Nature Energy : 效率高達33%的GaInP/GaAs//Si雙結串聯電池

【引言】

至今為止硅基太陽能電池在光伏產業中仍占據主導地位，但是硅單結太陽電池的理論轉換效率被限制在29.4%，實際轉換效率限制在27%左右。而如今實驗室效率已經達到26.7%，極其接近實際轉換效率值，因此想要進一步提升硅基太陽能電池的效率得需另尋他法。研究者們通過多結太陽能電池技術來突破單結太陽能電池的效率限制。通過將硅與高帶隙材料(如III-V半導體)在多結器件中結合，可以克服這一限制。盡管相關報道的多結硅基太陽能電池效率達到35.9%，但是這是一種四端結構電池（商業化單結硅基電池是雙端結構），該類電池給產業化帶來巨大的困難。因此制備一種高效率的雙端多結硅基太陽能電池變的十分重要。

【成果簡介】

近日，德國弗萊堡夫瑯和費太陽能系統研究所Romain Cariou教授等人在 Nature Energy 上發表了一篇名為“III–V-on-silicon solar cells reaching 33% photoconversion efficiency in two-terminal configuration”的文章。該文章研究了一種III-V/Si 雙端三結太陽能電池，關鍵通過多晶硅/SiOx對III-V/Si的界面進行鈍化，有效抑制了載流子在結界面的復合，將該種雙端多結硅基太陽能電池的效率提高至33.3%。

【圖文簡介】

圖1：雙端晶片鍵合的多結太陽能電池的結構

(a). Ga_0.51In_0.49P/GaAs//Si 太陽能電池的層層結構；

(b). 電池的能帶結構；

(c). 該電池的照片。

圖2:III-V//Si 晶片電池鍵合界面的表征

(a). III-V//Si 晶片電池的結構圖；

(b). GalnP/GaAs頂部電池的橫截面STEM-HAADF圖；

(c). GaAs//poly-Si鍵合界面的高分辨率透射電鏡圖；

(d). GaAs//poly-Si/Si 截面STEM-HAADF圖；

(e, f). 硅和氧的能譜分析。

圖3：GalnP/GaAs//Si 電池的性能表征

(a). 4英尺太陽能電池照片；

(b). 16個電池歸一化后的電壓分布圖；

(c-e). 16個電池的開路電壓、填充因子和短路電流的統計分布；

(f). 三個子電池的外量子效率曲線及總和；

(g). 器件的J-V曲線。

圖4:通過陷光結構來提升硅的紅外響應

(a). 多晶硅/SiO_x/晶體硅的側面結構示意圖；

(b, c). 具有納米陷光結構的硅電池的側面和傾斜面SEM圖；

(d). 具有納米光柵衍射的4英尺電池的光學照片；

(e). 具有陷光結構和無陷光結構的電池的EQE對比，紅外吸收增強。

圖5:具有鈍化層與陷光結構的雙端III-V//Si電池的性能

(a). 三個子電池的外量子效率曲線及總和；

(b). 雙端III-V//Si電池的J-V曲線。

圖6：雙端III-V//Si雙端電池中子電池的開路電壓和頻譜利用率與SQ限制值及最高紀錄值的對比圖

(a). 雙端III-V//Si雙端電池中子電池的開路電壓與SQ限制值及最高紀錄值的對比圖；

(b). 雙端III-V//Si雙端電池中子電池的頻譜利用率與SQ限制值及最高紀錄值的對比圖。

【小結】

研究者成功研制出了雙端III-V//Si多結太陽能電池，并且通過界面鈍化與陷光處理成功將器件效率提升至33.3%。該電池的設計與傳統商業化的硅基太陽能電池制備相兼容，這為提升硅基太陽能電池的市場效率具有重要的意義。

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

本文由材料人編輯部新能源學術組金也供稿，材料牛編輯整理。

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