设计改进提高了III-V太阳能电池的效率

美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员通过仔细设计电池堆中的材料，能够从太阳能电池中获得额外的效率。

依靠计算和实验研究，科学家们使用动态氢化物气相外延(D-HVPE)技术生长出砷化镓(GaAs)异质结太阳能电池，其认证效率为27%，这是迄今为止报道的单结GaAs的最高效率使用这种技术培养细胞。

这项研究是NREL研究人员的最新成果，旨在使III-V族太阳能电池更适合地面应用。III-V电池得名于其制造材料在​​元素周期表中的位置，并广泛用于为航天技术提供动力。与现有技术相比，D-HVPE有望成为一种成本更低的细胞合成方法。

该研究提供了通过优化称为“发射极”的器件层的掺杂和带隙来提高太阳能电池性能的路线图，以尽量减少缺陷对器件效率的影响。该结果理论上适用于使用异质结的III-V族以外的材料，例如硅、碲化镉或钙钛矿。

“无论你多么努力，无论你选择何种方法来制造太阳能电池，由于熵的原因，太阳能电池总会含有一些缺陷。通过使用异质结结构，以及精心设计的发射极特性，你可以最大限度地减少这些缺陷对电池的不利影响。NREL高效晶体光伏小组的科学家、发表在《细胞报告物理科学》杂志上的新论文的主要作者凯文·舒尔特(KevinSchulte)说道。

“此外，相对效率的提高与缺陷浓度成正比。虽然基线D-HVPE电池已经具有很高的效率，但使用论文中描述的方法，具有较高缺陷浓度的设备将获得更高的相对效率提升。”

这篇论文“用于增强性能的III-V异质结太阳能电池的建模和设计”由NREL的JohnSimon、MylesSteiner和AaronPtak共同撰写。

除了GaAs基极层外，太阳能电池还依赖于砷化镓磷化物(GaInAsP)发射极层。两个不同的层一起构成异质结。研究人员模拟了改变发射极层的锌掺杂密度和带隙对电池效率的影响，这是通过改变层生长过程中镓、铟、砷和磷的相对浓度来实现的。该模型确定了这两个参数的最佳选择，可最大限度地提高设备效率。

然后，研究人员利用模型的指导合成细胞，并实现了模型预测的效率增强。作为基准的后异质结太阳能电池使用由GaInP组成的发射极，据报告效率为26%。通过减少发射极的掺杂并将其成分从GaInP更改为较低带隙的GaInAsP，即使器件的其余部分完全相同，效率也提高到27%。

研究人员指出，尽管III-V异质结的实验演示仅限于少数几种组合，但异质结的优点众所周知。

舒尔特说：“我们采用了这个已知但未量化的概念，并将其绘制出来。”“我们展示了该模型与我们在实验中看到的相符，表明它是太阳能电池设计的强大工具。”