研究背景與挑戰(zhàn)

1.多結太陽能電池的技術瓶頸

III-V族多結太陽能電池具備光電轉(zhuǎn)換效率，為太空應用。柔性GaInP/GaAs/InGaAs電池更兼具輕量化、高比功率、優(yōu)異抗輻射性等優(yōu)勢。然而，進一步提升效率面臨關鍵挑戰(zhàn)：

• 材料生長難題：高帶隙AlGaInP、高晶格失配InGaAs及透明隧道結制備困難

• 應力平衡限制：超過100周期量子阱的應力控制極為困難，特別是在2.2%晶格失配條件下

• 輻射損傷敏感：GaAs子電池易受太空高能粒子損傷，載流子收集效率下降

2.量子阱技術的應用挑戰(zhàn)

量子阱（QWs）為提升多結電池效率的有效途徑，但引入新的技術復雜性：

• 多重物理效應：量子尺寸效應（QSE）、量子局限斯塔克效應（QCSE）及應力效應共同影響有效帶隙

• 界面質(zhì)量控制：過度階梯聚束導致形貌退化，增加Shockley-Reed-Hall復合，降低Voc和FF

• 精密應力平衡：單層厚度須低于Matthews-Blakeslee臨界厚度，微小誤差即可能導致彈性弛豫

研究團隊及重點成果

這項研究的團隊，主要來自中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所(SINANO)納米器件與應用重點實驗室，由陸書龍教授領導，發(fā)表在國際的科學期刊《Nano Energy》。透過導入40周期量子阱超晶格，成功提升了柔性GaInP/GaAs/InGaAs太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

此研究旨在開發(fā)出高效能、大面積的柔性三結太陽能電池，特別是為了太空應用環(huán)境下的AM0光譜進行優(yōu)化。最終，他們成功制備出2× 4 cm2的柔性量子阱太陽能電池，在AM0光譜下實現(xiàn)了33.47%的光電轉(zhuǎn)換效率，并達到17.665 mA/cm2的短路電流密度。

Fig 6a

實驗步驟與過程

這篇研究的實驗過程主要可分為以下幾個步驟：

• 材料生長首先透過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術，在砷化鎵      (GaAs) 襯底上生長了倒置三結砷化鎵磷/砷化鎵/砷化銦鎵(GaInP/GaAs/InGaAs)太陽能電池結構。

• 量子阱結構設計與嵌入為了優(yōu)化電池性能，在GaAs中間電池的本征區(qū)內(nèi)，嵌入了40周期InGaAs/GaAsP量子阱超晶格。這種設計采用了應力平衡策略，即利用壓縮應變的InGaAs阱和拉伸應變的GaAsP勢壘來確保結構的穩(wěn)定性，并透過梯度緩沖層來釋放與InGaAs底部電池之間的失配應力。

• 柔性電池制備柔性量子阱太陽能電池的制備是透過一種一次性低溫轉(zhuǎn)移技術在25℃下完成的。

1.           在P-InGaAs接觸層上蒸鍍了鈦/鉑/金(Ti/Pt/Au)作為背電極。

2.           透過電化學沉積在背部金屬上電鍍了一層16-17微米厚的銅膜，并將其與臨時玻璃襯底黏合。

3.           透過濕法蝕刻移除了GaAs襯底和GaInP蝕刻停止層。

4.           在N-GaAs接觸層上蒸鍍了前電極金屬，并在氮氣氛圍中進行低溫退火以形成良好的奧姆接觸。

5.           在電池頂部沉積了二氧化鈦/氧化鋁(TiOx/Al2O3)抗反射涂層，并從臨時襯底上剝離，最終獲得了柔性量子阱太陽能電池。

• 性能評估制備完成的柔性量子阱太陽能電池在未經(jīng)認證的實驗室中，于25℃環(huán)境溫度下使用模擬器進行了AM0光譜下的電性測試，并透過參考電池進行了校準。此外，也測量了外部量子效率(EQE)，并分析了電池的暗電流-電壓特性及次電池的電性。

