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蘇州納米所在柔性高效多結太陽電池研究方向取得新進展

2021-01-28

 

柔性高效太陽電池在航空航天、新能源汽車、智能可穿戴裝備等領域有重要應用。針對柔性高效III-V化合物半導體多結太陽電池制備中存在的光電流匹配的多結材料高質量生長以及大尺寸外延材料的剝離和轉移等技術難題,中科院蘇州納米所陸書龍研究團隊開展了長期的研究,近期取得了重要進展。

在基于兩步鍵合轉移方法制備的33.13%的倒置三結GaInP/GaAs/InGaAs(J. Cryst. Growth 2019, 513: 38)柔性太陽電池的基礎上,研究團隊經過多年積累,創新性地提出了電鍍與低溫鍵合相結合的外延薄膜轉移方案,優化了柔性高效太陽電池的制備工藝,批量能力強、良品率高,電池更輕柔。采用該技術制備的柔性高效三結太陽電池,光電轉換效率達到34.68%,重量面密度僅有169g/m2。該技術已申請國家發明專利(201810904936.5和 201910132351.0),并通過PCT國際專利(PCT/CN2019/078134)進入美國、日本、歐盟等國家。

在柔性四結太陽電池的研究方面,針對倒置直接生長的AlGaInP/AlGaAs/InGaAs/InGaAs四結太陽電池存在的低短路電流密度但J-V曲線形狀正常的這一關鍵問題,進行了四結電池的失效分析研究。結果表明,AlGaInP頂電池是導致電流密度降低的主要原因,較低外量子效率表明AlGaInP材料的少數載流子無法有效收集,導致短路電流密度降低。二次離子質譜(SIMS)結果表明,失效的電池主要是由于在AlGaInP材料生長過程中引入了較高濃度的氧,很容易形成Al-O深能級缺陷。通過優化AlGaInP子電池材料的生長,在前期25%(未鍍反射膜)的光電轉換效率基礎上(Sol. Energy. Mat. Sol. Cell 2020, 208: 110398),進一步獲得了效率為34.9%、開路電壓為3.53V的四結太陽電池。最新研究成果以Failure Analysis of Thin Film Four-Junction Inverted Metamorphic Solar Cells為題在線發表在光伏領域權威期刊Prog. Photovolt. Res. Appl.(DOI: 10.1002/pip.3355)。

圖1. IMM四結太陽電池J-V曲線和結構示意圖。

同時,針對多結疊層太陽電池子電池特性無法直接測量的難點,采用外量子效率(EQE)和電致發光譜(EL)的光電互易原理,計算分析各子電池光電特性,實現了針對性指導多結太陽電池優化設計。該成果以Subcells Analysis of Thin Film Four-Junction Solar Cells Using Optoelectronic Reciprocity Relation為題發表在Sol. RRL(DOI: 10.1002/solr.202000542)。

圖2. IMM四結太陽電池EQE曲線和不同注入電流EL發射曲線。

圖3. 通過EL和EQE光電互易原理計算的子電池J-V特性曲線。

上述相關工作的主要作者為中科院蘇州納米所在讀博士研究生龍軍華等,通訊作者為陸書龍研究員。上述工作得到了國家自然科學基金重點和面上項目、國家重點研發計劃課題、企業合作以及所自有資金項目等資助。

(來源:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所



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