基于纳米陷光结构的柔性高效薄膜太阳电池研究

This project concentrates on the development of flexible high efficiency III-V thin film solar cells combined with nano-scale light-trapping structures. Epitaxial lift-off method is to be employed to fabricate the flexible thin film solar cells, and nano-scale light-trapping structures will be applied on these solar cells. These two means are anticipated to decrease the cost of solar cells while increasing the photocurrent conversion efficiency. Main research subjects include the epitaxial lift-off technique which is used to obtain the flexible thin film devices, high efficiency nano-scale light-trapping structures and the structure and physical mechanism of this kind of novel solar cell. The novelty in this project can be summarized as the new structure and new physical mechanism arising from the flexible III-V thin film solar cells combined with nano-scale light-trapping structures, as well as the materials design, devices process, nano-technology, near-field optics, and optical thin films. Implement of this project will explore the current high efficiency low cost solar cell techniques, which are easy to be expanded to other related research field. These techniques can also promote the generalization of the III-V solar cells.

本项目拟探索III-V族太阳电池的高效、低成本技术，提出通过外延层剥离技术获得柔性III-V族化合物薄膜太阳能电池，降低电池成本；并将高效纳米陷光结构应用到其中，提高电池的光电转换效率。主要研究内容有柔性III-V族化合物薄膜太阳电池的外延层剥离技术研究，高效纳米陷光结构研究，基于纳米陷光结构的新型电池结构、工艺以及机理研究等。项目结合了柔性III-V族薄膜太阳电池与纳米陷光结构这两个研究热点，涉及到材料结构、器件工艺技术、纳米技术、近场光学、光学薄膜等关键科学问题。以往对纳米陷光结构的研究多集中于Si基太阳电池，对III-V族太阳电池影响方面并不多见。项目的实施将进一步促进对III-V族太阳电池的研发，其中的技术也易于拓展到其他材料领域。

本项目探索了III-V族太阳电池的高效、低成本技术。通过外延层剥离技术获得了柔性III-V族化合物薄膜太阳能电池，并将高效纳米陷光结构应用到其中以提高电池的光电转换效率，降低成本。项目首先完成了GaAs基太阳电池的整个工艺流程，掌握了其中的关键技术；并在此基础上将表面等离子体激元(SPPs)增加太阳电池陷光这一技术在GaAs薄膜电池上进行了应用和系统研究。之后，项目重点围绕外延剥离技术在III-V族薄膜太阳电池中的应用展开深入研究，探究了基于外延剥离技术的GaAs薄膜太阳电池的制备工艺，包括：1）开发了外延剥离技术，成功实现了外延层从衬底的剥离与转移，研究了牺牲层厚度、刻蚀剂浓度和活性剂等关键参数对外延剥离结果的影响；2）进一步采用热压键合的方法将外延层与转移衬底结合，得到了键合界面均匀平整的样片，解决了传统外延剥离技术中由于粘结剂的问题导致薄膜样品与待转移衬底粘连不牢从而导致剥离失败的问题；3）进行了基于外延层剥离的GaAs薄膜太阳电池的制备，完成了电池后续工艺制备流程，通过对金属电极的制备、粘片衬底与粘结剂的选择等相关工艺的探索，克服了衬底转移后电池薄膜出现裂痕、褶皱和脱落的工艺难题，并对最终制备的电池器件进行了初步测试；4）为了在外延剥离过程中实现转移衬底选择的多样化，进行了GaAs/Si低温直接键合技术开发，对比分析了不同体积分数的氢氟酸和盐酸溶液作为表面活性处理剂时对GaAs表面进行活化处理的结果，发现合适的盐酸溶液处理GaAs晶片得到的表面均方根粗糙度要优于用HF处理得到的结果，并实现了GaAs晶片与Si片在不同温度下具有良好界面的直接键合。同时，以常见的陷光结构为基础，结合太阳电池工艺，理论研究了多种新型高效陷光结构增强电池的光吸收，并进行了作用机理研究，包括多层纳米陷光结构、纳米陷光与减反膜复合结构以及混合纳米陷光结构等，获得结果有望进一步提升薄膜电池的性能。