陆书龙团队在柔性高效多结太阳电池研究方向取得新进展

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柔性高效太阳电池在航空航天、新能源汽车、智能可穿戴装备等领域有重要应用。针对柔性高效III-V化合物半导体多结太阳电池制备中存在的光电流匹配的多结材料高质量生长以及大尺寸外延材料的剥离和转移等技术难题，中科院苏州纳米所陆书龙研究团队开展了长期的研究，近期取得了重要进展。
　　在基于两步键合转移方法制备的33.13%的倒置三结GaInP/GaAs/InGaAs（J. Cryst. Growth 2019, 513: 38）柔性太阳电池的基础上，研究团队经过多年积累，创新性地提出了电镀与低温键合相结合的外延薄膜转移方案，优化了柔性高效太阳电池的制备工艺，批量能力强、良品率高，电池更轻柔。采用该技术制备的柔性高效三结太阳电池，光电转换效率达到34.68%，重量面密度仅有169g/m2。该技术已申请国家发明专利（201810904936.5和 201910132351.0），并通过PCT国际专利（PCT/CN2019/078134）进入美国、日本、欧盟等国家。
　　在柔性四结太阳电池的研究方面，针对倒置直接生长的AlGaInP/AlGaAs/InGaAs/InGaAs四结太阳电池存在的低短路电流密度但J-V曲线形状正常的这一关键问题，进行了四结电池的失效分析研究。结果表明，AlGaInP顶电池是导致电流密度降低的主要原因，较低外量子效率表明AlGaInP材料的少数载流子无法有效收集，导致短路电流密度降低。二次离子质谱（SIMS）结果表明，失效的电池主要是由于在AlGaInP材料生长过程中引入了较高浓度的氧，很容易形成Al-O深能级缺陷。通过优化AlGaInP子电池材料的生长，在前期25%（未镀反射膜）的光电转换效率基础上（Sol. Energy. Mat. Sol. Cell 2020, 208: 110398），进一步获得了效率为34.9％、开路电压为3.53V的四结太阳电池。最新研究成果以Failure Analysis of Thin Film Four-Junction Inverted Metamorphic Solar Cells为题在线发表在光伏领域权威期刊Prog. Photovolt. Res. Appl.（DOI: 10.1002/pip.3355）。

　　　　图1. IMM四结太阳电池J-V曲线和结构示意图。

　　同时，针对多结叠层太阳电池子电池特性无法直接测量的难点，采用外量子效率（EQE）和电致发光谱（EL）的光电互易原理，计算分析各子电池光电特性，实现了针对性指导多结太阳电池优化设计。该成果以Subcells Analysis of Thin Film Four-Junction Solar Cells Using Optoelectronic Reciprocity Relation为题发表在Sol. RRL（DOI: 10.1002/solr.202000542）。

　　　　图2. IMM四结太阳电池EQE曲线和不同注入电流EL发射曲线。

　　　　图3. 通过EL和EQE光电互易原理计算的子电池J-V特性曲线。

　　上述相关工作的主要作者为中科院苏州纳米所在读博士研究生龙军华等，通讯作者为陆书龙研究员。上述工作得到了国家自然科学基金重点和面上项目、国家重点研发计划课题、企业合作以及所自有资金项目等资助。


       文章来源：苏州纳米所
       陆书龙，苏州纳米所。2003年中科院半导体研究所超晶格国家重点实验室理学博士。2002年至2003年于香港科技大学物理系从事助理研究。2003年-2006年，在德国柏林Paul-Drude电子研究所做博士后；2006年-2008年，日本早稻田大学应用物理系担任客员讲师。2008年4月加入苏州纳米所。现为中科院苏州纳米所研究员，博士生导师。长期从事III-V族化合物半导体材料的MBE生长及相关光电器件研制工作。发表论文70余篇,申请中国专利34项，授权十余项，其中USA及PCT专利两项。入选江苏省第四期“333高层次人才工程”及2009年度苏州市紧缺人才。所培养的研究生获得国家奖学金、美国超导奖、BHBP、伍宜孙奖学金及独墅湖奖学金等各类奖学金。