研究背景与挑战
1. 多结太阳能电池的技术瓶颈
III-V族多结太阳能电池具备光电转换效率，为太空应用。柔性GaInP/GaAs/InGaAs电池更兼具轻量化、高比功率、优异抗辐射性等优势。然而，进一步提升效率面临关键挑战：
材料生长难题：高带隙AlGaInP、高晶格失配InGaAs及透明隧道结制备困难
应力平衡限制：超过100周期量子阱的应力控制极为困难，特别是在2.2%晶格失配条件下
辐射损伤敏感：GaAs子电池易受太空高能粒子损伤，载流子收集效率下降
2. 量子阱技术的应用挑战
量子阱（QWs）为提升多结电池效率的有效途径，但引入新的技术复杂性：
多重物理效应：量子尺寸效应（QSE）、量子局限斯塔克效应（QCSE）及应力效应共同影响有效带隙
界面质量控制：过度阶梯聚束导致形貌退化，增加Shockley-Reed-Hall复合，降低Voc和FF
精密应力平衡：单层厚度须低于Matthews-Blakeslee临界厚度，微小误差即可能导致弹性弛豫
研究团队及重点成果
这项研究的团队，主要来自中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 (SINANO) 纳米器件与应用重点实验室，由陆书龙教授领导，发表在国际的科学期刊 《Nano Energy》。透过导入40周期量子阱超晶格，成功提升了柔性GaInP/GaAs/InGaAs太阳能电池的光电转换效率。
此研究旨在开发出高效能、大面积的柔性三结太阳能电池，特别是为了太空应用环境下的AM0光谱进行优化。最终，他们成功制备出2 × 4 cm² 的柔性量子阱太阳能电池，在AM0光谱下实现了33.47%的光电转换效率，并达到17.665 mA/cm²的短路电流密度。
Fig 6a
实验步骤与过程
这篇研究的实验过程主要可分为以下几个步骤：
材料生长首先透过金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 技术，在砷化镓 (GaAs) 衬底上生长了倒置三结砷化镓磷/砷化镓/砷化铟镓 (GaInP/GaAs/InGaAs) 太阳能电池结构。
量子阱结构设计与嵌入 为了优化电池性能，在GaAs中间电池的本征区内，嵌入了40周期InGaAs/GaAsP量子阱超晶格。这种设计采用了应力平衡策略，即利用压缩应变的InGaAs阱和拉伸应变的GaAsP势垒来确保结构的稳定性，并透过梯度缓冲层来释放与InGaAs底部电池之间的失配应力。
柔性电池制备 柔性量子阱太阳能电池的制备是透过一种一次性低温转移技术在25℃下完成的。
1. 在P-InGaAs接触层上蒸镀了钛/铂/金 (Ti/Pt/Au) 作为背电极。
2. 透过电化学沉积在背部金属上电镀了一层16-17微米厚的铜膜，并将其与临时玻璃衬底黏合。
3. 透过湿法蚀刻移除了GaAs衬底和GaInP蚀刻停止层。
4. 在N-GaAs接触层上蒸镀了前电极金属，并在氮气氛围中进行低温退火以形成良好的奥姆接触。
5. 在电池顶部沉积了二氧化钛/氧化铝 (TiOx/Al2O3) 抗反射涂层，并从临时衬底上剥离，最终获得了柔性量子阱太阳能电池。
性能评估 制备完成的柔性量子阱太阳能电池在未经认证的实验室中，于25℃环境温度下使用模拟器进行了AM0光谱下的电性测试，并透过参考电池进行了校准。此外，也测量了外部量子效率 (EQE)，并分析了电池的暗电流-电压特性及次电池的电性。
表征方法与成果
光电转换效率与电流输出提升 (J-V 曲线)
在 25℃ 下进行 AM0 光谱测试，并运用双二极管模型分析暗电流特性。
推荐使用Enlitech SS-ZXR AM0 标准光谱太阳光模拟器，其光谱输出依据 ASTM AM0 标准（ASTM E927-10）设计，关键波段具备优异的光谱匹配能力，能模拟外层空间 1366 W/m² 的太阳照度，并实现空间非均匀性控制在 2% 以内。
在 AM0 光谱下，40 周期量子阱使 2×4 cm² 柔性电池效率从 32.30% 提升至 33.47%，短路电流密度 (Jsc) 从 16.859 mA/cm² 显着增加至 17.665 mA/cm²。尽管量子阱引入导致开路电压 (Voc) 和填充因子 (FF) 略降，但 Jsc 大幅提升足以弥补损失，实现整体性能改善。暗电流分析显示界面增加导致 SRH 复合增强，解释了 Voc 和 FF 下降机制。
Fig. 6a 展示 AM0 光谱下量子阱与传统电池 J-V 曲线对比，直接证明量子阱对效率提升的贡献。
Fig. 6b 呈现暗电流特性，曲线形态变化与光照性能中 Voc、FF 下降趋势一致，支持复合机制分析结果。
量子阱区域的显着光谱吸收提升与电流匹配 (EQE)
测量太阳能电池在不同波长下的响应效率，确定光谱吸收范围、量子阱吸收贡献及各子电池电流匹配情况。
