高性能GaAs基太阳能电池研究取得新进展

By 原创 | 2020年06月18日

GaAs薄膜材料具有很高的光电转化效率，不仅可以应用在宽光谱的太阳光体系，还可以应用在激光入射体系下，其中选择波长与带隙匹配的激光能够获得更高的转换效率，此类太阳能电池又称为光伏电源转换器（photovoltaic power converter）。通常，太阳能电池器件是一个以PN结或者PIN结功能层为吸收区结构，加之窗口层，背场层，缓冲层和遂穿层等功能层共同构建而成的光电子器件。每一个功能层都具有其重要功能，因此在外延结构设计中都需要严格考虑。对于太阳能电池器件，吸收区的PN结功能层包括基区和发射区是影响器件性能的重要的部分。该PN结功能层作为有源区需要具备良好的吸收光子和光转电的能力，因此在设计PN结的时候，要通过选择合适带隙的材料以及材料的掺杂和厚度从而尽可能的提高材料的吸收率。

中科院物理所陈弘课题组的贾海强研究员和杜春花副研究员一直致力于GaAs基太阳能电池中输运机理及性能提升研究。我们采用n/p型的GaAs基单结太阳能电池为研究对象，采用3.5-4 μm左右的基区厚度，改变其掺杂浓度，从而探究基区掺杂浓度的变化对于PN结的影响，以及后来对于器件性能的影响。我们制备了ABCD四个样品，其基区掺杂浓度分别为5.2E18、3.2E18、3.6E17和2.5E17。将四组器件在不同激光入射功率条件下进行了I-V特性的测量并通过计算得到了四个器件的PCE和FF值（图1）。分析四者PCE和FF的性能差别，我们认为是PN结的匹配状态和串联电阻这两个因素导致的。EQE测试结果（图2）表明，不同的基区掺杂浓度除了会使得基区本身具有不同的性能之外，也使得吸收区的PN结结区产生了很大的不同，而对于某个特定工作条件下的器件来说，不同的PN结结区定会使得有的PN结匹配较好，而有的PN结匹配较差，因此会进一步影响器件的I-V特性等表现，那么接下来就将对四组样品的PN结匹配状态进行表征。我们通过测试四组样品的光致荧光发光谱（图3），得到了四组样品的PN结的匹配状态。并且，通过IEC国际标准并基于J-V曲线计算得到了四组样品的串联电阻（图4）。结果表明，在低输入功率条件下，较低的串联电阻值对器件I-V特性的影响作用较弱，此时样品的PN结匹配状态的良好与否呈现出对性能的主要影响力。因此，PN结匹配状态更好的样品C和D具有较高的PCE值。然而，随着入射功率的增加，串联电阻的影响作用变得明显，具体表现为具有高串联电阻的样品其PCE和FF随入射功率增高而具有更高的衰减速率，并且该样品在高输入功率下的PCE和FF表现出严重的衰减。总结来说，这项工作具体分析了PN结的匹配状态和串联电阻对于太阳能电池器件转换效率等性能的影响，且得出的结论对工作在不同入射功率条件下的太阳能电池的外延层设计尤其是PN结结区的设计具有指导意义。

图1 不同基区掺杂浓度样品的特性。四组样品在不同入射功率条件下的（a）短路电流，（b）开路电压，（c）填充因子，和（d）转换效率。

图2 四组具有不同基区掺杂浓度样品的外量子效率谱

图3 具有不同基区掺杂浓度样品的荧光谱。（a）样品A；（b）样品B；（c）样品C和（d）样品D在开路和连接状态下的光致荧光发光谱。

图4 具有不同基区掺杂浓度样品的J-V曲线图。当入射功率分别为（a）100 mW/cm2；（b）400 mW/cm2；（c）1600 mW/cm2；（d）6400 mW/cm2时四组具有不同掺杂浓度的基区样品的J-V曲线图。