32.9%！量子阱实现双结太阳能电池效率记录

今年年初，美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）和新南威尔士大学的研究人员宣布，通过双结双层光吸收层电池，实现了双结太阳能电池32.9％的新世界纪录效率，让更高效率的太阳能电池成为可能。

最近，NREL发布了该效率记录电池的研究文章。

1. 电池设计

根据NREL，电池设计的关键是一系列超过150个超薄交替半导体层，这些半导体层在电池的底部吸收层中形成量子阱，从而使其能够从关键的太阳光谱范围内捕获能量。

这种设计是第一个使用应变平衡结构实现效率记录的多结太阳能电池，并有望进一步改进。在《先进能源材料》的一篇题为“带有应变平衡GaInAs / GaAsP量子阱的高效倒置GaAs和GaInP / GaAs太阳能电池” 文章中，这些电池的顶部结具有砷化镓铟（GaInP）层，而砷化镓（GaAs）的底部结由80个量子阱堆叠层条纹而成。当半导体材料薄层夹在具有较宽带隙的两层材料之间时，就会形成量子阱，从而将电荷载流子限制在中心层。

图2：单结和双结太阳能电池的多层结构

上图说明了在新太阳能电池的单结（左）和双结（右）版本中都可以找到的许多层，电池在NREL高度受控的反应器中精心生长。

2. 量子阱提供了可能

底部结中包含如此多的量子阱，降低了结的有效带隙，从而增加了其吸收的光的波长。捕获更长的波长可使串联电池从太阳光谱中吸收更多能量，从而使该电池的光电转换效率更高。

通常，量子阱主要用于激光器、LED和电信电子设备中。作为开发过程的一部分，NREL团队制作了一个单结电池，该电池具有很高的外部辐射效率（> 40％），即反向运行时该电池将电能转化为光的效率。NREL的高质量量子阱也可以用于LED器件。

3. 应变平衡解锁新纪录

NREL先前的工作已尝试使用量子阱来调整太阳能电池结的带隙，但是它并未产生任何具有记录效率的电池，部分原因是缺少难以生长许多层的高质量量子阱材料。如果各层变得太厚或晶格内的机械应变无法适当平衡，则电池会产生缺陷。

对于其世界纪录的电池，研究小组在交替压缩、拉伸砷化镓铟镓层和磷化砷化镓层。通过精确控制这些层的厚度，可以在层之间平衡压缩力和拉伸力的应变。在整个生长过程中，使用激光阵列来测量晶片的曲率，从而使研究人员能够检测并调整晶格中的应变。

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