族元素。由于使用昂贵的有机金属，因此成膜成本变高。[返回来源]

◆前体

用于在化学反应中产生目标物质的物质。作为所生产物质的前体的物质。[返回来源]

◆顶部电池

在三结太阳能电池的情况下，放置在最外表面的太阳能电池称为顶部电池，中间的太阳能电池称为中间电池，最靠近基板放置的太阳能电池称为底部电池。顶部电池采用带隙最大的半导体，吸收较短波长的光并透射较长波长的光。底部电池使用带隙最小的半导体，吸收穿过顶部和中间电池的光。[返回来源]

◆CIGS

由铜 (Cu)、铟 (In)、镓 (Ga) 和硒 (Se) 组成的多元化合物半导体 Cu(In,Ga)Se₂薄膜[返回来源]