Nat. Energy：将III-V/Si太阳能电池的转换效率提高到两个结点的32.8％，三个结点的35.9％

【背景介绍】

光伏（PV）模块的成本近年来大幅下降，其效率稳步提高，与传统能源在许多地方相比，具有较强的经济竞争力。目前，占主导地位的光伏技术依赖于单结器件，这些器件的实际效率极限仅可达到25-27％。因此，研究人员越来越多地转向多结器件，其由两个或更多个堆叠的子单元组成，每个子单元吸收太阳光谱的不同部分。

【成果简介】

近日，洛桑联邦理工大学Stephanie Essig（通讯作者）等人开发出具有机械堆叠，独立运行的双结III-V/Si器件具有高达32.8％的转换效率。将GaInP/GaAs双结电池与Si单结电池组合时，更是实现了高达35.9％的效率。这些数据超过了传统Si技术的理论效率极限（29.4％）和已记录的III-V双结器件的效率（32.6％），突显了Si基多结太阳能电池的潜力。相关成果以题为“Raising the one-sun conversion efficiency of III–V/Si solar cells to 32.8% for two junctions and 35.9% for three junctions”发表在了Nature Energy上。

【图文导读】

图1 III-V/Si叠层太阳电池的设计

a，b）四端GaInP // Si和GaAs // Si双结太阳能电池的横截面示意图

c）具有1.01cm2指定照明区域的两个III-V / Si叠层太阳能电池的照片

d）在蓝光照明下和开路条件下，GaInP // Si叠层太阳能电池的照片

图2 机械堆叠III-V/Si 2J器件的光伏性能

a）堆叠前的GaInP // Si双结太阳能电池和Si异质结太阳能电池的外部量子效率（EQE）和反射（R）曲线

b）GaAs / /Si双结太阳能电池和所用Si异质结太阳能电池的EQE和R曲线

c）29.8％效率的GaInP // Si双结太阳能电池EQE比较

d）GaInP // Si双结太阳能电池每个子电池的J-V特性

e）GaAs // Si双结太阳能电池每个子电池的J-V特性

图3 四端GaInP // GaAs / /Si三结太阳能电池的设计

GaInP顶部和GaAs中间电池通过隧道结连接并堆叠在Si异质结太阳能电池上

图4 四端GaInP // GaAs // Si三结太阳能电池的光伏性能

a）三个子单元的EQE
b）GaInP / GaAs顶部电池和Si底部电池的J-V特性

图5 技术经济分析中考虑的制造工艺流程

a）制造GaInP顶部电池的工艺步骤
b）制造双面SHJ底部电池的工艺流程
c）在堆叠顶部和底部电池后的GaInP // Si双结太阳能电池

图6 III-V // Si双结太阳能电池的成本、效率对比分析

a）GaInP和GaAs顶部电池制造工艺的近期成本
b）GaInP和GaAs顶部电池制造过程的长期成本
c）III-V // Si双结太阳能电池成本效益的走势图

【小结】

该团队的工作表明，硅基双结太阳能电池能够在一次太阳照明下达到> 32％的效率。 使用GaInP / GaAs // Si三结太阳能电池效率更是突破为35.9％。对于III-V顶部电池，经济可行性的途径取决于低成本沉积方法的未来发展。这些研究挑战是严峻的，但不是不可逾越的，相信相关研究人员在会突破限制，达到更高水平。

文献链接：Raising the one-sun conversion efficiency of III–V/Si solar cells to 32.8% for two junctions and 35.9% for three junctions（Nat. Energy,2017,DOI:10.1038/nenergy.2017.144）

本文由材料人新能源组Allen供稿，材料牛整理编辑。

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