基于超薄锗量子点薄膜太阳能电池的制备及性能研究

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　　摘  要：对锗量子点电池光电特性的研究一直是科研工作者关注的热点，因为它在光电信息领域有着潜在的应用前景。本文概述了由锗薄膜量子点制备大洋能电池的技术和发展，首先分别讲述高倍聚光、直接键合、电池中间层等太阳能电池的最新制造科技。再探讨了由锗量子点制备的太阳能电池构造层次的科研现状。最后展望了未来本征层、带隙匹配等环节优化电池模块效率的发展。
　　关键词：锗薄膜电池  中间层  最优厚度直接键合  隧道结聚光光伏
　　中图分类号：TM914           文献标识码：A 文章编号：1674-098 X （2020）07（a）-0081-03
　　Abstract： the research on the photoelectric characteristics of Ge QD battery has always been the focus of scientific researchers， because it has a potential application prospect in the field of photoelectric information. In this paper， the technology and development of the preparation of ocean energy batteries by GE thin film quantum dots are reviewed. Firstly， the latest manufacturing technologies of solar cells， such as high power concentrating， direct bonding， and cell interlayer， are reviewed. Then， the research status of the structure level of solar cells prepared by germanium quantum dots is discussed. At last， the development of optimizing the efficiency of battery modules in the future is prospected.
　　Key Words： Germanium thin film battery; Intermediate layer; Optimal thickness direct bonding; Tunnel agglomeration photovoltaics
　　對锗量子点电池光电特性的研究一直是科研工作者关注的热点，开发高质量的锗量子点电池是非常重要的，因为锗量子点电池可以吸收较短波长的阳光，这将在清洁能源利用和纳米光电集成方面发挥重要作用。
　　1  锗量子点太阳能电池制备技术的研究
　　作为重要的三代太阳能电池，锗量子点太阳电池拥有极大的发展前景。伴随半导体电子元器件制造工艺的发展，世界各国对锗量子点太阳电池展开了异常活跃的的研究，制造技术也百花齐放。当前，能够提升提高锗量子点太阳电池发电工作效率的最新制造手段具体包括硅晶材料直接键合手段、隧穿结科技、增加中间层手段和增透膜设计手段等，下文就锗量子点太阳电池制造技术及行业内的研究发展现状进行介绍。
　　1.1 中间层技术
　　锗量子点太阳电池中间层包括本征层、缓冲层以及窗口层等。在锗量子点太阳电池的底部和顶部之间加入中间层，能够明显的提高电流的匹配性。所以，对加入中间层的制造技术的研究对提高锗量子点太阳能电池的发电效率有重大的价值。由科研工作者的研究证明，新加入的反射层能够在整体构造中发挥中间层的效果，也能完善电池整体光路调节，同时亦可以改善电池整体的隧道结，使得收集其子电池能够得到解决。国内亦有学者利用理论推算及光路改良对锗电池进行研究，获得了新型材料厚度和折射率的最优数值配比。充分对该参数进行利用，能够极大程度的使新型电池的子电池电流强度进行匹配。同时科学家的探索表明，材料壁厚与折射率的匹配才能使新型电池保持良好的短波长光线吸收和导电性能，即整套电池系统达到良好的反射短波长阳光、投影长波长阳光。不使用真空化的方式，在材料的吸收表面与电池的缓冲膜中间加入薄薄的分散面，经过吸收膜表面的退火工序使得其和缓冲膜之间构建成p-n结，能够加大阳光的转换率及电流密度。
