2011年1月28日
太阳能电池是由半导体制成的，半导体对光的反应能力取决于它们的带隙(能量隙)。
不同的颜色具有不同的能量，并且没有单个半导体具有带隙，可以通过可见光从低能量红外线响应阳光的全部范围，从而高能量紫外线。
太阳能电池将太阳光转化为电流的能力受到其制造半导体的带隙的限制。例如，带隙宽的半导体对能量高的短波长的响应(左下)。具有中间带的半导体具有多个带隙，可以响应一定范围的能量(右下)。
尽管全光谱太阳能电池已经制造出来，但还没有一个适合以消费者满意的价格生产。现在，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)材料科学部(MSD)太阳能材料研究小欧洲杯足球竞彩组的负责人Wladek Walukiewicz和他的同事们展示了一种太欧洲杯线上买球阳能电池，它不仅对几乎整个太阳光谱有反应，它也可以很容易地使用半导体行业最常见的制造技术之一来制造。
新的设计保证高效的太阳能电池可以实际生产。
如何制作全频谱太阳能电池
“由于没有一种材料对所有波长敏感，因此成功的全光谱太阳能电池的基本原理是将不同的半导体与不同的能量间隙相结合，”Walukiewicz说。
组合不同带隙的一种方法是将不同的半导体层堆叠起来，并将它们串联起来。这是目前利用3种不同能量间隙的半导体合金的高效太阳能电池技术的原理。
2002年，伯克利实验室的博士和亲属宇的MSD发现，通过调节相同合金中的铟和镓的量，氮化铟镓铟镓，每个不同的混合物的效果是响应于不同波长的不同种类的半导体。通过堆叠几个晶体层，全部匹配但具有不同的铟含量，它们使光伏器件变成了对全太阳光谱敏感的光伏器件。
然而，Walukiewicz说:“即使不同的层很匹配，这些结构仍然很复杂——制造它们的过程也是如此。另一种制造全光谱电池的方法是制造一种具有多个带隙的合金。”
2004年，Walukiewicz和Yu在普通合金锌(加锰)和碲的基础上制造了一种高度不匹配的半导体合金。通过在这种合金中掺杂氧气，他们在现有的两个能量带之间增加了第三个不同的能带，从而创造了跨越太阳光谱的三个不同的能带隙。不幸的是，Walukiewicz说，“制造这种合金是复杂和耗时的，而且大量生产这些太阳能电池也很昂贵。”
来自伯克利实验室MSD和罗斯街实验室能源的Walukiewicz和Yu及其同事与亚利桑那州凤凰城的Sumika电子材料公司合作开发的新型太阳能电池材料是另一种由高度不匹配的合金制成的多波段半导体。欧洲杯足球竞彩在这种情况下，这种合金是氮化砷化镓，其组成与最常见的半导体之一砷化镓相似。通过用氮取代一些砷原子，就产生了第三个中间能带。好消息是，这种合金可以通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)制成，这是制造化合物半导体最常见的方法之一。
乐队差距如何工作
带隙的出现是因为半导体在绝对零度的温度下是绝缘体，但随着温度的升高，其电导率接近一英寸。为了导电，一些通常绑定在原子上的电子(价带中的电子)必须获得足够的能量才能自由流动——也就是说，进入导电带。带隙是做到这一点所需要的能量。
当电子进入传导带时，它会在价带留下一个“洞”，这个洞也携带电荷，就像传导带中的电子一样;洞是正的而不是负的。
一个大的带隙意味着高能量，因此一个宽的带隙材料只对太阳光谱中更有能量的部分做出反应，比如紫外线。通过引入介于价带和导带之间的第三波段，同样的基本半导体也能响应中低能量频率。
这是因为，在多带半导体中，在价带和中间带之间有一个窄带隙，对低能量作出响应。在中间带和导带之间是另一个相对狭窄的带隙，它响应于中间能。最后，原来的宽带隙仍然存在以保证高能量。
“制造全光谱太阳能电池的主要问题是找到合适的材料，”Yu Kin Man说。“我们面临的挑战是在适当的成分和适当的兴奋剂之间取得平衡。”
在由一些高度不匹配的合金制成的太阳能电池中，通过用少量的氧或氮取代某一组分的原子，可以在主体材料的带隙内产生第三个电子态带。在所谓的II-VI半导体(由门捷列夫原始元素周期表中的这两组元素组合而成)中，用氧原子代替某些VI族原子会产生一个中间带，其宽度和位置可以通过改变氧原子的数量来控制。Walukiewicz和Yu最初的多波段太阳能电池是一种II-VI化合物，用氧原子取代了第VI组碲原子。他们目前的太阳能电池材料是III-V合金。中间的第三条带是通过用氮原子取代某些V族组分的原子(在这个例子中是砷)而形成的。
找到合适的合金组合，并确定合适的掺杂水平，使中间波段恰好在需要的地方，主要是基于理论，使用的是伯克利实验室在过去10年开发的波段反交叉模型。
“我们知道2%的氮应该可以完成这项工作，”Yu说。“我们知道中间波段应该在哪里，以及会发生什么。挑战在于设计真正的设备。”
通过测试
使用其新的多频带材料作为测试单元的核心，研究人员用全光谱照亮它，以测量通过不同颜色的光产生电流。制作多频带单元的关键是为了确保中间带从收集电流的触点上隔离。
“中间带必须吸收光线，但它仅作为踩踏石，不得允许进行充电，否则它基本上短缺了设备，”Walukiewicz解释说。
该测试装置在衬底上负掺杂半导体接触以收集来自导带的电子，在表面上正掺杂半导体接触以收集来自价带的空穴。来自中间带的电流被顶部和底部的附加层阻挡。
为了比较，研究人员构建了一个几乎完全相同但底部没有阻塞的细胞，允许电流直接从中间带流到基底。
测试的结果表明,光穿透屏蔽设备有效地产生电流从所有三个能源乐队-中间价,中间传导,和价传导和强烈反应谱的所有部分,从红外约1.1电子伏特的能量(1.1 eV),超过3.2 eV,很好地进入紫外线。
相比之下，未屏蔽的设备仅在近红外波段反应良好，在光谱的可见部分急剧下降，并错过了最高能量的阳光。因为它是畅通的，中间带基本上已经取代了传导带，拦截了价带的低能电子，并将它们直接带到接触层。
对多波段设备及其操作方法的成功的进一步支持来自“反向”测试——将设备作为发光二极管(LED)运行。在低电压下，该设备在红外和可见光波段发射出四个峰值。主要用作太阳能电池材料，作为LED的这种性能可能为氮化砷化镓提供了额外的可能性，因为它是一种稀释氮化镓，非常类似于稀释氮化铟，用于商业“垂直腔表面发射激光器”(VCSELs)，由于它们比其他半导体激光器有许多优点，因此得到了广泛的应用。
利用基于砷化镓氮化镓的新型多频带光伏器件，研究团队证明了一个简单的太阳能电池，响应了几乎整个太阳能光谱 - 并且可以使用其中一种半导体行业最常见的制造技术进行了响应。结果承诺高效的太阳能电池，实际生产。
来源：http://www.lbl.gov/