II-VI 族材料ZnSe、CdSe、ZnTe、CdTe 等具有禁帶寬度大, 少子壽命對位錯不敏感等優點, 可以作為一種新的材料體系應用于疊層太陽能電池中。此類材料既能夠與銅銦鎵硒電池、III-V 族材料、單晶Si 等相結合, 也可將不同的II-VI 族材料相結合制備多結電池。本文介紹了上述幾種思路的理論及實驗研究現狀, 以及II-VI 族材料頂電池的研究進展; 同時分析了阻礙II-VI 族半導體材料應用的單極性摻雜問題, 介紹了提高摻雜水平可能的途徑。

　　太陽能的特點是能量總量大, 輻射面積大, 能量分布寬, 而能量密度小, 收集利用比較困難。傳統單結太陽能電池主要有兩部分效率損失: 一是小于禁帶寬度(Eg) 的光子不被吸收, 二是被激發的高能電子和空穴在與晶格碰撞遷移至帶邊的過程中, 大于Eg 的能量轉化為熱能。疊層太陽能電池由一系列Eg 不同的子電池組成, 高能光子被頂層Eg 較大的子電池收集, 低能光子被底層E g 較小的子電池收集, 從而能更有效地利用不同波長光子的能量。

　　當前研究最深入、應用最廣泛的疊層電池主要由GaAs 為代表的III-V 族材料制備, 在高倍聚光條件下使用。設計時優先考慮子電池間的電流匹配,通過生長組分漸變緩沖層解決外延材料間的晶格失配。已制備出位錯密度小于106 cm-2、效率41.1%(AM1.5, 454 suns) 的三結電池。而自頂部開始外延的倒生長方式能保證對效率貢獻最大的頂電池中位錯密度最低, 可小于5×104 cm-2, 整個三結電池的效率為40.8%( AM1.5, 326 suns) 。但常用的GaAs 基、I nP 基III-V 族材料中缺少E g 大于2.0 eV 的頂電池用材料, 以及Eg 在1.0~1.3 eV 之間且與GaAs 晶格匹配的高質量材料。含Al 的III-V 族材料雖然Eg 較大, 但對水和氧敏感 ; InGaN 的Eg 可在0.7~ 3.2 eV 內調節, 但較高的In 組分容易使InN 相分離。因此III-V 族疊層電池難以充分利用太陽光譜。另外GaInAs、GaInP等III-V 族材料的少子壽命受位錯影響大, 需盡可能地晶格匹配生長并使用緩沖層以提高少子壽命,這就限制了材料選擇的靈活性, 提高了對生長工藝的要求。因此開發新的材料體系能夠為更好地匹配太陽光譜提供更廣闊的空間, 其中探索II-VI 族材料在疊層太陽能電池中的應用就是近年來新興的研究方向之一。

II-VI 族材料的特點

　　II-VI 族材料指IIB 族和VIA 族元素組成的二及多元化合物, 其中在太陽能電池等光電器件方面研究較多的是IIB 族的Zn、Cd、Hg 和VIA 族的S、Se、Te 組成的化合物。這些化合物均為直接帶隙材料,在可見光區域吸收系數一般可達104cm- 1以上,適宜制備薄膜器件。而且除含Hg 的化合物Eg 較小或為半金屬外, 大部分II-VI 族材料的Eg 大于同周期的III-V 族材料, 因而能獲得更高的開路電壓(Voc ) 。同時多數II-VI 族材料為閃鋅礦結構, 容易與其它立方相材料相結合。此外, 這類材料的離子性強, 少子壽命對位錯不敏感, 在制備時可適當放寬對晶格匹配和晶體質量的要求, 采取簡單的工藝就可能生產出高質量的電池。除了材料性能的優勢外, 含Zn、Cd、Te 的材料比含Ga、As、P 的材料成本更低, 更利于生產較大面積、中等聚光條件(100~ 200suns) 下應用的電池, 這對降低聚光系統的技術要求和電池系統的總成本都十分有益。雖然II-VI 族材料擁有以上優勢, 但這類化合物熔點高, 組成化合物的元素蒸氣壓高, 缺乏大尺寸的體單晶襯底, 制備高質量的單晶薄膜材料仍存在一定困難。除CdTe 外, 其它II-VI 族化合物一般呈現單極性摻雜特征, 例如ZnSe 和CdSe 難以實現高的p型摻雜, 而ZnTe 難以實現高的n 型摻雜。這是因為II-VI 族材料E g 大且本征缺陷多為兩重施主或受主, 當本征缺陷被補償時, 會釋放出接近2Eg 的能量, 有利于體系總能量的降低, 故容易自發地形成本征缺陷并出現補償。因此單極性問題也是應用II-VI 族材料時面臨的一個主要障礙。

　　疊層太陽能電池通過各個子電池吸收和轉化不同波段的光子能量, 可以有效地提高電池的光電轉化效率。II-VI 族材料擁有禁帶寬度大、少子壽命對位錯不敏感等優勢, 將其與Si、CIGS 電池或III-V 族材料相結合來制備疊層電池為進一步提升電池效率提供了新的契機。目前實驗上主要進行了II-VI 族材料單結頂電池的初步研究。為了更好地發揮IIVI族材料在疊層電池中的優勢, 還需要繼續提高IIVI族單極性材料的摻雜水平, 實現更精確的多元化合物組分控制, 不斷探索界面控制和處理方式, 同時進一步優化和細化電池的結構設計。