【国际论文】采用非晶态自适应Ga₂O₃薄膜的水动力混合太阳能电池

        由韩国仁川大学的研究团队在学术期刊 Materials & Design 发布了一篇名为 Aqua-powered hybrid solar cell using amorphous conformal Ga₂O₃ thin-film（采用非晶态自适应 Ga₂O₃ 薄膜的水动力混合太阳能电池）的文章。

        清洁能源的开发是实现碳中和目标的核心需求，而光伏发电是其中最重要的技术之一。硅太阳能电池是当前光伏市场的主流，但其性能受到表面反射损耗和界面复合等问题的限制。宽禁带氧化物半导体，氧化镓（Ga₂O₃）因高透明度、化学稳定性和优异的表面钝化性能，被认为是解决上述问题的潜力材料。将超薄的 Ga₂O₃ 层应用于硅太阳能电池，可以同时起到钝化层、保护层和抗反射涂层的作用。近年来，“水-光伏”（Aqua-voltaic）系统引起了关注，即利用水作为一种主动介质来改善光学性能和电荷分离，从而提升电池效率。然而，传统的水伏系统面临着半导体与水直接接触导致的界面不稳定和器件退化等关键挑战。

        清洁能源发电是实现碳中和的首要需求。光伏技术是清洁能源的最佳选择。水作为可靠且充足的资源，可用于提升混合系统中的光伏性能，成为未来清洁能源发电的重要支撑。本研究设计并验证了一种新型水-光伏混合太阳能电池，通过在水基环境下将超薄氧化镓层（2.3 nm）与多晶硅太阳能电池集成。经溅射法生长的非晶态 Ga₂O₃ 层可增强光吸收能力，降低紫外区域表面反射率，并形成抵御环境退化的保护屏障。光伏特性测试表明，引入 Ga₂O₃ 与水后，硅太阳能电池效率从 19.04% 提升至 21.56%。光照条件下，电化学阻抗谱（EIS）显示出电容与电阻特性，表明存在强烈的界面电荷动力学。这些现象归因于 Ga₂O₃-水界面处的电子双层电容、量子电容调制及电荷重分布。研究结果表明水在增强电荷传输的同时影响表面态相互作用，从而提升太阳能电池性能。本工作深入阐释了半导体-液体界面的相互作用机制，为高效混合能源采集技术提供了新思路。

        ● 通过在水基条件下将硅与超薄氧化镓层结合，成功演示了一种新型混合太阳能电池。

        ● 该系统展现出增强的光吸收能力、降低的表面反射率及抗环境损伤特性。

        ● 由于半导体-水界面处电荷传输与界面效应的增强，太阳能电池效率从 19% 提升至 21% 以上。

        ● 本研究揭示了水在提升性能中的双重作用，为未来清洁能源采集技术开辟了新路径。

        本研究展示了将水与光伏电池集成于一体的混合光伏系统功能增强效果。在水基工作条件下，将 Ga₂O₃ 引入多晶硅太阳能电池可显著提升性能。经特殊设计的 Ga₂O₃ 作为抗反射涂层，既增强了光子吸收能力又降低了紫外反射率，其保护特性同时减轻了水环境中器件的退化现象。水介质通过界面电容效应、降低复合损耗及调控载流子动力学进一步提升效率。受光照时，系统展现出复杂的载流子传输机制与独特的阻抗特性。这些发现凸显界面工程在太阳能电池中的关键作用，表明半导体-液体混合系统具有成为下一代光伏技术的巨大潜力。实时电池充电实验的成功验证，进一步证实了该方案在可持续能源采集与存储领域的可行性。展望未来，光伏系统的部署范围或将从陆地拓展至水域环境，为太阳能利用开辟全新路径。

图1. a) 混合水动力太阳能电池示意图，插图为混合水动力太阳能电池装置的截面视图，其中包含多晶硅太阳能电池、氧化镓层、银汇流条及覆盖其上的水层。该系统连接负载并接受顶部光源照射。b) 带氧化镓层与银汇流条的多晶电池尺寸示意图。c) 3D 打印封闭箱体实验装置，内部放置水混合电池并接受光照。d) 商业化多晶太阳能电池，含 Ga₂O₃ 层与水层结构。

图2. a) 厚度为 2.3nm 的氧化镓层的HRTEM图像。b) Ga₂O₃ 的 FFT 图。c) 元素相图，所有元素组合图。d) 在横截面处获得的单独 Ga、Si、N 和 O 元素图。

图3. a) 含/不含氧化镓层的紫外-可见反射率光谱（空气与水介质）。b) 椭圆偏振仪数据提取的波长-折射率关系曲线。插图展示了沉积于硅衬底上的 Ga₂O₃ 薄膜。c) 半对数坐标下的暗电流-电压曲线：空气介质中无氧化镓层的多晶太阳能电池（W/O 电池在空气中）， 含氧化镓层多晶太阳能电池在空气介质中的 I-V 曲线（W/G 电池在空气中），无氧化镓层多晶太阳能电池在水介质中的 I-V 曲线（W/O电池在空气中），含氧化镓层多晶太阳能电池在水介质中的 I-V 曲线（W/O 电池在水中）。d) 无氧化镓层多晶太阳能电池在空气介质中的光电流响应（W/O-Air）， 含氧化镓层的多晶太阳能电池在空气介质中（W/G-Air），无氧化镓层的多晶太阳能电池在水介质中（W/O-water），以及含氧化镓层的多晶太阳能电池在水介质中（W/O-water）。

图4. a) 不同偏压下暗光条件下空气介质中的奈奎斯特图与等效电路图。B) 不同偏压下暗光条件下水介质中的奈奎斯特图与等效电路图。阻抗方面，奈奎斯特图显示该器件在空气介质中的阻抗低于水介质。另一方面，等效电路模型表明水介质中的电容值高于空气介质。c) 水中照明条件下不同偏压电压的奈奎斯特图与等效电路模型。此时阻抗低于两种条件下的数值，电容效应同样显著。

图5. a) 用于水处理设备的3D打印外壳箱，其中十台设备串联连接。b) 设备连接的电路图。

DOI：

doi.org/10.1016/j.matdes.2025.114754