量子阱太阳能电池三个子电池最大电流失配仅为1.50%，展现优异光电流匹配性能。量子阱吸收峰位于920 nm处（对应带隙1.348 eV），与PL实验结果一致。在量子阱覆盖波长范围（905-923 nm）内，平均外部量子效率约为47%，最大响应达42%，有效拓宽光谱吸收范围并增加短路电流贡献。
Fig. 6d 展示量子阱太阳能电池EQE响应曲线，在近红外波段（900-930 nm）出现明显吸收峰，直接证实量子阱成功扩展光谱响应范围。
子电池电压优化与低电压偏移 (EQE/EL 光电互易关系推导)
透过分析各子电池电压特性与带隙匹配程度，间接评估载流子复合损失，实现最佳光电流匹配。利用外部量子效率 (EQE) 与电致发光 (EL) 光电互易关系计算单个子电池 J-V 特性曲线。
一个太阳光照条件下，顶层、中间层和底层子电池开路电压分别为 1.43 V、0.96 V 和 0.56 V，对应带隙电压偏移 (WOC) 分别为 0.47 V、0.46 V 和 0.39 V。所有子电池材料质量经过优化，使量子阱电池在多结结构中维持较低 WOC 值，展现优异电压表现。
Fig. 6e 展示各子电池 J-V 特性曲线，直观呈现不同注入电流密度下的电压响应，证实各子电池均能产生稳定电压且与带隙结构良好匹配。
40周期量子阱展现优异效率均匀性 (效率均匀性统计)
评估不同周期数量子阱电池在大面积制备下的效率分布和合格率。对40对和80对量子阱各60个样品（8 cm²）进行效率统计，以33% (AM0)作为优异标准线。
40对量子阱电池效率合格率达83.3%，而80对量子阱电池合格率仅66.7%。过多的80周期应力平衡超晶格导致外延材料不均匀性，40周期量子阱能同时满足光谱精细控制和大尺寸器件效率均匀性要求，对实际应用具重要参考价值。
Fig. 6c 展示40对和80对量子阱太阳能电池效率统计直方图，直观对比两种量子阱数量电池的效率分布，突出40周期量子阱电池更高效率合格率及其在实际应用中的经济性优势。
其他表征
优异的应力平衡与周期结构验证 (X-射线绕射, XRD)
评估晶体结构完整性、晶格常数、内部应力状态，验证量子阱周期厚度与界面质量。证实出色的应力平衡控制，界面质量高无缺陷，单个量子阱周期厚度13.8 nm，量子阱层与GaAs衬底相干生长。(图2a, 2b)
良好界面同构型与无位错缺陷 (穿透式电子显微镜, TEM)
直接观察材料微观结构、层厚度、界面形貌及晶体缺陷，验证材料生长质量。40周期量子阱展现良好界面同构型，突变界面清晰，无明显厚度波动，整个堆栈中无弹性弛豫现象及位错缺陷。(图3a, 3b, 3c)
极低表面粗糙度与低缺陷密度 (原子力显微镜, AFM)
评估外延层表面形貌和粗糙度，关联材料生长质量和缺陷密度。量子阱电池表面粗糙度降至2.40 nm（优于传统电池2.48 nm），有效减少缓冲层位错滑移障碍，降低活性区缺陷密度。(图3d, 3e)
量子阱的吸收波长拓展与材料质量 (光致发光, PL)
评估材料发光特性、带隙信息及载流子复合机制，间接反映晶体质量。应变效应导致价带分裂，产生920 nm和884 nm两个PL峰，证实量子阱成功拓展中间电池吸收波长范围。(图4a, 4b)
结论
高效能柔性三结太阳能电池的实现：研究团队成功制备了2 × 4 cm²（总面积8 cm²）的柔性GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池。
量子阱超晶格的创新应用：透过在GaAs中间电池中引入40周期InGaAs/GaAsP量子阱超晶格，成功实现了优异的光谱控制和电流提升。
显着提升光电转换效率：在AM0光谱下，所制备的柔性量子阱太阳能电池达到了33.47%的光电转换效率，相较于传统柔性电池的32.30%有显着提升。
短路电流密度的优化：得益于扩展的光谱吸收范围（量子阱区域外部量子效率约为40%），短路电流密度从传统电池的16.859 mA/cm²提升至17.665 mA/cm²。
应力平衡与材料质量控制：透过精确的应力平衡设计（使用压缩应变的GaInAs阱和拉伸应变的GaAsP势垒），确保了量子阱结构几乎没有位错缺陷，并保持了良好的界面均匀性及极低的表面粗糙度。
低温柔性化制备技术：采用了一次性低温转移技术（在25℃下进行），有效降低了衬底间的应力及外延应力引起的缺陷，成功实现了柔性电池的制备。
40周期量子阱的实用价值：研究发现，40周期量子阱相较于80周期量子阱，在实现高效能的同时，具有更优异的效率均匀性（40周期电池的效率合格率为83.3%，80周期为66.7%），使其成为更经济且实用的方案，对大面积柔性三结太阳能电池的实际应用具有重要参考价值。
文献参考自Nano Energy_DOI: 10.1016/j.nanoen.2025.110718
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