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編者按：
在無聚光器的1個標準太陽光輻照下疊層電池獲得了39.2%的轉換效率，刷新了無聚光類型太陽電池效率的世界紀錄;而在聚光條件下(143個太陽光輻照強度)，電池器件更是提升到47.1%的高效率，創(chuàng)造了最高效太陽電池的世界紀錄。


由于半導體固有的帶隙特點，單結半導體太陽電池的光電轉換效率存在理論極限，即肖克利-奎伊瑟效率極限(S-Q極限，約31%)。而將不同帶隙(光譜響應范圍不同)的電池進行串聯(lián)構建疊層太陽電池被認為是電池效率突破S-Q效率極限值強有力的技術路徑。

圍繞上述問題，美國國家可再生能源實驗室(NREL)Thomas Moriarty教授課題組牽頭的國際聯(lián)合研究團隊設計制備了基于III–V族異質(zhì)結半導體的六結疊層太陽電池，通過對制備工藝和結構的優(yōu)化，有效克服了不同晶體晶格錯配問題，減少了內(nèi)阻，抑制了相分離，使得電池器件性能顯著提升，在聚光條件下器件獲得了高達47.1%的認證效率(之前效率紀錄是46.4%)，創(chuàng)造了人類有史以來太陽電池器件光電轉換效率最高值，即使在無聚光條件下整個器件依舊可以獲得近40%轉換效率(39.2%)，也是目前無聚光太陽電池器件的最高記錄。


圖1 基于III–V族異質(zhì)結半導體六結疊層太陽電池結構

相關研究表明，含有聚光器的基于III-V半導體異質(zhì)結疊層太陽電池理論效率可突破60%，達到62%;但由于不同半導體合金之間晶格錯配，導致不同半導體合金之間的載流子傳輸?shù)哪軌据^大(電阻較大)抑制光生電流，此外合金存在相分離問題，上述問題影響了該類電池性能。為此，NREL研究人員以砷化鎵(GaAs)為襯底利用單晶外延反向生長方法，連續(xù)生長了6層不同帶隙結構(分別為2.1、 1.7、1.4、 1.2、0.95和0.69 eV，負責吸收不同波段的太陽光)的III-V半導體，且在每層半導體之間都進行了表面鈍化處理，形成六結疊層電池。這種反向制備加上鈍化處理可以有效地減少不同晶格常數(shù)的半導體之間的界面?zhèn)鬏旊娮?，從而最小化界面的載流子復合。而為了有效地抑制半導體的相分離，研究人員對相關的半導體層進行了元素摻雜。通過透射電鏡表征顯示，半導體層晶格位錯局域在本身的半導體層沒有擴散到相鄰的其他半導體層，這有助于減少內(nèi)阻。隨后在無聚光器的1個標準模擬太陽光下進行光電性能測試，獲得了高達39.2%的認證轉換效率，是無聚光光伏器件的效率最高值;而當加上聚光器后(相當于143個標準太陽光輻照強度)，器件的性能顯著提升，效率增加到了驚人的47.1%，是迄今為止所有光伏器件性能的最高值，且通過了機構認證。研究人員指出，通過后續(xù)的材料和工藝優(yōu)化完全可以突破50%。

該項研究利用反向單晶外延生長工藝制備基于III-V族半導體的六結堆疊光伏器件，并結合元素的摻雜，有效地改善了器件內(nèi)阻抑制了相分離，從而提升了電池性能，在無聚光器的1個標準太陽光輻照下疊層電池獲得了39.2%的轉換效率，刷新了無聚光類型太陽電池效率的世界紀錄;而在聚光條件下(143個太陽光輻照強度)，電池器件更是提升到47.1%的高效率，創(chuàng)造了最高效太陽電池的世界紀錄。相關研究成果發(fā)表在《Nature Energy》[1]。

[1] Geisz, J.F, France, R.M, Schulte, K.L, et al. Six-junction III–Vsolar cells with 47.1% conversion efficiency under 143 Suns concentration. Nature Energy, 2019,

 原標題：美開發(fā)新型六結疊層太陽電池打破光電轉換效率世界紀錄