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文 | 薛铮铮aa

【资料图】

编辑 | 薛铮铮aa

«——【·引言·】——»

超薄太阳能电池是指，薄度小于1微米的太阳能电池，其主要应用领域为集成光电子芯片、灵活电子器件等。在III-V电池领域中，实现超薄太阳能电池是一个重要的目标。

要实现超薄太阳能电池，需要制备具有优秀光学性质的材料。

当前最常用的材料为GaAs和InP，它们具有较高的吸收系数和光电转换效率，被广泛应用于太阳能电池中。

但这些材料成本较高，同时也存在某些工艺技术上的限制。

因此，目前需要寻找新的材料，并研究其成本效益和可加工性。

«——【·新型高效材料·】——»

在太阳能电池将太阳能转化为电能的过程中，主要的能量损失包括传输损失和热化损失，在半导体带隙不同的情况下它们贡献的比例也不同。

有多种策略可用于减少这些损失，例如多结太阳能电池、热载流子太阳能电池、中间带太阳能电池或多激子产生。

«——【·多结器件·】——»

截至今天，多结太阳能电池是唯一证明，性能超过单结 Shockley-Queisser极限，并达到工业应用的概念。

多结器件的理念基于一个事实，即当热化和非吸收不存在时，电池对于波长等于其带隙的光子，达到最大转换效率。

将太阳谱分成数个波长范围，并使用适合带隙的不同电池，对这些波长范围进行转换，可以实现更高的效率。

通过带通滤波器或堆叠不同材料，来实现入射光谱的分裂，其中最高带隙材料位于器件顶部。

堆叠结构可以考虑两种配置，所谓的2线和4线配置。

在2线配置中，堆叠的不同电池被串联连接，所以不同子电池中的电流相等，设备达到其最佳性能。

否则提供最低电流的电池，将限制整个装置传递的电流，而其他电池产生的多余电流将被浪费。

为了实现堆栈中不同结之间的串联连接，使用高再复合层，例如隧道结，应该允许在中等电压降下获得大电流。

在4线配置中，子电池是分别连接的。这放宽了电流匹配的必要性，但会出现其他困难。

由于从每个电池单独提取电流，需要在中间使用低电阻层，和接触网来允许横向电流，这些层还需要高度透明。

所以说2和4线配置，因为设备中包含的不同材料的相容性问题，在内在特性或处理步骤方面也存在复杂性。

不同材料已被用于多结电池的制造， III-V 材料因其提供覆盖太阳光谱的大量可用带隙，而被广泛考虑。

可它有一个限制：需要晶格匹配以保持高材料质量。满足这个条件的一种材料组合是锗/GaAs/InGaP电池。

尽管它能够达到高性能，在364倍太阳下达到41.6%的效率。但该电池离电流匹配的条件相差甚远。

由于锗电池的带隙相当低，它产生的电流几乎是限制子电池电流的两倍。

因此，具有最佳材料组合的设备不容易获得，但可以通过各种技术策略进行接近：晶片键合、变形生长、倒置堆栈、稀硝基和多量子阱。

其中少数几种策略已经取得成功，导致在508倍太阳下报告了迄今最高的转换效率，达到46％，它们可以在聚光光伏中找到商业应用。

晶体衬底是最终成本的重要组成部分，替换锗衬底和电池的硅的提议已提出。

通过结合从晶态到完全非晶态的不同相位，硅电池的带隙可以覆盖相关的带隙值。与III-V材料相比，硅是丰富且具有低成本工艺，可惜效率较低，仅有13.6％。

这些电池如果制成柔性电池，会有各种颜色和形状，可以在特定情况下应用于建筑集成光伏。

然而，由于钙钛矿电池等有吸引力的替代品的出现，微晶硅和非晶硅器件的研究兴趣逐渐失去。

目前约90％的市场由硅电池构成。在实验室中，1999年已经达到了25％的效率门槛，之后略有改进，最高可达26.6％以上。

这些值接近硅电池的理论效率29.4％。因此，硅技术正在达到一个平台，迫使我们需要新的转换概念，例如多结，考虑到硅的带隙与双结器件底部所需的理想带隙不远。

在实验上，III-V材料与硅的集成，才达到了比记录的硅电池更高的效率。从理论来讲，目前的钙钛矿太阳能电池也应该会促使效率提高。

不过，薄膜多晶大带隙CIGS合金的效率相当低，因此它们目前不是在硅上集成的选项。

«——【·超薄电池·】——»

对于传统电池，薄度的限制因素与其吸收率有关：电池必须足够厚，以使大部分光子在所需的波段内被吸收并产生激子。

而对于直接带隙III-V半导体，仅仅需要几微米的厚度。

我们的目标是，在不对太阳能电池吸收产生不利影响的情况下，厚度上将获得1-2个数量级的增益，这意味着GaAs太阳能电池的吸收器厚度应小于100纳米。

推动对超薄太阳能电池研究的兴趣是多方面的，可以分为两个主要方向。

更薄的电池可以提高效率，相同的吸收在更小的厚度上，意味着更高的光学强度，这对开路电压具有积极影响。

浓度还增强了非线性过程的效率。电池更薄还意味着载流子生成更接近接触处，限制了体积复合。

对于热载流子太阳能电池，这是必须满足的要求，其提取时间需要大大缩短，以防止导电电子的热化。

用于III-V太阳能电池的材料可能相当昂贵，厚度的减少直接影响电池的总成本。

由于通常使用分子束外延生长，每秒生长速率约为0.1纳米，因此在超薄电池的情况下，可以大大缩短生长时间，使它们更具经济性。

高效概念通常所需的复杂材料排列，因此难以在超过100纳米的范围内，高品质地生产电池。

«——【·外延升空·】——»

