基于1.7eV和2.05eV宽带隙异质结材料改性和能带调控的5结高效太阳电池基础研究

The multijunction solar cell based on III-V semiconductors now has the highest conversion efficiency benefited from the excellent material quality and carrier transport mechanism。 It serves as the main solar energy collector on space vehicles, and also can be apllied to grid electrity generation with cheap optical concentration system, i.e. the so-called third generation solar cell. The state-of-art GaInP(1.9eV)/GaAs(1.4eV)/Ge(0.67eV) triple-junction solar cell, despite the lattice match, has a upper limit (31-32 percent) of the conversion efficiency due to the mismatch between the bandgap distribution and the solar spectra. The practical results show that the GaInP subcell and the Ge subcell have excess photo-current resulted from their narrow bandgaps. One key improvement is to introduce 1.7eV and 2.05eV wide bandgap materials to ultilize the short wavelength light more efficiently than the current structure. However, the material properties corresponding to these bandgaps are different from thoses currently used, leading to the great changes of the energy band lineups and the device structures . Moreover, the tunneling diode connecting these wide bandgap subcells should increase its bandgap to nearly 2.0-2.1eV. In this project, by engineering the energy band and the material property, we are going to conduct the researches of the heterostructure solar cells with 1.7eV and 2.05eV materials, and together with the 2.0-2.1eV tunneling diodes. Finally, based on mature narrow band-gap materials and integration technology, we hope to achieve a high-efficiency five-junction solar cell.

III-V多结太阳电池目前光电转换效率最高，是当前空间飞行器的主电源，同时辅以廉价聚光系统可以在大规模工业发电系统中广泛应用，被称为第三代太阳电池。当前广为使用的GaInP（1.9eV）/GaAs（1.4eV）/Ge（0.67eV）结构尽管晶格匹配，但顶/底电池吸收范围不够宽，与太阳光谱不匹配，表现为GaInP顶电池和Ge底电池电流偏大，使电池效率限制在31～32%。改进之一是在1.4eV以上引入1.7eV与2.05eV材料，而这些带隙所对应的半导体材料和目前不同，能带排列和器件结构也相差很大，尤其是连接它们的2.0-2.1eV宽带隙异质隧穿结。本项目中，综合运用能带工程和材料调控两种方法，从理论和实验上开展针对宽带隙1.7-2.05eV异质结太阳电池及2.0-2.1eV宽带隙异质隧穿结物理特性与制备方法研究，在此基础上结合先期具备的窄带隙双结及材料集成技术，制备高效5结太阳电池。

III-V族多结高效太阳电池由于其最高光电转换效率而广泛应用于空间飞行器，目前90%的空间飞行器都以多结太阳电池做为主电源。高效多结电池是各国政府的mantech（主流技术），也始终是光伏科学的研究焦点。发达国家在下一代高效空间太阳电池方面已经开展大量基础工作并取得了实质进展，比如光电转换效率达到36%的半导体直接键合5结太阳电池。本项目正是围绕高效空间5结太阳电池中的几个关键环节：2.05eV高光电质量宽带隙材料、>2.0eV宽带隙隧穿结、1.7-1.8eV高Al组分子电池等化合物半导体材料高难度领域进行细致深入研究。课题组经过四年的研究工作，掌握了四条制备高光电性能4结与5结太阳电池的关键规律：（1）生长参数对1.7-2.05eV材料光电质量的影响规律；（2）器件结构对1.7-2.05eV子电池光电性能的影响规律；（3）不同材料组合对2.0-2.1eV 宽带隙异质隧穿结性能的影响规律、（4）正反向生长对优化器件结构选取的影响规律，同时期间课题组也深化了窄带隙双结性能提升、300-1700nm宽光谱减反射膜、半导体直接键合表面处理工艺的理解，并取得了显著进展，结合上述几方面的进展，课题组采用半导体直接键合技术制备了基于1.96eV/1.4eV双结与2.05eV/1.7eV/1.4eV三结的4结与5结太阳电池, 获得了效率达到34.2%的4结太阳电池与31.8%的5结太阳电池，其中4结太阳电池效率达到了美国光谱实验室（Spectrolab）、美国国家可再生能源实验室（NREL）、德国Fraunhofer ISE实验室公开的结果，相关结果在IEEEPVSC大会以及期刊上发表报道，这是目前国内相关行业内公开的最高结果，目前课题组正在努力持续优化5结太阳电池结果，期望在2019-20年实现35-36%以上的光电转换效率，并同时开展4结太阳电池的小批量产品化技术研究，促使我国空间飞行器早日用上34%级别甚至35-36%级别的空间高效太阳电池。