基于二极管等效电路方法对III–V纳米线/Ge三结串联太阳能电池进行光电特性分析及建模研究

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Coupled optoelectronic analysis and analytical modeling of III–V Nanowire/Ge triple-junction tandem solar cells using a diode equivalent circuit approach

　　摘要：纳米结构太阳能电池为下一代低成本、高效率的太阳能电池提供了有力途径，它通过减少材料使用量并提升光捕获能力与共振模式激发效果，从而优于传统的块状和薄膜太阳能电池。然而，单结纳米结构太阳能电池受到肖克利-奎塞尔极限的约束，这一极限限制了其最大转换效率。而由带隙能量逐渐减小的多层材料堆叠而成的串联太阳能电池，则可通过有效利用太阳光谱并降低热化损耗来突破这一限制。本文对一种三结串联太阳能电池进行了深入研究，该电池由作为顶部子电池的Ga0.51In0.49P纳米线（带隙能量为1.85电子伏特）、作为中间子电池的GaAs纳米线（带隙能量为1.43电子伏特），以及作为底部子电池的Ge基板（带隙能量为0.78电子伏特）组成，这些组件均以串联方式连接。通过对所提出的太阳能电池进行解析建模和Lumerical仿真分析，研究了在AM1.5G太阳光照条件下的各子电池及整个串联太阳能电池的光电特性。为了满足电流匹配要求，顶部、中部和底部子电池的高度分别被优化为0.9微米、1.6微米和0.6微米，从而使各处的电流密度几乎相等，分别为17.62毫安/平方厘米、17.5毫安/平方厘米和17.57毫安/平方厘米。为确保电流匹配，在CHARGE仿真过程中还对各子电池的p型和n型区域的掺杂浓度进行了优化。此外，还通过解析模型分析了各个独立子电池的电学参数，其结果与CHARGE仿真结果高度吻合，从而验证了该模型的准确性。最后，将所得到的子电池参数纳入由三个串联太阳能电池构成的等效电路模型中，进而得到了所提出串联纳米线太阳能电池的J-V特性曲线。该串联结构实现了2.845伏特的开路电压和84%的填充因子，因此具有40.13%的高功率转换效率。研究结果还表明，串联子电池之间实现了有效的电流匹配与电压叠加，进一步凸显了这种结构在高效光伏应用中的潜力。

引言：光伏电池在利用太阳能发电方面发挥着至关重要的作用，为全球能源结构做出了重要贡献。因此，人们正在大力研究如何提高光伏电池的效率和经济性，以满足未来的能源需求。与平面型和薄膜型太阳能电池相比，纳米结构太阳能电池因具有更强的光吸收能力、更短的载流子扩散长度以及更低的材料使用量而备受关注[1][2]。这些优点提升了光捕获和载流子收集的效率，推动了基于纳米结构的光伏器件的创新发展。多年来，许多研究人员一直在探索各种光捕获技术[2][3][4][5][6]，旨在提高这类单结纳米结构光伏器件的光吸收能力和功率转换效率。然而，由于固定带隙的限制，单结光伏电池正接近其理论上的最大转换效率，这一极限由肖克利-奎塞尔定律所确定[7][8][9]，而固定带隙使得它们难以有效吸收宽谱段的阳光。为了解决这一问题，研究人员提出了在多结太阳能电池中堆叠具有不同带隙的材料，也就是由多个串联连接的子电池组成的串联太阳能电池，这些子电池从上到下的带隙逐渐减小。通过这种方式，串联电池结构能够实现更大的光子吸收并降低热化损耗，从而显著提高功率转换效率，远超单结太阳能电池[7]。

