Six-junction III–V solar cells with 47.1% conversion efficiency under 143 Suns concentration

炼金术中的太阳 材料科学 光电子学 能量转换效率 太阳能电池 堆积 等效串联电阻 半导体 太阳能电池效率 化学 电气工程 有机化学 电压 工程类
作者
John F. Geisz,Ryan M. France,Kevin L. Schulte,Myles A. Steiner,Andrew G. Norman,Harvey Guthrey,Matthew Young,Tao Song,Thomas Moriarty
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:5 (4): 326-335 被引量:698
标识
DOI:10.1038/s41560-020-0598-5
摘要

Single-junction flat-plate terrestrial solar cells are fundamentally limited to about 30% solar-to-electricity conversion efficiency, but multiple junctions and concentrated light make much higher efficiencies practically achievable. Until now, four-junction III–V concentrator solar cells have demonstrated the highest solar conversion efficiencies. Here, we demonstrate 47.1% solar conversion efficiency using a monolithic, series-connected, six-junction inverted metamorphic structure operated under the direct spectrum at 143 Suns concentration. When tuned to the global spectrum, a variation of this structure achieves a 1-Sun global efficiency of 39.2%. Nearly optimal bandgaps for six junctions were fabricated using alloys of III–V semiconductors. To develop these junctions, it was necessary to minimize threading dislocations in lattice-mismatched III–V alloys, prevent phase segregation in metastable quaternary III–V alloys and understand dopant diffusion in complex structures. Further reduction of the series resistance within this structure could realistically enable efficiencies over 50%. Stacking multiple junctions with different bandgaps and operating under concentrated light allows solar cells to reach efficiencies beyond the limits of standard devices. Geisz et al. present a six-junction solar cell based on III–V materials with a 47.1% efficiency—the highest reported to date.
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