研究背景與挑戰(zhàn)

1. 多結(jié)太陽能電池的技術(shù)瓶頸

III-V族多結(jié)太陽能電池具備光電轉(zhuǎn)換效率，為太空應(yīng)用。柔性GaInP/GaAs/InGaAs電池更兼具輕量化、高比功率、優(yōu)異抗輻射性等優(yōu)勢。然而，進(jìn)一步提升效率面臨關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

• 材料生長難題：高帶隙AlGaInP、高晶格失配InGaAs及透明隧道結(jié)制備困難

• 應(yīng)力平衡限制：超過100周期量子阱的應(yīng)力控制極為困難，特別是在2.2%晶格失配條件下

• 輻射損傷敏感：GaAs子電池易受太空高能粒子損傷，載流子收集效率下降

2. 量子阱技術(shù)的應(yīng)用挑戰(zhàn)

量子阱（QWs）為提升多結(jié)電池效率的有效途徑，但引入新的技術(shù)復(fù)雜性：

• 多重物理效應(yīng)：量子尺寸效應(yīng)（QSE）、量子局限斯塔克效應(yīng)（QCSE）及應(yīng)力效應(yīng)共同影響有效帶隙

• 界面質(zhì)量控制：過度階梯聚束導(dǎo)致形貌退化，增加Shockley-Reed-Hall復(fù)合，降低Voc和FF

• 精密應(yīng)力平衡：單層厚度須低于Matthews-Blakeslee臨界厚度，微小誤差即可能導(dǎo)致彈性弛豫

研究團(tuán)隊(duì)及重點(diǎn)成果

這項(xiàng)研究的團(tuán)隊(duì)，主要來自中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所 (SINANO) 納米器件與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，由陸書龍教授領(lǐng)導(dǎo)，發(fā)表在國際的科學(xué)期刊 《Nano Energy》。透過導(dǎo)入40周期量子阱超晶格，成功提升了柔性GaInP/GaAs/InGaAs太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

此研究旨在開發(fā)出高效能、大面積的柔性三結(jié)太陽能電池，特別是為了太空應(yīng)用環(huán)境下的AM0光譜進(jìn)行優(yōu)化。最終，他們成功制備出2 × 4 cm2 的柔性量子阱太陽能電池，在AM0光譜下實(shí)現(xiàn)了33.47%的光電轉(zhuǎn)換效率，并達(dá)到17.665 mA/cm2的短路電流密度。

Fig 6a

實(shí)驗(yàn)步驟與過程

這篇研究的實(shí)驗(yàn)過程主要可分為以下幾個(gè)步驟：

• 材料生長首先透過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 技術(shù)，在砷化鎵      (GaAs) 襯底上生長了倒置三結(jié)砷化鎵磷/砷化鎵/砷化銦鎵 (GaInP/GaAs/InGaAs) 太陽能電池結(jié)構(gòu)。

• 量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與嵌入 為了優(yōu)化電池性能，在GaAs中間電池的本征區(qū)內(nèi)，嵌入了40周期InGaAs/GaAsP量子阱超晶格。這種設(shè)計(jì)采用了應(yīng)力平衡策略，即利用壓縮應(yīng)變的InGaAs阱和拉伸應(yīng)變的GaAsP勢壘來確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并透過梯度緩沖層來釋放與InGaAs底部電池之間的失配應(yīng)力。

• 柔性電池制備 柔性量子阱太陽能電池的制備是透過一種一次性低溫轉(zhuǎn)移技術(shù)在25℃下完成的。

1.            在P-InGaAs接觸層上蒸鍍了鈦/鉑/金 (Ti/Pt/Au) 作為背電極。

2.            透過電化學(xué)沉積在背部金屬上電鍍了一層16-17微米厚的銅膜，并將其與臨時(shí)玻璃襯底黏合。

3.            透過濕法蝕刻移除了GaAs襯底和GaInP蝕刻停止層。

4.            在N-GaAs接觸層上蒸鍍了前電極金屬，并在氮?dú)夥諊羞M(jìn)行低溫退火以形成良好的奧姆接觸。

5.            在電池頂部沉積了二氧化鈦/氧化鋁 (TiOx/Al2O3) 抗反射涂層，并從臨時(shí)襯底上剝離，最終獲得了柔性量子阱太陽能電池。

• 性能評估 制備完成的柔性量子阱太陽能電池在未經(jīng)認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室中，于25℃環(huán)境溫度下使用模擬器進(jìn)行了AM0光譜下的電性測試，并透過參考電池進(jìn)行了校準(zhǔn)。此外，也測量了外部量子效率 (EQE)，并分析了電池的暗電流-電壓特性及次電池的電性。

