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近日，河海大學能源與電氣學院新能源系張懌教師團隊在光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域頂級權(quán)威期刊《Progress in Photovoltaics》（IF=7.95，中科院Top期刊）上發(fā)表題為“Review of the mechanisms for the phonon bottleneck effect in III-V semiconductors and their application for efficient hot carrier solar cells”的綜述論文。該論文系統(tǒng)總結(jié)了III-V族塊體和低維半導體中的聲子瓶頸效應機理及其在熱載流子光伏電池應用方面的最新學術(shù)研究進展。

熱載流子光伏電池（Hot carrier solar cells）是目前較有發(fā)展前景的第三代太陽能光伏電池之一，該薄膜電池具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝簡化、成本較低、理論效率更高等優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的單P-N結(jié)光伏電池相比，熱載流子光伏電池通過充分利用載流子熱弛豫能量（Thermalization energy）來顯著提高電池的能量轉(zhuǎn)換效率，從而有望突破傳統(tǒng)Shockley-Queisser電池效率極限。標準條件下，單結(jié)硅基光伏電池效率極限約為30%左右，而熱載流子光伏電池理論效率將達到65%左右。為及時捕捉并充分利用載流子熱弛豫能量，該型電池吸收層需將載流子弛豫過程從飛秒級（10-12秒）時間尺度有效減緩至納秒級（10-9秒）時間尺度。經(jīng)多年研究，學界已指出聲子瓶頸效應（Phonon bottleneck effect）在有效降低載流子熱弛豫速率方面起著關(guān)鍵作用。但該效應機理尚不明晰，相關(guān)結(jié)論也不一致。因此，闡述聲子瓶頸效應機理，并將其應用于熱載流子光伏電池的研制就顯得及其必要和迫切。

III-V族半導體因其較大的有效原子質(zhì)量差值、低晶格失配度和可調(diào)節(jié)電子能帶結(jié)構(gòu)（能帶工程），成為超高效薄膜光伏電池最常用的制備材料之一（例如：多結(jié)GaAs航空航天光伏電池等）。上述物理特性有效降低了該材料體系中聲子瓶頸效應和熱載流子弛豫機理研究的復雜性和研究難度。本綜述論文中從100余篇相關(guān)重要文獻中總結(jié)歸納了光伏電池III-V族半導體材料體系中關(guān)于聲子瓶頸效應機理的研究成果，并系統(tǒng)性闡述了塊體和低維III-V族半導體中的聲子瓶頸效應機制。首先，從電子能帶結(jié)構(gòu)角度解釋了聲子瓶頸效應的對載流子弛豫過程的影響及其機理，首次提出并總結(jié)了影響聲子瓶頸效應的四個主要因素即：1）載流子密度、2）電子結(jié)構(gòu)、3）聲子結(jié)構(gòu)和4）量子限制效應?；谏鲜鲆蛩?，對Ⅲ-Ⅴ族塊體（Bulk）半導體（含氮化物、磷化物、砷化物和銻化物）中的聲子瓶頸效應進行了闡述和討論。同時總結(jié)分析了量子阱（Quantum well）、多量子阱（Multiple quantum wells）、量子線（Quantum wire）和量子點（Quantum dots）等低維結(jié)構(gòu)III-V族半導體中的聲子瓶頸效應作用機理。針對近十年來相關(guān)領(lǐng)域的重要科學進展、學術(shù)成果、實驗驗證和數(shù)據(jù)擬合方法開展了全面分析和總結(jié)。最終指出量子阱結(jié)構(gòu)砷化物半導體材料體系最有望適用于熱載流子光伏電池的吸收層及其能量選擇性接觸器件，并對以后相關(guān)研究的實驗技術(shù)手段，擬合數(shù)據(jù)方法以及結(jié)果分析提出一種科學合理的統(tǒng)一標準。

本綜述論文是基于張懌及其他參與作者前期已開展的大量關(guān)于熱載流子光伏電池的基礎(chǔ)科研工作。熱載流子光伏電池基礎(chǔ)實驗論證及研發(fā)工作最早由本文共同通訊作者新南威爾士大學Gavin Conibeer教授和法國國家科學研究中心光伏發(fā)電研究所Jean-Fran?ois Guillemoles教授共同提出。此后，其科研團隊開展了大量開創(chuàng)性科研工作，并多次在全球頂尖期刊如《Nature Energy》、《Nature Materials》、《Nature Photonics》、《Physical Review Letters》、《Advanced Energy Materials》等發(fā)表熱載流子光伏電池相關(guān)的重要科研成果。

本文第一作者兼通訊作者張懌博士師從Gavin Conibeer教授，讀博期間已開展熱載流子光伏電池III-V族半導體吸收層實驗論證及其物理機理研究工作。其中，通過調(diào)節(jié)源激發(fā)光功率，基于一種全新的數(shù)據(jù)擬合方法首次發(fā)現(xiàn)了塊體InGaN中載流子密度對其弛豫過程的直接影響，并指出聲子瓶頸效應在塊體半導體中的作用機理，提出低維結(jié)構(gòu)中該效應將得到極大增強從而有效減緩載流子弛豫過程的設(shè)想（該成果已發(fā)表于自然指數(shù)期刊Applied Physics Letters, 2016, 108(13):131904）。基于上述工作，團隊首次定量研究了InN/InGaN多量子阱中聲子瓶頸效應機理受界面聲子失配度和量子限制效應的影響，觀察得到由于增強型聲子瓶頸效應，載流子的弛豫速率得到極大減緩，其弛豫時間可長達數(shù)納秒，已基本滿足熱載流子吸收層功能需求。該工作為通過聲子瓶頸效應降低載流子弛豫速率的熱載流子光伏電池吸收層研制提供了重要的實驗依據(jù)（該成果已發(fā)表于自然指數(shù)期刊Applied Physics Letters, 2020, 116(10):103104）。團隊還利用塊體半導體GaSb和InN的聲子及電子結(jié)構(gòu)獨有特性，系統(tǒng)性研究了谷間散射和聲子瓶頸效應對載流子弛豫速率的影響機理，提出了適用于通過聲子瓶頸效應減緩弛豫過程的III-V族材料體系要求，并首次闡明了谷間散射和聲子瓶頸效應在減少載流子弛豫方面的相互作用機理（該成果已發(fā)表于Journal of Applied Physics, 2021, 130(20):205705，并被選為編輯精選論文Editor’s Pick）。此外，團隊聯(lián)合東南大學電子院、南京大學物理院等相關(guān)科研團隊分析了量子匹配效應、聲子瓶頸效應和載流子屏蔽效應對熱載流子光伏電池熱弛豫過程機理的影響，并系統(tǒng)性闡述了幾種極具發(fā)展前景的III-V族半導體和鈣鈦礦材料體系在體結(jié)構(gòu)和量子阱結(jié)構(gòu)中的應用，指出聲子瓶頸效應在減緩載流子弛豫速率方面起最決定性的作用。（該成果已發(fā)表于Solar Energy Materials and Solar Cells, 2021, 225(3):111073）。

以上新型熱載流子光伏電池研發(fā)的相關(guān)工作有望進一步降低光伏電池發(fā)電成本并極大提高發(fā)電效率，從而一定程度上促進我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展并助力“雙碳”國策的順利實施。上述工作受到了國家自然科學基金，江蘇省光伏科學技術(shù)國家重點實驗室開放課題，江蘇省科技計劃“港澳臺科技合作”專項項目，中央高校業(yè)務費等項目的支持。（通訊員：河海大學張春平）

原標題：河海大學張懌教師團隊在熱載流子光伏電池研究與應用方面取得新進展