ACS Nano :低成本多層生長超薄納米結構砷化鎵太陽能電池

【引言】

近年來，砷化鎵太陽能電池效率已經接近其理論極限。在砷化鎵太陽能電池的制備過程中，其外延材料需生長在昂貴的本質襯底上，導致生產成本過高，限制了其在實際生活中的應用。外延層剝離(ELO)是反復利用生長襯底的工藝，曾被認為是一種能夠顯著降低電池成本的有效辦法。但反復進行外延生長自然會包含大量工藝工程和熱循環過程，這導致了電池材料晶體缺陷的累積并破壞了制造質量。對于這一點，有研究人員曾提出一種可避免傳統ELO過程中缺陷產生的方法，然而由于在制備過程中無法讓設備層之間保持統一的材料特性和使用性能，因此該方法不適合用于在砷化鎵光伏器件的制備中。近來，碳被用作p型雜質摻雜進入“p-on-n”型電池中，由多層生長所需的長時間熱處理產生的碳相關點缺陷及氫的摻雜鈍化作用對電池性能產生了明顯的惡化效果。因此，p型摻雜劑的擴散和不斷延長的高溫熱處理是光伏器件實際應用中必須克服的技術難題。在這方面，砷化鎵太陽能電池擁有超薄(200-300 nm)活性層，能夠提高材料整體電子比例，縮短膜生長時間，減少熱處理，降低對材料特性的損害。有研究證實，通過對光子的最優化處理能夠顯著增強超薄砷化鎵太陽能電池光子吸收能力，減少材料用量，進而提高成本效益。

【成果簡介】

近日，耶魯大學Minjoo L. Lee教授和南加州大學Jongseung Yoon教授(共同通訊作者)在ACS Nano上發表了題為“Multilayer-Grown Ultrathin Nanostructured GaAs Solar Cells as a Cost-Competitive Materials Platform for III?V Photovoltaics”的文章，文中報道了一種制備具有統一光伏性能并可多層生長砷化鎵太陽能電池的方法。該研究團隊以鈹為p型摻雜劑，通過分子束外延技術獲得超薄單結砷化鎵太陽能電池，有效解決了p型摻雜劑擴散問題，在一定程度上減少了外延材料層生長時間，使得微尺寸（約500×500 μm2）砷化鎵太陽能電池多個器件層之間都具有高度一致的光伏性能和接觸特性。同時利用六角周期性TiO2納米柱與垂直p型金屬接觸作為金屬背面反射器，結合特定外延設計以減少寄生光損失，增強光子捕獲能力,光電轉換效率約為17%。

【圖文導讀】

圖1.三疊層超薄砷化鎵太陽能電池結構制作過程示意圖及其光學圖像

(a)垂直接觸型三疊層超薄砷化鎵太陽能電池制備過程示意圖

(b)不同工藝步驟中砷化鎵微電池的光學顯微圖，左上角是n型金屬沉積后的圖像，右上角是孤立微電池圖像，左下角是p型金屬沉積提取后圖像，右下角是印刷后圖像

(c)垂直接觸型砷化鎵太陽能微電池10×10陣列的光學圖像，插圖是放大圖像

圖2.外延設計

(a)三疊層超薄砷化鎵太陽能電池外延設計詳細過程

(b)三疊層超薄砷化鎵太陽能電池橫截面SEM圖

(c)由標準傳輸線模型(TLM)測量得到n型金屬接觸總電阻與金屬板間距之間的函數關系圖,插圖為TLM測量中金屬板幾何示意圖

(d)由標準傳輸線模型(TLM)測量得到p型金屬接觸總電阻與金屬板間距之間的函數關系圖，插圖是p型摻雜砷化鎵電池中金屬板的光學圖像

圖3.鈹擴散程度的定量評估

(a-c)分別為所制成的三疊層砷化鎵太陽能電池頂部、中部和底部的SIMS深度信息圖,綠線中的兩個峰分別對應著Al0.52In0.48P和Al0.40Ga0.60As

圖4.超薄砷化鎵太陽能電池光伏性能表征

(a-b)超薄砷化鎵太陽能電池轉印前頂部、中部和底部的J-V曲線以及相應的J_SC、FF、V_OC、η，插圖是轉印前被測砷化鎵微電池光學圖像

(c-d)超薄砷化鎵太陽能電池轉印后頂部、中部和底部的J-V曲線以及相應的J_SC、FF、V_OC、η，插圖是轉印后被測砷化鎵微電池光學圖像

(e)砷化鎵太陽能電池轉印前后頂部、中部和底部的半對數IV曲線，其中提取的平均二極管理想因子分別為2.1和2.3

(f)轉印前電池頂部、中部和底部的IQE、EQE和阻抗譜

圖5.TiO2 NPs最優設計的確定

(a)由FDTD原理計算得到超薄砷化鎵太陽能電池窗口層、發射層和背面場層集成太陽能通量吸收Sabs等值面圖

(b)超薄砷化鎵納米結構太陽能電池的最大集成太陽能通量吸收Sabs

(c)測量與計算超薄砷化鎵太陽能電池反射光譜

(d)超薄砷化鎵太陽能電池J-V曲線，插圖是具有TiO2 NPs的砷化鎵太陽能電池轉印后光學圖像以及TiO2 NPs的SEM圖

【小結與展望】

本文報道了一種生長制備多層結構超薄砷化鎵太陽能電池的方法，電池器件層間具有一致的光伏性能。在未來的研究工作中，p型摻雜劑的擴散問題還有進一步研究的空間，碳由于其在接觸界面處較低的擴散率，因而在活性層中的摻雜應用也有待探索研究。

文獻鏈接：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組 Jon 供稿，材料牛編輯整理。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部，參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”

材料測試，數據分析，上測試谷