表征方法與成果

光電轉(zhuǎn)換效率與電流輸出提升 (J-V 曲線)

在 25℃ 下進(jìn)行 AM0 光譜測試，并運(yùn)用雙二極管模型分析暗電流特性。

推薦使用Enlitech SS-ZXR AM0 標(biāo)準(zhǔn)光譜太陽光模擬器，其光譜輸出依據(jù) ASTM AM0 標(biāo)準(zhǔn)（ASTM E927-10）設(shè)計(jì)，關(guān)鍵波段具備優(yōu)異的光譜匹配能力，能模擬外層空間 1366 W/m2 的太陽照度，并實(shí)現(xiàn)空間非均勻性控制在 2% 以內(nèi)。

在 AM0 光譜下，40 周期量子阱使 2×4 cm2 柔性電池效率從 32.30% 提升至 33.47%，短路電流密度 (Jsc) 從 16.859 mA/cm2 顯著增加至 17.665 mA/cm2。盡管量子阱引入導(dǎo)致開路電壓 (Voc) 和填充因子 (FF) 略降，但 Jsc 大幅提升足以彌補(bǔ)損失，實(shí)現(xiàn)整體性能改善。暗電流分析顯示界面增加導(dǎo)致 SRH 復(fù)合增強(qiáng)，解釋了 Voc 和 FF 下降機(jī)制。

Fig. 6a 展示 AM0 光譜下量子阱與傳統(tǒng)電池 J-V 曲線對比，直接證明量子阱對效率提升的貢獻(xiàn)。

Fig. 6b 呈現(xiàn)暗電流特性，曲線形態(tài)變化與光照性能中 Voc、FF 下降趨勢一致，支持復(fù)合機(jī)制分析結(jié)果。

量子阱區(qū)域的顯著光譜吸收提升與電流匹配 (EQE)

測量太陽能電池在不同波長下的響應(yīng)效率，確定光譜吸收范圍、量子阱吸收貢獻(xiàn)及各子電池電流匹配情況。

量子阱太陽能電池三個(gè)子電池最大電流失配僅為1.50%，展現(xiàn)優(yōu)異光電流匹配性能。量子阱吸收峰位于920 nm處（對應(yīng)帶隙1.348 eV），與PL實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在量子阱覆蓋波長范圍（905-923 nm）內(nèi)，平均外部量子效率約為47%，最大響應(yīng)達(dá)42%，有效拓寬光譜吸收范圍并增加短路電流貢獻(xiàn)。

Fig. 6d 展示量子阱太陽能電池EQE響應(yīng)曲線，在近紅外波段（900-930 nm）出現(xiàn)明顯吸收峰，直接證實(shí)量子阱成功擴(kuò)展光譜響應(yīng)范圍。

子電池電壓優(yōu)化與低電壓偏移 (EQE/EL 光電互易關(guān)系推導(dǎo))

透過分析各子電池電壓特性與帶隙匹配程度，間接評估載流子復(fù)合損失，實(shí)現(xiàn)最佳光電流匹配。利用外部量子效率 (EQE) 與電致發(fā)光 (EL) 光電互易關(guān)系計(jì)算單個(gè)子電池 J-V 特性曲線。

一個(gè)太陽光照條件下，頂層、中間層和底層子電池開路電壓分別為 1.43 V、0.96 V 和 0.56 V，對應(yīng)帶隙電壓偏移 (WOC) 分別為 0.47 V、0.46 V 和 0.39 V。所有子電池材料質(zhì)量經(jīng)過優(yōu)化，使量子阱電池在多結(jié)結(jié)構(gòu)中維持較低 WOC 值，展現(xiàn)優(yōu)異電壓表現(xiàn)。

Fig. 6e 展示各子電池 J-V 特性曲線，直觀呈現(xiàn)不同注入電流密度下的電壓響應(yīng)，證實(shí)各子電池均能產(chǎn)生穩(wěn)定電壓且與帶隙結(jié)構(gòu)良好匹配。

40周期量子阱展現(xiàn)優(yōu)異效率均勻性 (效率均勻性統(tǒng)計(jì))

評估不同周期數(shù)量子阱電池在大面積制備下的效率分布和合格率。對40對和80對量子阱各60個(gè)樣品（8 cm2）進(jìn)行效率統(tǒng)計(jì)，以33% (AM0)作為優(yōu)異標(biāo)準(zhǔn)線。

40對量子阱電池效率合格率達(dá)83.3%，而80對量子阱電池合格率僅66.7%。過多的80周期應(yīng)力平衡超晶格導(dǎo)致外延材料不均勻性，40周期量子阱能同時(shí)滿足光譜精細(xì)控制和大尺寸器件效率均勻性要求，對實(shí)際應(yīng)用具重要參考價(jià)值。

