ACS Nano :低成本多层生长超薄纳米结构砷化镓太阳能电池

【引言】

近年来，砷化镓太阳能电池效率已经接近其理论极限。在砷化镓太阳能电池的制备过程中，其外延材料需生长在昂贵的本质衬底上，导致生产成本过高，限制了其在实际生活中的应用。外延层剥离(ELO)是反复利用生长衬底的工艺，曾被认为是一种能够显著降低电池成本的有效办法。但反复进行外延生长自然会包含大量工艺工程和热循环过程，这导致了电池材料晶体缺陷的累积并破坏了制造质量。对于这一点，有研究人员曾提出一种可避免传统ELO过程中缺陷产生的方法，然而由于在制备过程中无法让设备层之间保持统一的材料特性和使用性能，因此该方法不适合用于在砷化镓光伏器件的制备中。近来，碳被用作p型杂质掺杂进入“p-on-n”型电池中，由多层生长所需的长时间热处理产生的碳相关点缺陷及氢的掺杂钝化作用对电池性能产生了明显的恶化效果。因此，p型掺杂剂的扩散和不断延长的高温热处理是光伏器件实际应用中必须克服的技术难题。在这方面，砷化镓太阳能电池拥有超薄(200-300 nm)活性层，能够提高材料整体电子比例，缩短膜生长时间，减少热处理，降低对材料特性的损害。有研究证实，通过对光子的最优化处理能够显著增强超薄砷化镓太阳能电池光子吸收能力，减少材料用量，进而提高成本效益。

【成果简介】

近日，耶鲁大学Minjoo L. Lee教授和南加州大学Jongseung Yoon教授(共同通讯作者)在ACS Nano上发表了题为“Multilayer-Grown Ultrathin Nanostructured GaAs Solar Cells as a Cost-Competitive Materials Platform for III−V Photovoltaics”的文章，文中报道了一种制备具有统一光伏性能并可多层生长砷化镓太阳能电池的方法。该研究团队以铍为p型掺杂剂，通过分子束外延技术获得超薄单结砷化镓太阳能电池，有效解决了p型掺杂剂扩散问题，在一定程度上减少了外延材料层生长时间，使得微尺寸（约500×500 μm²）砷化镓太阳能电池多个器件层之间都具有高度一致的光伏性能和接触特性。同时利用六角周期性TiO2纳米柱与垂直p型金属接触作为金属背面反射器，结合特定外延设计以减少寄生光损失，增强光子捕获能力,光电转换效率约为17%。

【图文导读】

图1.三叠层超薄砷化镓太阳能电池结构制作过程示意图及其光学图像

(a)垂直接触型三叠层超薄砷化镓太阳能电池制备过程示意图

(b)不同工艺步骤中砷化镓微电池的光学显微图，左上角是n型金属沉积后的图像，右上角是孤立微电池图像，左下角是p型金属沉积提取后图像，右下角是印刷后图像

(c)垂直接触型砷化镓太阳能微电池10×10阵列的光学图像，插图是放大图像

图2.外延设计

(a)三叠层超薄砷化镓太阳能电池外延设计详细过程

(b)三叠层超薄砷化镓太阳能电池横截面SEM图

(c)由标准传输线模型(TLM)测量得到n型金属接触总电阻与金属板间距之间的函数关系图,插图为TLM测量中金属板几何示意图

(d)由标准传输线模型(TLM)测量得到p型金属接触总电阻与金属板间距之间的函数关系图，插图是p型掺杂砷化镓电池中金属板的光学图像

图3.铍扩散程度的定量评估

(a-c)分别为所制成的三叠层砷化镓太阳能电池顶部、中部和底部的SIMS深度信息图,绿线中的两个峰分别对应着Al0.52In0.48P和Al0.40Ga0.60As

图4.超薄砷化镓太阳能电池光伏性能表征

(a-b)超薄砷化镓太阳能电池转印前顶部、中部和底部的J-V曲线以及相应的J_SC、FF、V_OC、η，插图是转印前被测砷化镓微电池光学图像

(c-d)超薄砷化镓太阳能电池转印后顶部、中部和底部的J-V曲线以及相应的J_SC、FF、V_OC、η，插图是转印后被测砷化镓微电池光学图像

(e)砷化镓太阳能电池转印前后顶部、中部和底部的半对数IV曲线，其中提取的平均二极管理想因子分别为2.1和2.3

(f)转印前电池顶部、中部和底部的IQE、EQE和阻抗谱

图5.TiO2 NPs最优设计的确定

(a)由FDTD原理计算得到超薄砷化镓太阳能电池窗口层、发射层和背面场层集成太阳能通量吸收Sabs等值面图

(b)超薄砷化镓纳米结构太阳能电池的最大集成太阳能通量吸收Sabs

(c)测量与计算超薄砷化镓太阳能电池反射光谱

(d)超薄砷化镓太阳能电池J-V曲线，插图是具有TiO2 NPs的砷化镓太阳能电池转印后光学图像以及TiO2 NPs的SEM图

【小结与展望】

本文报道了一种生长制备多层结构超薄砷化镓太阳能电池的方法，电池器件层间具有一致的光伏性能。在未来的研究工作中，p型掺杂剂的扩散问题还有进一步研究的空间，碳由于其在接触界面处较低的扩散率，因而在活性层中的掺杂应用也有待探索研究。

文献链接：Multilayer-Grown Ultrathin Nanostructured GaAs Solar Cells as a Cost-Competitive Materials Platform for III−V Photovoltaics(ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.6b07605)

本文由材料人新能源组 Jon 供稿，材料牛编辑整理。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入材料人编辑部，参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065952”

材料测试，数据分析，上测试谷