高质量的晶体薄膜，是在厚度为几百微米的基底上生长的，这也占了电池总成本的一部分。为了使吸收层厚度的减少对材料使用有经济影响，基底必须能够用于多次生长。

这就是外延剥离的目的，通过在基底和器件之间生长一个释放层。

利用化学反应和应变的组合，可蚀刻释放层，从而得到一个与基底分离的器件。困难在于能够在合理的时间内，产生无裂纹和低表面粗糙度的层。

主要路径依赖于，在GaAs基底上生长的AlAs牺牲层，与高选择性HF蚀剂相结合。

为了能够在整个晶圆上进行下刻，需要一种机制来保持下，刻溶液到达释放层的开放路径。

这个方法被称为重力辅助ELO，其中器件层被固定到支撑上，然后添加重物到基底层上。

当前还存在其他方法，如用InAlP/HCl替代释放层。它可能导致蚀刻后更清洁的表面，但需要重新思考器件中使用的材料。

此外，还可以应用其他应变来分离器件层，例如表面张力ELO。

«——【·光捕获·】——»

正如前面所述，超薄吸收层意味着光浓缩。在电池的背面放置一个镜子，可以将光有效距离加倍。

通过随机表面结构化，光途径增强的极限是F = 4n2 ，其中n是材料的折射率的实部。

多共振吸收是用于亚波长厚度，直接带隙半导体中的光捕获的另一种方法。

所有这些光途径增强策略，都需要在电池背面放置一个镜子，这是开发ELO的又一个动机。

在这过程中，它需要周期性或准周期性的纳米图案，其尺寸接近波长。

该网格能够用多种方式实现，可以位于电池的顶部或底部，并且由金属或介电材料制成。

经典方法是在电池的背面使用金属图案，因为我们需要后表面成为镜子。

但进行ELO过程前，必须先沉积后镜。例如使用软性纳米压印技术，在器件上旋涂一层薄的介电材料，然后将从硅母模制作的软性PDMS模具应用于其上。

TiO2溶剂通过模具蒸发，剩余的TiO2通过加热处理固化。做完后移除模具，表面上留下纳米图案。

此时整个基底被覆盖一层200nm的金属。最后，通过应用前面介绍的ELO过程，释放器件层并获得一个带有纳米结构背镜的电池。

光管理对于具有量子结构的太阳能电池尤其有趣，例如多重量子阱、超晶格或多层量子点。

实际上，量子层数较少有利于改善载流子传输并减少位错密度。我们将此方法应用于几个潜在应用中，特别是对于由量子点覆盖的光谱区域，其中吸收明显较弱。

制备MQW太阳能电池的方法。这些MQW由In0.18Ga0.82As井组成，其周围为GaAs0.78 P0.22屏障，并被插入到GaAs-p-i-n结的i区域中。

对于由于井与GaAs存在晶格失配而引起的应变，采取了特殊措施使之平衡。

在下图中，比较了这些结构在转移前后，以及在不同的纳米结构背景下的吸收情况。

‘Flat’和‘Transferred’之间的差别：前者背面有一层100 nm厚的TiO2；p表示纳米结构的周期。

与未转移的太阳能电池相比，波长为965 nm时，外量子效率比增强最大可达8倍，而平坦EQE表示在同一波长位置最大可增强5.6倍。

因此，在电池背面添加纳米格栅可实现最大1.5倍的比增强。这些结果，和使用严格耦合波分析进行的电磁计算一致。

该结构仍需要多方面改进，以实现多重共振的全部潜力，例如沉积防反射涂层，并优化纳米格栅参数和沉积方法。

考虑多种选择来开发超薄异质结构，对于基于中间吸收概念的量子点太阳能电池，吸收必须在涵盖价带和导带、价带和中间态、中间态和导带之间的三个光谱区域内增强。

利用不同类型的共振机制，可能是达到所有这些光谱区域高吸收率的方法。计算已经提供了令人信服的结果，并支持这种方法。

«——【·结论·】——»

超薄太阳能电池的关键问题是提高其吸收效率。由于其厚度很薄，能够吸收太阳光的有效深度也很浅，因此需要采用一些技术手段来增强吸收效率。

可以将多个薄层叠加在一起，形成电池层堆结构，以增加光吸收深度；同时还可以利用表面纳米结构、多孔材料等技术手段来增加电池的光吸收面积。

总之，实现超薄太阳能电池是III-V电池领域的一个重要目标。

相信未来通过不断探索和创新，一定能够实现超薄太阳能电池的商业化与产业化。

参考文献：

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2. Jha, A. K., & Das, P. (2015). Challenges and prospects of new generation photovoltaics. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 44, 51-72.

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