文献综述 ——GaAsSb热光伏电池

文献综述

——GaAsSb热光伏电池开路电的优化仿真分析

1. 引言

1.1 热光伏技术

当前，能源问题已经越来越成为制约人类社会进步和发展的阻力，而现在大规模使用的化石能源，由于其不可再生和对环境的高污染性，使得开发可持续的绿色能源已经是迫在眉睫。作为一种新颖的能源利用方法，热光伏电池（thermophotovoltaic，TPV）的研究始于上世纪60年代，但是由于当时理论和工艺水平的限制，直到90年代末开始才又重新引起了人们的重视。

相比较于太阳能光伏电池，热光伏电池系统首先是具有较高的系统效率和输出能量密度，这主要因为热光伏电池后端的光伏电池的带宽能量要小一些，这样在同等的温度条件下，系统的效率和能量密度会比较高。另外，热光伏电池系统中热发射源离后端光伏电池的距离也相对于太阳能光伏电池离太阳的距离要近得多，所以这样就减少了能量在传播路径上的传递损失，而增大了能量利用的效率。另外，热光伏电池系统的噪音也比较低，并且没有移动的部件，因而可以便携使用。还有，热光伏电池系统的热源也很广泛，除过常规的太阳能外，各种工业废热、余热以及附加热等都可以作为热光伏电池系统的热量来源[1]，所以热光伏电池系统的性能受天气和环境的影响不大。近年来，随着微细加工技术的发展，人们有可能去制造微型的热光伏电池系统去取代传统的化学电池作为工业和科技界的能源，因而热光伏电池系统必将是未来微型电力系统研究的重点方向之一。

一般来讲，热光伏电池系统就是一种通过光伏电池把热辐射源辐射的热能转化成电能的静态能量转换器件[2]。典型的热光伏电池系统包括一个前端的热辐射源，一个后端的光伏电池和位于它们之间的光谱控制元件，如光谱滤波器等。

整个热光伏电池系统的工作原理是：首先是热源的热量直接加到热辐射源上，然后热辐射源辐射出的能量到达滤波片，接着滤波片过滤掉能量小于PV 电池带宽能量的低能光子，而使得大于PV电池带宽能量的高能光子到达PV电池，最后PV电池由于光生伏特效应产生光生电子，而电子以电流的方式输出到外电路作为电源使用[3]。由于滤波片不可能是理想的，所以那些到达PV电池的不能产生电子的低能光子的能量将作为热损耗损失掉。

1.2 电池材料

从材料上划分，太阳能电池可分为硅太阳能电池、以无机盐为材料的电池、功能高分子材料（除了具有聚合物的一般力学性能、绝缘性能和热性能外，还具有物质、能量和信息的转换、传递和储存等特殊功能）制备的大阳能电池、纳米晶（结晶相体积比高于４５％的纳米材料）化学太阳能电池等[4]。

作为太阳能电池材料一般应满足半导体材料的禁带不能太宽（禁带宽度增加会导致绝缘性增强）、有较高的光电转换效率、材料本身对环境不造成污染、材料便于工业化生产且性能稳定等要求[5]。基于以上考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其它材料为基础的太阳能电池也逐渐出现在人们的视野中，显示出诱人的前景。

硅系太阳能电池有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池，其中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，但单晶硅成本价格居高不下，制造工艺复杂，大幅度降低其成本非常困难。多晶硅薄膜电池使用的硅远较单晶硅少，无效率衰退问题且有可能在廉价衬底材料上制备，成本远低于单晶硅电池而效率又高于非晶硅薄膜电池，众多优点导致其不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。非晶硅太阳能电池具有较高的转换效率和较低的成本以及重量轻，有着极大的潜力，但同时由于其稳定性不高，直接影响了它的实际应用。

我们所了解的大部分Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体都是属于直接能隙半导体，它与间接能隙半导体是不同的[6]。通常来说，直接能隙半导体指电子从导带的底端落至价带的顶端，它只会产生能量的变化，而这个能量大致上等于导带底部与价带顶部之间的能量差值，这就是半导体的能隙，而另一方面，间接能隙半导体是当电子从导带底部落至价带顶部时，除了有能量变化之外，它的晶体动量也会随之改变，它们的简单能带架构如图如下。

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体是用一些技术所制造的，它不是大自然中原本就存在的。通常我们可以利用液相磊晶（LPE）技术、有机金属化学气相沉积（MOCVD）、分子束磊晶（MBE）技术或是化学气相沉积（CVD）技术来将Ⅲ-Ⅴ族化合物薄膜在各种基板上成长，当然，我们还必须考虑很多方面，比如说Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体与基板之间的晶格匹配的问题，因为基板的类型有很多，在使用各种不同的基板时，我们可以得到各种不同的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，不论是二元、三元还是四元的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，都可以完整的得到[7]。与此同时，如果我们想要改变半导体的导电载流子特性和电导率，那么我们就可以在磊晶时进行掺杂，多数载流子是电子则是n型半导体，是空穴则是p型半导体，假如想得到p-n 二极体，则可以将p型半导体薄膜在n型半导体上生长。

2. 正文

2.1 热光伏电池参数

热光伏系统的核心部件是热光伏电池，其基本结构为 P-N 结。热光伏电池原理与太阳能电池原理相同，均是利用半导体的光电转换特性。热光伏系统的指标参数是其最大输出电功率 (Pm)和能量转换效率(η)。下面的公式1-1表示能量转换效率与最大输出电功率的关系： %100⨯=in

m P P η (2-1) 当光谱控制系统确定后，能量转换效率仅与最大输出电功率 (Pm)有关。为了描述热光伏电池的电功率输出特性，通常引入三个参数，短路电流（Isc ）、开路电压（Voc ）和填充因子（FF ）。由半导体器件理论可知，光伏电池的电压-电流关系如公式1-2。

I e I I kt eV o

--=)1(/ (2-2) 其中， )(22D

n i h A e i e o D L n qD N L n qD A I += (2-3) 短路电流即当光伏电池两端无电压时的电流值。当 V=0 时，得到I sc =I light ，表明在理想情况下，短路电流等于光生电流。同理，当 I=0 时，通过公式导出理想的开路电压为： )1ln(+=o

light oc I I q kT V (2-4) 从上式1-4可知，Voc 与 I 0有关，与半导体材料的掺杂浓度，载流子寿命

等特性有关。填充因子（FF ），也被称为占空因子，它是最大输出电功率与开路电压和短路电流乘积的比值，其表达式1-5如下：

sc

oc m m sc oc m I V I V I V P FF == (2-5)