新型II-VI/III-V族多结叠层太阳电池材料与器件研究

In order to further improve the efficiency of solar cell and realize solar spectrum matching, it is difficult to meet both bandgap and lattice-matched requirements that multi-junction solar cells only rely on III-V materials. Therefore, it is necessary to develop new photovoltaic material systems which offer the ability to independently choose the bandgap energy for each junction while maintaining the substrate lattice constant for the best possible performance. In this project, multi-junction solar cells are designed using lattice-matched II-VI and III-V semiconductors, and their bandgaps can cover the entire solar spectrum. We will research and resolve the key and fundamental issues of II-VI/III-V tandem solar cells.This topic to research the new high efficiency solar cell prototype device as the goal, strive for 4 years time in-depth study photovoltaic material growth and device fabrication technology,developed the photoelectric conversion efficiency reached 28% of the new solar cell prototype device.

本课题提出了一种开发高效多结叠层太阳电池的新思路，即采用分子束外延（MBE）技术将III/V（Al、Ga、In、As、P、Sb）族和II/VI（Zn、Cd、Se、Te）族半导体材料结合起来研制具有高转换效率的新型全光谱多结太阳电池。这既充分利用了III/V和II/VI族材料在禁带宽度上互补的特点，又利用了它们在晶格常数上匹配的优势，克服了仅依靠III-V族材料很难同时满足能带和晶格匹配双重要求的难题。理论计算显示该结构的叠层电池可实现对太阳光的全光谱吸收，并可满足5结、6结甚至更多结数的电池设计要求。本课题以研制新型II-VI/III-V族高效多结叠层太阳电池的原型器件为目标，力争4年时间内深入研究电池材料生长和器件制造工艺，突破和掌握有自主知识产权的II-VI族材料的二次外延生长技术和叠层多结电池器件制造的关键技术，研制出光电转换效率初步达到28％的新型太阳电池原型器件。

高效的太阳电池技术是世界各国开发绿色的可再生能源的重要途径之一，具有非常广阔的应用前景。本课题以研制一种新型高效的II-VI/III-V族多结叠层太阳电池的原型器件为目标，即采用分子束外延技术将II/VI族（Zn、Cd/Se、Te）和III/V族半导体材料结合起来研制具有高转换效率的新型全光谱多结太阳电池，克服仅依靠III-V族外延材料很难同时满足能带和晶格匹配双重技术要求的难题。为此我们开展了基于II-VI/InGaP/GaAs/Ge四结叠层太阳电池中II-VI族顶电池的模拟结构设计与计算；采用分子束外延技术深入研究了在GaAs(001)衬底上生长制备II-VI族外延材料及n/p型掺杂的关键技术，制备出了ZnSe、ZnTe、ZnSeTe等一系列高质量的II-VI族单晶薄膜材料及其n、p型掺杂样品，测试分析了多种II-VI/ GaAs异质结样品的光伏特性，研究了II-VI族外延材料表面金属电极的欧姆接触特性和单结电池器件的制作工艺。由于我们未能制备出高掺杂浓度的II-VI族同质p-n结材料，而遗憾地没有研制成功新型的II-VI/III-V族多结叠层电池原型器件。尽管未实现预期的研究目标，但我们在分子束外延生长II-VI族单晶薄膜材料方面积累了丰富经验，深刻认识了其外延材料单极性掺杂的特性及其可能的解决方案，为今后进一步探索和研究指明了方向，具有重要的学术意义。