　　1.2 直接键合技术
　　为了提升光能电池量子点的效率，解决由于晶格失配导致其外延生长产生的位错弊端，利用分子间键手段能够得到匹配自然光谱的新型电池材料。通过直接键合的手段可以使得矩阵匹配度差的材料和电池表层的分子键合起来，是一种能够解决材料缺陷引入子电池的方式。利用直接键合手段，使相关单元格和各子单元进行串联，调整其失陪性，能够将各子点单元的效能提高，确保了整体电池键和面的水平等级，可以串联其三节电池。这些学者的研究成果证明，量子点之间的晶格失配可以通过分子键合得到有效的改善。同时科研工作者也证明了新型电池的优良带隙比值可以通过分子键合手段来实现对，也能够实现新型电池晶体材料优良的生长，达到承受较高的机械强度和全面键合的作用。这些研究技术极大提升了三节电池将光能转换为电能的效率。另外，研究者们还发现分子键合手段对电池材料表层的洁净度需求较高，即电池材料表层的钝化与清洁十分重要，一般利用化学手段和物理抛光手段使材料表层达到低于0.5nm的粗糙度，不然可能会在结合出导致空位点的出现。
　　2  硅基多结电池的效率优化机理的研究
　　2.1 带隙匹配的影响
　　锗量子点电池将光能转化为电能的效率可以通过材料表层缝隙的匹配来实现，所以对电池的载流子传输的深入研究是十分必要的。中外研究者已有较多的理论探讨和试验报道了间隙匹配对电池功效的影响。李天天等人通过对电池界面加入N-型无定形硅中间层来使间隙匹配，即能够减少了N-型二氧化硅材质和硅材料薄膜特征层面之间较大的失配性严重的带隙失配，也可以增加电流载体的补集效果。 　　2.2 本征层的影响
　　降低非晶硅薄膜顶电池本征层厚度也可有效降低光致衰退效应，从而提高器件稳定性。如何制备器件质量级高速率超薄微晶硅本征层薄膜，并基于高速沉积工艺，获得超薄高效微晶硅电池是降低非晶硅/微晶硅双结叠层电池成本的关键。赵晓宾等人调整了顶部电池与底部电池特征层的沉淀时间，获得了各种宽度数据的特征层，也探索了特征层宽度与短路电流、电池功率的关系。研究结果表明，无定形硅量子点电池顶部电池与底部电池特征层的总宽度为0.65nm，1∶6的比例，可以获得良好的输出功率和电流匹配。李健等人利用梯度沉降多级甲硅烷的方式探索非晶硅薄膜底部电池的特征层，试验结果表明，梯度沉降多级甲硅烷能够降低非晶硅薄膜特征层发生纵向结构的趋势，晶格边界能够起到钝化的效果，进而降低缺陷密度，也可以防止产生光致缺陷，通过改良，新型电池材料的光致衰败率能够达到6%。杨雯等人探索了新型电池顶部与底部子电池的特征层吸收宽度和电流的相融状态，试验结果显示，在无定形硅顶部宽度为430nm的条件下，非晶硅薄膜的特征层厚度缩短至1.5μm时，其短路电流降低1.3mA/cm2，电路电压与填充数值均会增大，该类型电池的工作效能也得到了提升，这应该是较薄的底部电池引发电场增大所导致的。
　　2.3 减反膜的影响
　　即使是由复合引起的少量能量损失也是由光伏材料的性能决定的。通常，通过调整电池的反膜厚度，可以提高电池的光伏性能。目前国内外对锗量子点的防反射膜影响电池性能已经有很多实验和理论研究报道。邸云萍等研究发现，增透膜的应用可以提高光的透射率，从而改善锗薄膜叠层太阳电池的短路电流，对电池的开路电压和填充因子没有影响。此外，增透膜的加权平均数透过率增加的趋势与上、下电池的短路电流增加的趋势相一致。邹凯等采用模拟软件对p型物理冶金多晶硅太阳电池的叠层钝化减反射结构进行了计算模拟。研究结果表明，通过在双层增透结构中引入钝化层，可以明显提高电池的外部量子效率和表面增透效果，最终提高电池的转换效率，另外，随着膜厚度的增加，电池的反射表面首先上升后下降的趋势，和外部量子效率和电池的转换效率表现出相反的倾向。
　　3  展望
　　千禧年以来，诸多突破性的研究成果已经应用于锗量子点电池产业，很多新型产品亦开始进入产业化阶段，不过新型电池的某些应用阻碍仍需要深入的探索，实现关键核心技术的突破。受困的主要难点在于制造材料掺杂技术较弱、新型电池多元化成分的控制较难实现、材料表面精准控制缺乏手段。伴随科学技术水平的持续发展，多种多样的新材料、技术、能源的发掘和使用，一定会持续推动锗量子点电池的应用发展。能够预见到在未来，可以预计不久的将来，锗量子点电池能够给社会创造更大的价值。
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