Aenert. Research Laboratory news
太阳能电池和太阳能电池板通常用于利用太阳能并以环保的方式将其转化为电能。然而，尽管其广泛应用，其光伏能源转换效率或多或少限于29.4%。为了在一定程度上改善这一限制，可以在它们上涂上额外的材料来制造“多结”太阳能电池。在这些电池中，多个光吸收层相互堆叠，使得每层都有效吸收太阳光色谱的特定部分，这可以极大地提高电池效率。

现在（ 2023 年），弗劳恩霍夫太阳能研究所 ISE 和 NWO-Institute AMOLF（阿姆斯特丹）的一组研究人员设计了一种多结太阳能电池，效率达到 36.1%。这是迄今为止报道的基于硅的太阳能电池的最高效率。该研究项目由弗劳恩霍夫 ICON 计划资助。弗劳恩霍夫团队专注于制造基于硅和 III-V 族半导体（例如 GaInP 或 GaAs）的超高效太阳能电池。

新电池结合了“硅TOPCon”太阳能电池（一种新开发的高效电池设计）以及由磷化镓铟（GaInP）和磷化镓铟砷化物（GaInAsP）组成的两个半导体层。层堆叠还涂有专门设计的金属/聚合物纳米涂层。背反射器提高了电池捕获太阳能电池内部光线的能力，从而首次将效率提高到 36% 以上。

Image: Schematic layer stack of the III–V//Si triple-junction solar cell design including a double-layer antireflection coating (ARC), a highly doped n-GaAs cap layer below the contacts, a GaInP-rear-heterojunction top cell, a GaInAsP homojunction middle cell, a silicon bottom cell with tunnel-oxide passivating contacts (TOPCon) and a nanostructured diffractive rear-side grating for light path enhancement



Source: Patrick Schygulla1, Ralph Müller1, Oliver Höhn1, Michael Schachtner1, David Chojniak1, Andrea Cordaro², Stefan Tabernig², Benedikt Bläsi1, Albert Polman², Gerald Siefer1, David Lackner1, and Frank Dimroth/ Wafer-bonded two-terminal III-V//Si triple-junction solar cell with power conversion efficiency of 36.1 % at AM1.5g/ Progress in Photovoltaics Research and Applications, November 2021/ DOI:10.1002/pip.3503/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

条款分发 多结太阳能电池被视为是推动太阳能电池应用的主要参与者。2023年，科学家们创造了一种工业掩模和电镀工艺，用于 III-V 族太阳能电池的正面金属化，可以取代昂贵的光刻技术。金属触点是通过使用精确结构的掩模直接将镍 (Ni) 电镀到太阳能电池的正面来设计的。通过喷墨印刷，在太阳能电池的正面制作出狭窄的开口，从而为后续的电镀做好准备。所得镍触点的宽度低至 (10.5 ± 0.8) µm，具有锋利的边缘和均匀的形状。4 cm2 尺寸的冠军 III-V 硅三结太阳能电池具有掩模和板正面金属化，能够达到经过认证的转换效率 η (31.6 ± 1.1) %（AM1.5 g 光谱）。

Image: Photograph of a III–V//Si wafer with inkjet-printed plating resist/mask on the front side. The mask is structured to realize twelve front grids for separate 4 cm²-sized solar cells. These exhibit two busbars at opposing edges and 22 fingers positioned rectangularly in between a pair of busbars. The mask opening width for the fingers varies from 15 µm (two left and two right cells) over 25 µm (four cells in second column from the left) to 35 µm (four cells in third column from the left). Additionally, a microscope image is shown in a green box. It highlights the transition area where a finger opening meets a busbar opening in the mask



Source: Jörg Schube, Oliver Höhn, Patrick Schygulla, Ralph Müller/ Mask and plate: a scalable front metallization with low-cost potential for III–V-based tandem solar cells enabling 31.6 % conversion efficiency/ Scientific Reports 13(1), September 2023/ DOI:10.1038/s41598-023-42407-4/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

同样在2023 年科学家们借助双晶X射线衍射和场发射扫描电子显微镜分析了富砷GaAs1−xPx/(100)GaAs异质结构的拉伸应变弛豫和成分控制。他们发现薄（80-150 nm）GaAs1−xPx 外延层通过沿样品平面方向的错配位错网络部分松弛。他们还将作为外延层厚度函数的残余晶格应变值与平衡（Matthews-Blakeslee）和能量平衡模型的预测进行了比较。发现外延层的弛豫速度比根据平衡模型预期的要慢，这归因于新位错成核的能垒的存在。通过研究 GaAs1−xPx 成分与生长过程中蒸气中 V 族前体比率的关系，研究人员能够确定 As/P 阴离子偏析系数。P-掺入近假晶异质结构被证明是动力学激活的，在整个合金成分范围内激活能 EA = 1.41±0.04 eV。

Image: Plan-view FESEM micrographs of Sample C recorded by using the microscope (a) SE and (b) BSE current signals. A short-faceted trench (FT) indicated by the arrow is observed in (a) and better visualized in the magnified micrograph shown in the inset. The same FT is observed as a few-micron long and narrow black segment in (b). White markers in the micrographs represent 4 μm



Source: Paola Prete, Daniele Calabriso, Emiliano Burresi, Leander Tapfer/ Lattice Strain Relaxation and Compositional Control in As-Rich GaAsP/(100)GaAs Heterostructures Grown by MOVPE/ Materials 16(12):4254,  June 2023/ DOI:10.3390/ma16124254/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

的条款分发新的多结太阳能电池设计有很多好处： 多结电池更便宜与超高效率太阳能电池或传统硅太阳能电池相比，其效率高达 27%。其高效率对于可用空间有限且必须在小区域内产生大量太阳能的应用来说是一个巨大的好处。可能的应用领域包括太阳能电动汽车、消费品和无人机等。新的光管理设计也适用于其他类型的太阳能电池，例如硅钙钛矿多结太阳能电池。

两个团队的研究人员能够结合现有的最佳工艺，共同创造硅基多结太阳能电池的新效率记录，这是一项伟大的成就。对于这一结果，不仅来自 AMOLF 的新型背反射器，而且弗劳恩霍夫改进的 GaInAsP 中间电池也为这一出色的结果做出了贡献。

编委会