蘇州納米所陸書龍團隊在柔性高效多結太陽電池研究方向取得新進展

  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%倒置三結GaInP/GaAs/InGaAsJ. 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艺,批量能力强、良品率高,电池更轻柔。采用该技术制備的柔性高效三结太阳电池,光电转换效率达到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 201910132351.0),並通過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曲线形状正常的这一关键问题,进行了四結电池的失效分析研究。結果表明,AlGaInP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,失效的电池主要是由于在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,進一步獲得了效率爲34.9、開路電壓爲3.53V的四結太阳电池。最新研究成果Failure Analysis of Thin Film Four-Junction Inverted Metamorphic Solar Cells爲題在線發表在光伏領域權威期刊Prog. Photovolt. Res. Appl.DOI: 10.1002/pip.3355)。 

    1. IMM四結太阳电池J-V曲线和结构示意圖。 

  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爲題发表在Sol. RRLDOI: 10.1002/solr.202000542)。 

    2. IMM四結太阳电池EQE曲線和不同注入電流EL發射曲線。 

    3. 通過ELEQE光电互易原理計算的子电池J-V特性曲線。 

  上述相關工作的主要作者爲中科院蘇州納米所在讀博士研究生龍軍華等,通訊作者爲陸書龍研究員。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。 


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