Fig. 6c 展示40對和80對量子阱太陽能電池效率統(tǒng)計(jì)直方圖，直觀對比兩種量子阱數(shù)量電池的效率分布，突出40周期量子阱電池更高效率合格率及其在實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。

其他表征

優(yōu)異的應(yīng)力平衡與周期結(jié)構(gòu)驗(yàn)證 (X-射線繞射, XRD)

評估晶體結(jié)構(gòu)完整性、晶格常數(shù)、內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，驗(yàn)證量子阱周期厚度與界面質(zhì)量。證實(shí)出色的應(yīng)力平衡控制，界面質(zhì)量高無缺陷，單個(gè)量子阱周期厚度13.8 nm，量子阱層與GaAs襯底相干生長。(圖2a, 2b)

良好界面同構(gòu)型與無位錯(cuò)缺陷 (穿透式電子顯微鏡, TEM)

直接觀察材料微觀結(jié)構(gòu)、層厚度、界面形貌及晶體缺陷，驗(yàn)證材料生長質(zhì)量。40周期量子阱展現(xiàn)良好界面同構(gòu)型，突變界面清晰，無明顯厚度波動(dòng)，整個(gè)堆棧中無彈性弛豫現(xiàn)象及位錯(cuò)缺陷。(圖3a, 3b, 3c)

極低表面粗糙度與低缺陷密度 (原子力顯微鏡, AFM)

評估外延層表面形貌和粗糙度，關(guān)聯(lián)材料生長質(zhì)量和缺陷密度。量子阱電池表面粗糙度降至2.40 nm（優(yōu)于傳統(tǒng)電池2.48 nm），有效減少緩沖層位錯(cuò)滑移障礙，降低活性區(qū)缺陷密度。(圖3d, 3e)

量子阱的吸收波長拓展與材料質(zhì)量 (光致發(fā)光, PL)

評估材料發(fā)光特性、帶隙信息及載流子復(fù)合機(jī)制，間接反映晶體質(zhì)量。應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)致價(jià)帶分裂，產(chǎn)生920 nm和884 nm兩個(gè)PL峰，證實(shí)量子阱成功拓展中間電池吸收波長范圍。(圖4a, 4b)

結(jié)論

• 高效能柔性三結(jié)太陽能電池的實(shí)現(xiàn)：研究團(tuán)隊(duì)成功制備了2 × 4      cm2（總面積8 cm2）的柔性GaInP/GaAs/InGaAs三結(jié)太陽能電池。

• 量子阱超晶格的創(chuàng)新應(yīng)用：透過在GaAs中間電池中引入40周期InGaAs/GaAsP量子阱超晶格，成功實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的光譜控制和電流提升。

• 顯著提升光電轉(zhuǎn)換效率：在AM0光譜下，所制備的柔性量子阱太陽能電池達(dá)到了33.47%的光電轉(zhuǎn)換效率，相較于傳統(tǒng)柔性電池的32.30%有顯著提升。

• 短路電流密度的優(yōu)化：得益于擴(kuò)展的光譜吸收范圍（量子阱區(qū)域外部量子效率約為40%），短路電流密度從傳統(tǒng)電池的16.859 mA/cm2提升至17.665 mA/cm2。

• 應(yīng)力平衡與材料質(zhì)量控制：透過精確的應(yīng)力平衡設(shè)計(jì)（使用壓縮應(yīng)變的GaInAs阱和拉伸應(yīng)變的GaAsP勢壘），確保了量子阱結(jié)構(gòu)幾乎沒有位錯(cuò)缺陷，并保持了良好的界面均勻性及極低的表面粗糙度。

• 低溫柔性化制備技術(shù)：采用了一次性低溫轉(zhuǎn)移技術(shù)（在25℃下進(jìn)行），有效降低了襯底間的應(yīng)力及外延應(yīng)力引起的缺陷，成功實(shí)現(xiàn)了柔性電池的制備。

40周期量子阱的實(shí)用價(jià)值：研究發(fā)現(xiàn)，40周期量子阱相較于80周期量子阱，在實(shí)現(xiàn)高效能的同時(shí)，具有更優(yōu)異的效率均勻性（40周期電池的效率合格率為83.3%，80周期為66.7%），使其成為更經(jīng)濟(jì)且實(shí)用的方案，對大面積柔性三結(jié)太陽能電池的實(shí)際應(yīng)用具有重要參考價(jià)值。

文獻(xiàn)參考自Nano Energy_DOI: 10.1016/j.nanoen.2025.110718 

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