表征方法與成果

光電轉(zhuǎn)換效率與電流輸出提升(J-V曲線)

在25℃下進行AM0光譜測試，并運用雙二極管模型分析暗電流特性。

推薦使用Enlitech SS-ZXR AM0 標準光譜太陽光模擬器，其光譜輸出依據(jù) ASTM AM0 標準（ASTM E927-10）設計，關鍵波段具備優(yōu)異的光譜匹配能力，能模擬外層空間 1366 W/m2 的太陽照度，并實現(xiàn)空間非均勻性控制在2%以內(nèi)。

在AM0光譜下，40周期量子阱使 2×4 cm2 柔性電池效率從32.30%提升至33.47%，短路電流密度(Jsc)從 16.859 mA/cm2 顯著增加至17.665 mA/cm2。盡管量子阱引入導致開路電壓(Voc)和填充因子(FF)略降，但Jsc大幅提升足以彌補損失，實現(xiàn)整體性能改善。暗電流分析顯示界面增加導致SRH復合增強，解釋了Voc和FF下降機制。

Fig. 6a展示AM0光譜下量子阱與傳統(tǒng)電池J-V曲線對比，直接證明量子阱對效率提升的貢獻。

Fig. 6b呈現(xiàn)暗電流特性，曲線形態(tài)變化與光照性能中Voc、FF下降趨勢一致，支持復合機制分析結果。

量子阱區(qū)域的顯著光譜吸收提升與電流匹配(EQE)

測量太陽能電池在不同波長下的響應效率，確定光譜吸收范圍、量子阱吸收貢獻及各子電池電流匹配情況。

量子阱太陽能電池三個子電池最大電流失配僅為1.50%，展現(xiàn)優(yōu)異光電流匹配性能。量子阱吸收峰位于920 nm處（對應帶隙1.348 eV），與PL實驗結果一致。在量子阱覆蓋波長范圍（905-923 nm）內(nèi)，平均外部量子效率約為47%，最大響應達42%，有效拓寬光譜吸收范圍并增加短路電流貢獻。

Fig. 6d展示量子阱太陽能電池EQE響應曲線，在近紅外波段（900-930 nm）出現(xiàn)明顯吸收峰，直接證實量子阱成功擴展光譜響應范圍。

子電池電壓優(yōu)化與低電壓偏移(EQE/EL光電互易關系推導)

透過分析各子電池電壓特性與帶隙匹配程度，間接評估載流子復合損失，實現(xiàn)最佳光電流匹配。利用外部量子效率(EQE)與電致發(fā)光(EL)光電互易關系計算單個子電池J-V特性曲線。

一個太陽光照條件下，頂層、中間層和底層子電池開路電壓分別為 1.43 V、0.96 V 和 0.56 V，對應帶隙電壓偏移(WOC)分別為 0.47 V、0.46 V 和 0.39 V。所有子電池材料質(zhì)量經(jīng)過優(yōu)化，使量子阱電池在多結結構中維持較低WOC值，展現(xiàn)優(yōu)異電壓表現(xiàn)。

Fig. 6e展示各子電池J-V特性曲線，直觀呈現(xiàn)不同注入電流密度下的電壓響應，證實各子電池均能產(chǎn)生穩(wěn)定電壓且與帶隙結構良好匹配。

40周期量子阱展現(xiàn)優(yōu)異效率均勻性(效率均勻性統(tǒng)計)

評估不同周期數(shù)量子阱電池在大面積制備下的效率分布和合格率。對40對和80對量子阱各60個樣品（8 cm2）進行效率統(tǒng)計，以33% (AM0)作為優(yōu)異標準線。

40對量子阱電池效率合格率達83.3%，而80對量子阱電池合格率僅66.7%。過多的80周期應力平衡超晶格導致外延材料不均勻性，40周期量子阱能同時滿足光譜精細控制和大尺寸器件效率均勻性要求，對實際應用具重要參考價值。

