III-V族太阳能电池中丝网印刷银浆栅线接触的优化实现及其光电转换效率提升研究

研究人员针对III-V族太阳能电池传统电极成本高、工艺复杂的问题，创新性地采用丝网印刷技术（SP）替代传统合金电极，系统优化了银浆与InGaAs接触层的欧姆接触性能。通过低温退火（300℃）实现了5.79×10-5 Ω·cm2的超低接触电阻，并设计无结栅线将栅线宽度降至26 μm，最终使InGaAs电池在AM1.5G光谱下转换效率达10.30%。该研究为III-V族电池低成本规模化生产提供了新思路。

　　

在追求清洁能源的时代，III-V族太阳能电池因其高效率成为高空长航时飞行器和低轨卫星的“能量心脏”。然而，传统金基电极（如AuGe/Ni/Au）不仅成本高昂（每瓦3.9美元），高温退火时还会引发GaAs界面不稳定。更棘手的是，光刻和电子束蒸镀工艺的复杂流程与昂贵设备，如同“镣铐”限制了这类电池的商业化脚步。

为打破困局，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所（SINANO）的研究团队将目光投向了硅电池领域成熟的丝网印刷技术。他们试图用廉价的银浆（SP）替代贵金属电极，但面临两大“拦路虎”：一是III-V族电池有限的器件面积要求更窄的栅线（<30 μm），二是银浆与半导体接触层的高电阻难题。

研究人员首先设计了一种“无结点”丝网（520目，0°倾角），通过消除网线交叉点，将栅线宽度从传统丝网的59.2 μm压缩至26.1 μm，均匀性提升至6%。接着，他们发现300℃退火时银颗粒会形成致密导电网络，同时银向InGaAs层扩散增强隧穿效应，使接触电阻降至5.79×10^-5 Ω·cm²——这一数值比MicroLink Devices此前报道的结果低了三个数量级。热重分析（TGA）显示，该温度恰好能分解1.84%的有机载体，避免高温导致的界面空洞问题。

在器件层面，团队通过功率损耗模型计算出20 μm栅宽与870 μm间距的最佳组合（损耗仅4.58%）。最终制备的2.83 cm² InGaAs电池效率达10.30%，与光刻工艺电池（10.05%）相当。外量子效率（EQE）超90%，暗态I-V曲线显示理想因子n≈1.2，表明电极覆盖未显著影响载流子收集。

这项发表于《Materials》的研究具有双重突破性：工艺上，丝网印刷将电极制备时间缩短至传统方法的1/3，成本可降至0.02美元/瓦；技术上，低温银浆接触的实现在柔性、大面积III-V电池中展现出应用潜力。正如通讯作者Shulong Lu强调的，该工作“不仅简化了制造流程，更为多结太阳能电池的商业化打开了新窗口”。

关键技术方法

1. 1.

   采用无结点丝网（520×10 μm×0°）和优化印刷参数实现26 μm窄线宽栅极；

2. 2.

   通过点传输线法（DTLM）量化接触电阻，结合SEM观察界面形貌；

3. 3.

   建立功率损耗模型优化栅线设计；

4. 4.

   金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长In_0.53Ga_0.47As电池结构；

5. 5.

   热重分析（TGA）和光致发光（PL）表征材料性能。

研究结果

1. 1.

   窄线宽印刷：0°倾角丝网使栅线宽度降至26.1 μm，高度14.7 μm，阴影损耗降低；

2. 2.

   接触优化：300℃退火后银颗粒形成连续导电通路，接触电阻达5.79×10^-5 Ω·cm²；

3. 3.

   器件性能：SP电池效率10.30%（AM1.5G），FF达66.65%，EQE>90%；

4. 4.

   机理分析：银扩散增强隧穿效应，而高温（400℃）会导致In偏析使电阻回升。

结论与意义

该研究首次证明丝网印刷技术在III-V族电池中的可行性，通过材料界面工程与工艺创新，实现了性能媲美传统工艺的低成本电极。其意义不仅在于10.30%的效率数字，更在于为下一代空间电源和柔性光电器件提供了可扩展的制造方案。正如Qiangjian Sun在文中指出，这项技术“有望推动III-V光伏系统从实验室走向产业化”。