[论文解读] Triple-junction solar cells with 39.5% terrestrial and 34.2% space efficiency enabled by thick quantum well superlattices

Ryan M. France, John F. Geisz+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2022

solar cell performance optimization被引用 5

一句话总结

本文提出一种基于厚 GaInAs/GaAsP 应变平衡量子阱超晶格的三结 III-V 太阳能电池，用于降低中间电池的带隙，使其低于体材料 GaAs 的带隙，从而实现更高效率。该器件在地球全球光谱下实现 39.5% 的效率，在空间光谱下实现 34.2% 的效率，创下三结电池的新纪录，并通过优化的晶格失配设计与量子阱工程，超越了以往六结电池的基准表现。

ABSTRACT

Multijunction solar cell design is guided by both the theoretical optimal bandgap combination as well as the realistic limitations to materials with these bandgaps. For instance, triple-junction III-V multijunction solar cells commonly use GaAs as a middle cell because of its near-perfect material quality, despite its bandgap being higher than optimal for the global spectrum. Here, we modify the GaAs bandgap using thick GaInAs/GaAsP strain-balanced quantum well (QW) solar cells with excellent voltage and absorption. These high-performance QWs are incorporated into a triple-junction inverted metamorphic multijunction device consisting of a GaInP top cell, GaInAs/GaAsP QW middle cell, and lattice-mismatched GaInAs bottom cell, each of which has been highly optimized. We demonstrate triple-junction efficiencies of 39.5% and 34.2% under the global and space spectra, respectively, which are higher than previous record six-junction devices.

研究动机与目标

• 通过将中间电池的带隙降低至体材料 GaAs 以下，同时不牺牲电压或材料质量，突破传统三结太阳能电池的效率限制。
• 在 GaInAs/GaAsP 中开发一种高性能的厚量子阱超晶格结构，使其在保持优异载流子输运与吸收性能的同时，实现晶格失配外延生长。
• 将优化后的量子阱中间电池集成至倒置 metamorphic 多结结构中，顶部为 GaInP，底部为 GaInAs，以实现最佳光谱响应与效率。
• 在地球与空间太阳辐照条件下，实现创纪录的光电转换效率。

提出的方法

• 中间电池采用厚、应变平衡的 GaInAs/GaAsP 量子阱，以降低有效带隙，同时保持高开路电压与高吸收效率。
• 采用倒置 metamorphic 外延生长工艺，使 GaInP 顶电池与 GaInAs 底电池实现晶格匹配，中间电池生长于弛豫的 InGaAs 缓冲层上。
• 通过工程化设计量子阱超晶格结构，以最小化缺陷与载流子复合，实现高内量子效率。
• 整个三结结构在 AM1.5G（地球）与 AM0（空间）条件下，针对电流匹配与光谱响应进行了全面优化。
• 器件性能通过标准测试条件下的标准太阳模拟器进行表征，效率通过已标定的参考电池测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 GaInAs/GaAsP 中，厚、应变平衡的量子阱超晶格能否在太阳能电池中间电池中同时实现高电压与强吸收？
• RQ2 将中间电池的有效带隙降低至低于体材料 GaAs 的水平，是否能提升地球与空间条件下的整体光电转换效率？
• RQ3 在存在晶格失配的情况下，将此类量子阱结构集成至倒置 metamorphic 多结架构中，是否仍能保持高效率？
• RQ4 与现有纪录相比，采用该量子阱方法的三结太阳能电池可实现的最高效率是多少？

主要发现

• 该三结太阳能电池在地球全球太阳光谱（AM1.5G）下实现了创纪录的 39.5% 光电转换效率。
• 该器件在空间太阳光谱（AM0）下表现出 34.2% 的效率，同样创下三结电池的新纪录。
• 厚量子阱超晶格中间电池实现了低于体材料 GaAs 的有效带隙，同时保持了高开路电压与优异的吸收性能。
• 其性能超越了此前报道的六结太阳能电池，证明了经优化的三结设计结合量子阱工程具有显著优势。
• 结果证实，量子阱超晶格可有效弥合多结光伏中理论最优带隙与实际材料限制之间的差距。