太阳能是一种清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭,有望成为未来新能源的主要发展方向之一。聚光多结太阳电池作为第三代太阳电池,因其极高的能量转化效率及较低的生产成本,具有广阔的应用前景。目前,美国的Fraunhofer成功制备了 GaInP/GaAs/GaInAsP/GaInAs四结太阳电池,在AM1.5D光谱508倍聚光下效率高达46.0%,创造了新的世界纪录。但在地面的实际应用中,由聚光产生的非均匀光斑、色散效应以及户外变化的太阳光谱成为制约其性能的主要原因之一。本论文围绕聚光多结太阳电池户外输出性能的优化以及新型器件结构的设计等方面展开研究,主要研究成果及创新点如下:1.创新地采用缩小电池尺寸的方法来降低非均匀光照对电池性能的影响。使用SPICE软件建立了 GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的3D等效电路模型,通过等比例地改变透镜以及电池的尺寸,使非均匀光斑相对于电池的分布始终保持不变,并对3D等效电路模型中的各项功率损耗进行定量分析,系统地研究了非均匀光照对电池性能影响的机理。发现目前商业化应用的尺寸为10 mm × 10 mm的GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池经过栅间距的优化后,非均匀光照的影响主要源于栅线热损耗。当电池当尺寸从10 mm × 10 mm缩小至1mm × 1 mm时,非均匀光照下的栅线热损耗率从2.62%降至0.025%,几乎可以忽略不计,转换效率从33.49%增至34.56%,非均匀与均匀光照下效率的比值从96.90%提高到98.52%,非均匀光照对电池效率的影响下降49.8%。2.创新地采用缩小电池尺寸的方法来降低色散效应对电池性能的影响。通过等比例地改变透镜以及电池的尺寸,使色散光斑相对于电池的分布始终保持不变,利用3D等效电路模型计算电池各层的电压分布、暗电流分布以及横向电流分布,系统地研究了不同尺寸下色散效应对电池性能影响的机理。发现随着电池尺寸的减小,失配光生载流子更容易以横向电流的形式相互补偿,使电池局部区域的电流更加匹配,从而降低色散效应的影响。当电池尺寸较大时(20 mm ×20mm),色散主要降低短路电流密度(JSC)以及最大功率点处的电流密度(Jm),转换效率仅相当于无色散时的94%。当电池尺寸减小至2mm × 2 mm时,Jsc与无色散时相等。但在最大功率点处,大部分失配光生载流子仍以暗电流的形式复合,从而降低了 以及填充因子。当电池尺寸进一步减小至0.4 mm × 0.4mm时,色散与无色散光照下电池各项性能几乎没有差别,色散效应的影响趋于忽略不计。3.针对户外变化的太阳光谱,提出适当地调整子电池的电流匹配程度有利于提高户外全年输出的电量。使用SMARTS软件计算青海格尔木地区全年不同时刻的户外太阳光谱,研究高倍聚光下GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池在格尔木地区户外的输出特性,揭示了变化的太阳光谱对电池性能影响的机理,并给出电流匹配程度与户外太阳光谱之间的关系。结果表明:考虑聚光光学系统影响的情况下,当中电池的光生电流比顶电池小2.5%时,GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池在格尔木地区全年输出的电量最大。4.在GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池基础上,从降低成本、降低工艺难度的角度出发,兼顾效率的提高,设计了一种新型的Si基GaInP/GaInAs/GeSi三结太阳电池。在AM1.5D标准光谱1000倍聚光下,Si基GaInP/GaInAs/Ge0.95Si0.05三结太阳电池的开路电压为3.42 V,比GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池提高了近0.1 V,效率为 41.33%,比 GaInP/GaInAs/Ge 的 40.44%提高了 0.89%。5.基于提高效率以及降低工艺难度的思想,我们将GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池的Ge底电池分为两结串联的Ge子电池,设计了另一种具有两结Ge子电池的GaInP/GaAs/Ge/Ge四结太阳电池。在AM1.5D标准光谱1000倍聚光下,其开路电压高达3.82 V,比GaInP/GaInAs/Ge三结电池高出0.5 V;转换效率高达43.15%,比 GaInP/GaInAs/Ge 的 40.44%提高了 2.71%。