Fig. 6c展示40對和80對量子阱太陽能電池效率統(tǒng)計直方圖，直觀對比兩種量子阱數(shù)量電池的效率分布，突出40周期量子阱電池更高效率合格率及其在實際應用中的經(jīng)濟性優(yōu)勢。

其他表征

優(yōu)異的應力平衡與周期結構驗證(X-射線繞射, XRD)

評估晶體結構完整性、晶格常數(shù)、內(nèi)部應力狀態(tài)，驗證量子阱周期厚度與界面質(zhì)量。證實出色的應力平衡控制，界面質(zhì)量高無缺陷，單個量子阱周期厚度13.8 nm，量子阱層與GaAs襯底相干生長。(圖2a, 2b)

良好界面同構型與無位錯缺陷(穿透式電子顯微鏡, TEM)

直接觀察材料微觀結構、層厚度、界面形貌及晶體缺陷，驗證材料生長質(zhì)量。40周期量子阱展現(xiàn)良好界面同構型，突變界面清晰，無明顯厚度波動，整個堆棧中無彈性弛豫現(xiàn)象及位錯缺陷。(圖3a, 3b, 3c)

極低表面粗糙度與低缺陷密度(原子力顯微鏡, AFM)

評估外延層表面形貌和粗糙度，關聯(lián)材料生長質(zhì)量和缺陷密度。量子阱電池表面粗糙度降至2.40 nm（優(yōu)于傳統(tǒng)電池2.48 nm），有效減少緩沖層位錯滑移障礙，降低活性區(qū)缺陷密度。(圖3d, 3e)

量子阱的吸收波長拓展與材料質(zhì)量(光致發(fā)光, PL)

評估材料發(fā)光特性、帶隙信息及載流子復合機制，間接反映晶體質(zhì)量。應變效應導致價帶分裂，產(chǎn)生920 nm和884 nm兩個PL峰，證實量子阱成功拓展中間電池吸收波長范圍。(圖4a, 4b)

結論

• 高效能柔性三結太陽能電池的實現(xiàn)：研究團隊成功制備了2 × 4      cm2（總面積8 cm2）的柔性GaInP/GaAs/InGaAs三結太陽能電池。

• 量子阱超晶格的創(chuàng)新應用：透過在GaAs中間電池中引入40周期InGaAs/GaAsP量子阱超晶格，成功實現(xiàn)了優(yōu)異的光譜控制和電流提升。

• 顯著提升光電轉(zhuǎn)換效率：在AM0光譜下，所制備的柔性量子阱太陽能電池達到了33.47%的光電轉(zhuǎn)換效率，相較于傳統(tǒng)柔性電池的32.30%有顯著提升。

• 短路電流密度的優(yōu)化：得益于擴展的光譜吸收范圍（量子阱區(qū)域外部量子效率約為40%），短路電流密度從傳統(tǒng)電池的16.859 mA/cm2提升至17.665 mA/cm2。

• 應力平衡與材料質(zhì)量控制：透過精確的應力平衡設計（使用壓縮應變的GaInAs阱和拉伸應變的GaAsP勢壘），確保了量子阱結構幾乎沒有位錯缺陷，并保持了良好的界面均勻性及極低的表面粗糙度。

• 低溫柔性化制備技術：采用了一次性低溫轉(zhuǎn)移技術（在25℃下進行），有效降低了襯底間的應力及外延應力引起的缺陷，成功實現(xiàn)了柔性電池的制備。

40周期量子阱的實用價值：研究發(fā)現(xiàn)，40周期量子阱相較于80周期量子阱，在實現(xiàn)高效能的同時，具有更優(yōu)異的效率均勻性（40周期電池的效率合格率為83.3%，80周期為66.7%），使其成為更經(jīng)濟且實用的方案，對大面積柔性三結太陽能電池的實際應用具有重要參考價值。

文獻參考自Nano Energy_DOI: 10.1016/j.nanoen.2025.110718 

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