已有研究记录了多种将硅基太阳能电池与III-V族基太阳能电池结合以构建多结结构的方法[10][11]。一种单片式的InGaP/InGaAs/Ge多结太阳能电池甚至实现了31.7%的转换效率[12]。通过对三结GaInP/GaAs/Ge太阳能电池进行数值仿真，在优化GaInP层厚度后，其转换效率可达28.159%[13]。不过，单片式设计在生长晶格不匹配的材料时面临诸多挑战，这限制了最佳带隙组合的实现。通过调整元素摩尔分数，可以有多种选择来构建晶格匹配的III-V族三元或四元合金[14]。纳米线串联太阳能电池则通过利用纳米线中的径向应变松弛效应，能够在不产生应变诱导缺陷的情况下结合晶格不匹配的材料，从而克服了上述限制[15]。经过优化的纳米线阵列能够像平面薄膜一样高效地吸收阳光，甚至更为出色，因为其纳米级尺寸使得晶格不匹配的材料也能得以结合，即便阵列较为稀疏仍能保持高性能，同时还能减少材料使用量，有望降低高效多结太阳能电池的成本[16]。此外，纳米线还便于基板的重复利用[17][18]，并且具有抗辐射性能，非常适合用于太空应用[19][20]。因此，基于纳米线的串联太阳能电池比平面型太阳能电池更具效率、更低成本，且更加环保。Bakkers等人[21]采用气液固法在Ge基板上生长InP纳米线，通过分析短路电流和电场分布来评估串联太阳能电池的光学性能。尽管纳米线基多结太阳能电池具有诸多优势，但在合成、纳米级掺杂分布以及精确控制材料成分方面仍面临挑战。那些将纳米线与平面硅基板结合的混合串联太阳能电池[14][22][23][24]，并未能充分利用纳米线光伏器件所带来的巨大潜力。采用Si/InP构成的轴向纳米线串联结构[25][26]的性能也较为有限，因为顶部电池会吸收大部分光线，从而导致底部电池的光电流大幅降低。为克服这些限制，将多种材料带隙集成在单个纳米线中至关重要。在这方面，人们已经实验性地实现了一种三结GaInP/InP/InAsP纳米线基串联太阳能电池，其理论功率转换效率可达47%[27]。目前关于在单个纳米线中整合不同材料子电池的混合串联纳米线太阳能电池的研究还相对较少[28][29][30]，这也促使我们开始研究轴向结构的III-V族三结纳米线串联太阳能电池。本文介绍了对Ga0.51In0.49P/GaAs/Ge轴向三结纳米线串联太阳能电池进行光电研究的理论成果。本文的结构如下：第2节阐述了所提出的三结纳米线串联太阳能电池的设计原理及仿真方法；第3节展示了光电仿真的结果，以及通过解析模型对比CHARGE仿真模块得到的结果来验证各个子电池的J-V特性，随后还利用经过验证的解析模型来分析整个串联太阳能电池的J-V特性；第4节则对整个研究进行了总结。

设计架构与仿真框架：图1(a)展示了所提出的Ga0.51In0.49P/GaAs/Ge三结纳米线串联太阳能电池的3D结构示意图，而图1(b)则给出了FDTD仿真中仿真区域的详细2D x-z截面示意图，同时标出了光学仿真所采用的设计参数。顶部、中部和底部子电池的最佳带隙材料是根据肖克利-奎塞尔详细平衡理论计算得出的[31]。为确定适用于串联太阳能电池的最佳III-V族材料组合，我们重点研究了……

结果与讨论：根据肖克利-奎塞尔详细平衡理论计算，若要实现三结纳米线串联太阳能电池的高功率转换效率，就必须最大化每个子电池的光吸收能力，这样才能实现电流匹配。通过FDTD仿真，我们分析了单独的Ga0.51In0.49P纳米线（顶部子电池）、GaAs纳米线（中部子电池）以及Ge基板（底部子电池）的光学特性，同时还分析了串联在一起的Ga0.51In0.49P/GaAs/Ge三结结构的光学特性。通过优化各个子电池的高度，实现了电流匹配。为……

结论：本研究对一种由Ga0.51In0.49P纳米线、GaAs纳米线以及Ge基板分别作为顶部、中部和底部子电池构成的三结串联太阳能电池的设计、仿真及性能分析进行了全面研究。通过解析建模和Lumerical仿真进行的光电分析，让我们深入了解了各个子电池以及整个串联太阳能电池的光伏特性。各个子电池之间实现最佳电流匹配是至关重要的……

作者贡献说明：Manisha Rautela：负责原始稿件的撰写、可视化处理、软件应用、方法设计、研究实施、正式分析、数据整理以及概念构思工作；Jitendra Kumar：负责结果验证与研究指导工作。

利益冲突声明：作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

Manisha Rautela | Jitendra Kumar
印度贾坎德邦丹巴德市，印度理工学院（印度矿业学院）电子工程系，邮编826004