Nature Energy : 效率高达33%的GaInP/GaAs//Si双结串联电池

【引言】

至今为止硅基太阳能电池在光伏产业中仍占据主导地位，但是硅单结太阳电池的理论转换效率被限制在29.4%，实际转换效率限制在27%左右。而如今实验室效率已经达到26.7%，极其接近实际转换效率值，因此想要进一步提升硅基太阳能电池的效率得需另寻他法。研究者们通过多结太阳能电池技术来突破单结太阳能电池的效率限制。通过将硅与高带隙材料(如III-V半导体)在多结器件中结合，可以克服这一限制。尽管相关报道的多结硅基太阳能电池效率达到35.9%，但是这是一种四端结构电池（商业化单结硅基电池是双端结构），该类电池给产业化带来巨大的困难。因此制备一种高效率的双端多结硅基太阳能电池变的十分重要。

【成果简介】

近日，德国弗莱堡夫琅和费太阳能系统研究所Romain Cariou教授等人在 Nature Energy 上发表了一篇名为“III–V-on-silicon solar cells reaching 33% photoconversion efficiency in two-terminal configuration”的文章。该文章研究了一种III-V/Si 双端三结太阳能电池，关键通过多晶硅/SiOx对III-V/Si的界面进行钝化，有效抑制了载流子在结界面的复合，将该种双端多结硅基太阳能电池的效率提高至33.3%。

【图文简介】

图1：双端晶片键合的多结太阳能电池的结构

(a). Ga_0.51In_0.49P/GaAs//Si 太阳能电池的层层结构；

(b). 电池的能带结构；

(c). 该电池的照片。

图2:III-V//Si 晶片电池键合界面的表征

(a). III-V//Si 晶片电池的结构图；

(b). GalnP/GaAs顶部电池的横截面STEM-HAADF图；

(c). GaAs//poly-Si键合界面的高分辨率透射电镜图；

(d). GaAs//poly-Si/Si 截面STEM-HAADF图；

(e, f). 硅和氧的能谱分析。

图3：GalnP/GaAs//Si 电池的性能表征

(a). 4英尺太阳能电池照片；

(b). 16个电池归一化后的电压分布图；

(c-e). 16个电池的开路电压、填充因子和短路电流的统计分布；

(f). 三个子电池的外量子效率曲线及总和；

(g). 器件的J-V曲线。

图4:通过陷光结构来提升硅的红外响应

(a). 多晶硅/SiO_x/晶体硅的侧面结构示意图；

(b, c). 具有纳米陷光结构的硅电池的侧面和倾斜面SEM图；

(d). 具有纳米光栅衍射的4英尺电池的光学照片；

(e). 具有陷光结构和无陷光结构的电池的EQE对比，红外吸收增强。

图5:具有钝化层与陷光结构的双端III-V//Si电池的性能

(a). 三个子电池的外量子效率曲线及总和；

(b). 双端III-V//Si电池的J-V曲线。

图6：双端III-V//Si双端电池中子电池的开路电压和频谱利用率与SQ限制值及最高纪录值的对比图

(a). 双端III-V//Si双端电池中子电池的开路电压与SQ限制值及最高纪录值的对比图；

(b). 双端III-V//Si双端电池中子电池的频谱利用率与SQ限制值及最高纪录值的对比图。

【小结】

研究者成功研制出了双端III-V//Si多结太阳能电池，并且通过界面钝化与陷光处理成功将器件效率提升至33.3%。该电池的设计与传统商业化的硅基太阳能电池制备相兼容，这为提升硅基太阳能电池的市场效率具有重要的意义。

文献链接：III–V-on-silicon solar cells reaching 33% photoconversion efficiency in two-terminal configuration, Nat. Energy. ,2018, DOI: 10.1038/s41560-018-0125-0.

本文由材料人编辑部新能源学术组金也供稿，材料牛编辑整理。

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