太阳能电池实现的技术突破 - 以前认为不可能

全国可再生能源实验室（NREL）的科学家为以前认为不可能的太阳能电池达到了技术突破。

科学家成功地将铝源集成到其氢化物气相外延（HVPE）反应器中，然后通过该技术首次证明了半导体铝铟磷化铝（AlinP）和铝镓铟磷化铟（AlgainP）的生长。

“有一个体面的文学体系，表明人们永远无法与氢化物气相外延生长这些化合物，”牛尔斯材料应用程序和业绩中心的科学家凯文•舒尔（Kevin Schulte）表示，这是一个突出了研究的新论文的铅作者。“这是许多III-V工业的原因之一，它具有金属有机气相外延（MOVPE），这是主要的III-V增长技术。这项创新改变了事情。“

本文在2019年12月12日在ACS应用能源材料期刊ACS应用能源材料中公布了“Algaas，AlinP和AlgainP的生长”。

四个研究人员站在实验室里。NREL研究人员（从左到右）Aaron Ptak，Wondwosen Metaferia，David Guiling和Kevin Schulte正在使用HVPE为III-V太阳能电池增长含铝材料。

III-V太阳能电池 - 如此命名，因为材料落在周期表上的位置 - 通常用于太空应用。对于高效率而言，这些类型的细胞对于陆地使用来说太昂贵，但研究人员正在开发减少这些成本的技术。

在NREL上开创的一种方法依赖于一种称为动态氢化物气相外延或D-HVPE的新生长技术。传统的HVPE，几十年来被认为是为电信行业生产发光二极管和光电探测器的最佳技术，在20世纪80年代遭受了Movpe的出现。这两个过程都涉及将化学蒸汽沉积到基材上，但是由于其在两种不同的半导体材料之间形成突然的异待异料，而且是传统上挣扎的HVPE的地方的优势。

这与D-HVPE的出现发生了变化。

早期版本的HVPE使用单个室，其中将一种化学物质沉积在基材上，然后将其沉积在基材上。然后将生长化学另外地换流，并将基材返回到腔室中，用于下一个化学应用。D-HVPE依赖于多腔电抗器。基板在腔室之间来回移动，大大减少了制造太阳能电池的时间。使用MOVPE需要一个小时或两个的单结太阳能电池可以通过D-HVPE在一分钟内产生。尽管有这些进展，Movpe仍然持有另一个优势：能够存放宽带隙铝合金材料，使太阳能电池效率最高。由于含有常规含铝前体，一氯化铝的化学性质的困难，HVPE长期以来，由于含铝的铝的前体的化学性质。

研究人员始终计划将铝引入D-HVPE，但首先重点努力验证生长技术。

“我们试图按照步骤转发技术，而不是试图立即完成这一点，”Schulte说。“我们经过验证，我们可以成长高质量的材料。我们经过验证，我们可以成长更复杂的设备。下一步现在是技术前进的是铝。“

来自NREL的Schulte的共同作者是Wondwosen Metaferia，John Simon，David Guiling和Aaron J. Ptak。他们还包括来自北卡罗来纳州的三位科学家Kyma Technologies。该公司开发了一种生产独特的含铝分子的方法，然后可以流入D-HVPE室。

科学家们使用了三氯化铝发生器，将其加热至400摄氏度以产生来自固体铝和氯化氢气体的三氯化铝。三氯化铝在HVPE反应器环境中比单氯化物形式更稳定。其他组分 - 氯化镓和氯化铟 - 在800摄氏度蒸发。将三个元素合并并在650摄氏度的基板上沉积。

使用D-HVPE，NREL科学家以前能够从砷化镓（GaAs）和磷化镓铟磷化镓（GaInP）中的太阳能电池。在这些细胞中，GAINP用作钝化前表面的“窗口层”，并允许太阳光到达下面的GaAs吸收层，其中光子被转换为电力。该层必须尽可能透明，但GAINP不像马动型太阳能电池中使用的铝铟磷化铝（ALINP）一样透明。含有alinP窗层的Movpe-生长的GaAs太阳能电池的当前世界效率记录为29.1％。仅具有GAINP，HVPE-生长的太阳能电池的最大效率估计仅为27％。

现在，科学家们表示，铝已经添加到D-HVPE的混合中，他们应该能够通过MOVPE制造的太阳能电池达到平价。

“HVPE过程是一个更便宜的过程，”纳雷尔国家光伏国家中心的高级科学家Ptak说。“现在我们已经向同样的效率展示了一种与其他人相同的途径，而是具有更便宜的技术。之前，我们有点效率较低，但更便宜。现在有可能与高效和更便宜的可能性。“

参考：“通过氢化物蒸气阶段Epitaxy的Algaas，AlinP和Algainp的生长”由Kevin L. Schulte，Wondwosh Metaferia，John Simon，David Guiling，Kevin Udwary，Gregg Dodson，Jacob H. Leach和Aaron J. Ptak，2019年12月12日， ACS应用能源材料。我：
10.1021 / ACSAEM.9B02080

美国能源部的太阳能技术办公室资助了D-HVPE研究。