能源是人类社会存在和发展的重要物质基础。随着社会的发展，煤炭、石油等不可再生资源的日益减少，开发清洁能源迫在眉睫。利用太阳能取之不尽用之不竭的特点，太阳能电池是人们利用太阳能的一种重要方式。在本节中，本期「美能光伏」将给你介绍多叠层电池的技术与优势。

发展背景

太阳能电池发展经历了三个阶段。以硅片为基础的“第一代”太阳能电池其技术发展已经成熟，但单晶硅纯度要求在99.999%， 生产成本太高使得人们不惜牺牲电池转换率为代价开发薄膜太阳能电池。第二代太阳电池是基于薄膜材料的太阳电池。薄膜技术所需材料较晶体硅太阳电池少得多，且易于实现大面积电池的生产，可有效降低成本。薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉以及铜铟硒薄膜电池， 其中以多晶硅为材料的太阳能电池最优。太阳能光电转换率的卡诺上限是95%， 远高于标准太阳能电池的理论上限33%， 表明太阳能电池的性能还有很大发展空间。Martin Green 认为， 第三代太阳电池必须具有如下条件：薄膜化，转换效率高，原料丰富且无毒。目前第三代太阳电池还处在概念和简单的试验研究。已经提出的主要有叠层太阳电池、多带隙太阳电池和热载流子太阳电池等。其中，叠层太阳能电池是太阳能电池发展的一个重要方向。

太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按禁带宽度从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄禁带宽度材料电池利用， 这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样结构的电池就是叠层太阳能电池。

技术难题

叠层太阳能电池的设计难题在于要寻找两种晶格匹配良好的半导体晶体， 其禁带宽度将引起高效率的能量转换。此外，在理想的情况下，电池导带的最上层应该有与底层价带大约相同的能量，这使得顶端半导体的电子被太阳光激发后能够很容易的从导带进入底部半导体晶格的孔（价带），电子在价带上又被不同波长的太阳光激发。这样一来，两部分的电池一起工作，像两个串连的蓄电池，并且总功率与两个电池的功率总和相等。但是，如果在接合处价带和导带没有被正确的匹配，当电子流过时就会因为由此产生的电阻造成功率损耗。例如，高效率的GaAs/Ge 叠层电池早在1987 年就已制备出来，结果证明由于电流不匹配而不能应用。可用可行性分析方法或泊松比连续性方程设计叠层电池的电流匹配。另外就是实际应用中叠层电池的稳定性问题。以III-V 族化合物及CIS 等稀有元素制备的太阳能电池，尽管所制成的电池转换效率很高，但从材料来源和环境问题来看，这类太阳能电池将来不可能占据主导地位。高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中要考虑的两个主要因，目前的非晶硅系叠层太阳能电池，要想把效率提高很多是很困难的，而且非晶硅系叠层太阳能电池对材料纯度要求较高，价格贵，很大程度上限制了其工业化推广。

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太阳能电池自1991 年提出以来，一直是科学家的研究热点，叠层太阳能电池的研究虽然刚刚起步，随着科技的进一步发展，叠层太阳能电池有十分广阔的应用前景 。如果有什么问题，可以和「美能光伏」共同探讨。