近日，2024老澳门原料网能源与电气学院新能源系张怿教师团队在光伏发电技术领域顶级权威期刊《Progress in Photovoltaics》（IF=7.95，中科院Top期刊）上发表题为“Review of the mechanisms for the phonon bottleneck effect in III-V semiconductors and their application for efficient hot carrier solar cells”的综述论文。该论文系统总结了III-V族块体和低维半导体中的声子瓶颈效应机理及其在热载流子光伏电池应用方面的最新学术研究进展。
热载流子光伏电池（Hot carrier solar cells）是目前较有发展前景的第三代太阳能光伏电池之一，该薄膜电池具有结构简单、工艺简化、成本较低、理论效率更高等优势。与传统的单P-N结光伏电池相比，热载流子光伏电池通过充分利用载流子热弛豫能量（Thermalization energy）来显著提高电池的能量转换效率，从而有望突破传统Shockley-Queisser电池效率极限。标准条件下，单结硅基光伏电池效率极限约为30%左右，而热载流子光伏电池理论效率将达到65%左右。为及时捕捉并充分利用载流子热弛豫能量，该型电池吸收层需将载流子弛豫过程从飞秒级（10-12秒）时间尺度有效减缓至纳秒级（10-9秒）时间尺度。经多年研究，学界已指出声子瓶颈效应（Phonon bottleneck effect）在有效降低载流子热弛豫速率方面起着关键作用。但该效应机理尚不明晰，相关结论也不一致。因此，阐述声子瓶颈效应机理，并将其应用于热载流子光伏电池的研制就显得及其必要和迫切。
图1 热载流子光伏电池的电子能带结构示意图
III-V族半导体因其较大的有效原子质量差值、低晶格失配度和可调节电子能带结构（能带工程），成为超高效薄膜光伏电池最常用的制备材料之一（例如：多结GaAs航空航天光伏电池等）。上述物理特性有效降低了该材料体系中声子瓶颈效应和热载流子弛豫机理研究的复杂性和研究难度。本综述论文中从100余篇相关重要文献中总结归纳了光伏电池III-V族半导体材料体系中关于声子瓶颈效应机理的研究成果，并系统性阐述了块体和低维III-V族半导体中的声子瓶颈效应机制。首先，从电子能带结构角度解释了声子瓶颈效应的对载流子弛豫过程的影响及其机理，首次提出并总结了影响声子瓶颈效应的四个主要因素即：1）载流子密度、2）电子结构、3）声子结构和4）量子限制效应。基于上述因素，对Ⅲ-Ⅴ族块体（Bulk）半导体（含氮化物、磷化物、砷化物和锑化物）中的声子瓶颈效应进行了阐述和讨论。同时总结分析了量子阱（Quantum well）、多量子阱（Multiple quantum wells）、量子线（Quantum wire）和量子点（Quantum dots）等低维结构III-V族半导体中的声子瓶颈效应作用机理。针对近十年来相关领域的重要科学进展、学术成果、实验验证和数据拟合方法开展了全面分析和总结。最终指出量子阱结构砷化物半导体材料体系最有望适用于热载流子光伏电池的吸收层及其能量选择性接触器件，并对以后相关研究的实验技术手段，拟合数据方法以及结果分析提出一种科学合理的统一标准。
图2 飞秒时间尺度下半导体中载流子激发弛豫及复合过程
本综述论文是基于张怿及其他参与作者前期已开展的大量关于热载流子光伏电池的基础科研工作。热载流子光伏电池基础实验论证及研发工作最早由本文共同通讯作者新南威尔士大学Gavin Conibeer教授和法国国家科学研究中心光伏发电研究所Jean-François Guillemoles教授共同提出。此后，其科研团队开展了大量开创性科研工作，并多次在全球顶尖期刊如《Nature Energy》、《Nature Materials》、《Nature Photonics》、《Physical Review Letters》、《Advanced Energy Materials》等发表热载流子光伏电池相关的重要科研成果。
本文第一作者兼通讯作者张怿博士师从Gavin Conibeer教授，读博期间已开展热载流子光伏电池III-V族半导体吸收层实验论证及其物理机理研究工作。其中，通过调节源激发光功率，基于一种全新的数据拟合方法首次发现了块体InGaN中载流子密度对其弛豫过程的直接影响（见图3.1），并指出声子瓶颈效应在块体半导体中的作用机理，提出低维结构中该效应将得到极大增强从而有效减缓载流子弛豫过程的设想（该成果已发表于自然指数期刊Applied Physics Letters, 2016, 108(13):131904）。基于上述工作，团队首次定量研究了InN/InGaN多量子阱中声子瓶颈效应机理受界面声子失配度和量子限制效应的影响，观察得到由于增强型声子瓶颈效应，载流子的弛豫速率得到极大减缓，其弛豫时间可长达数纳秒，已基本满足热载流子吸收层功能需求（见图3.2）。该工作为通过声子瓶颈效应降低载流子弛豫速率的热载流子光伏电池吸收层研制提供了重要的实验依据（该成果已发表于自然指数期刊Applied Physics Letters, 2020, 116(10):103104）。团队还利用块体半导体GaSb和InN的声子及电子结构独有特性，系统性研究了谷间散射和声子瓶颈效应对载流子弛豫速率的影响机理（见图3.3），提出了适用于通过声子瓶颈效应减缓弛豫过程的III-V族材料体系要求，并首次阐明了谷间散射和声子瓶颈效应在减少载流子弛豫方面的相互作用机理（该成果已发表于Journal of Applied Physics, 2021, 130(20):205705，并被选为编辑精选论文Editor’s Pick）。此外，团队联合东南大学电子院、南京大学物理院等相关科研团队分析了量子匹配效应、声子瓶颈效应和载流子屏蔽效应对热载流子光伏电池热弛豫过程机理的影响，并系统性阐述了几种极具发展前景的III-V族半导体和钙钛矿材料体系在体结构和量子阱结构中的应用（见图3.4），指出声子瓶颈效应在减缓载流子弛豫速率方面起最决定性的作用。（该成果已发表于Solar Energy Materials and Solar Cells, 2021, 225(3):111073）。
图3.1 飞秒时间尺度下块体InGaN中载流子弛豫过程及机理分析
图3.2 多量子阱中声子瓶颈效应机理及载流子弛豫过程示意图
图3.3 声子瓶颈效应及谷间散射对载流子弛豫过程影响的关系梳理及模型解释
图3.4 多种效应对载流子弛豫过程影响机理及过程示意图
以上新型热载流子光伏电池研发的相关工作有望进一步降低光伏电池发电成本并极大提高发电效率，从而一定程度上促进我国光伏发电产业高质量发展并助力“双碳”国策的顺利实施。上述工作受到了国家自然科学基金，江苏省光伏科学技术国家重点实验室开放课题，江苏省科技计划“港澳台科技合作”专项项目，中央高校业务费等项目的支持。（能电院）
相关文献信息
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2. Y. Zhang, X. Jia, S. Liu, B. Zhang, K. Lin(*), J. Zhang and G. Conibeer. A review on thermalization mechanisms and prospect absorber materials for the hot carrier solar cells[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, vol.225, p.111073, 2021.（SCI期刊论文，IF=7.267，综述论文）
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