IIIV族化合物半导体整体多结级连太阳电池光伏技术的新突破文库Word文档格式.docx

IIIV族化合物半导体整体多结级连太阳电池光伏技术的新突破文库Word文档格式.docx

《IIIV族化合物半导体整体多结级连太阳电池光伏技术的新突破文库Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《IIIV族化合物半导体整体多结级连太阳电池光伏技术的新突破文库Word文档格式.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

例如，有人曾用带隙为１．４２ｅＶ的Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体ＧａＡｓ和带隙约为１．０

从１９５４年第一只光电转换效率达到实际应用水平的硅太阳电池在美国贝尔实验室诞生起，光伏技术已有了５０多年的发展历史。

在上个世纪７０年代引发的能源危机刺激下，在空间飞行器能源系统需求的牵引下，这一技术领域内不断取得重要技术突破。

晶体硅太阳电池、晶硅薄膜太阳电池、非Ⅲ－

Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体多晶薄膜Ⅴ族化合物半导体太阳电池、

太阳电池等，越来越多的太阳电池技术日趋成熟。

电转换效光率的不断提高及制造成本的持续降低，使今天的光伏技术在空间和地面都得到了越来越广泛的应用。

而回顾和评价光伏技术在最近１０年的进展，基于砷化镓的Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体多结太阳电池技术的迅速发展应是最引人瞩目的里程碑式突破。

时至今天，ＧａＩｎＰ２／Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ／Ｇｅ三结级连太阳电池大规模生产的平均ＡＭ０效率已接近３０％［１］，使１０年前占据空间能源应用主导地位的硅太阳电池几乎让出了全部空间市场［２］。

在高倍聚光条件下，这种多结太阳电池的实验室ＡＭ１．５效率已接近４０％［３］。

极高的光电转换效率使其在未来的１０年里有可能与传统的平板式硅太阳电池发电系统在地面应用中争夺市场。

最近的发展动态表明，Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体多结太阳电池，作为光伏领域内新的技术突破，有着广阔的发展与应用前景。

ｅＶ的Ⅰ－Ⅲ－Ⅵ族化合物半导体ＣｕＩｎＳｅ２构成的双结电池实现

了２３．１％的ＡＭ０光电转换效率［７］。

由ＧａＡｓ／Ｇｅ［８］和ＧａＡｓ／ＧａＳｂ［９］构成的机械叠加双结电池也都曾实现较高的性能。

但即使是对于最简单的双结电池，机械级连的方法也具有难以克服的缺点。

先，顶电池对于底电池必须是透明”的。

使用厚衬首当“

１

多结级连太阳电池的高光电转换效率机理和发展背景

基于只有能量高于半导体带隙宽作者简介：

陈文浚（１９４５—），男，北京市人。

现为中国电子科技集团第十八研究所（天津电源研究所）研究员级高级工程师。

１９６８年毕业于清华大学半导体材料与器件专业。

三十七年来一直在第一线从事太阳电池的基础研究与生产，曾获得八项国家及部市级科技进步奖。

从１９９２年起享受政府特殊津贴，１９９４年国家劳动人事部授予＂有突出贡献中、青年专家＂称号。

在过去的十年里，领导组建了国内第一条砷化镓太阳电池金属有机物气相外延（ＭＯＶＰＥ）生产线，专门从事基于砷化镓的单结与多结电池研究与生产。

第六届全国ＭＯＣＶＤ学术会议以后，为历届此会议组织委员会委员。

度的个光子才能且只能激发产生一对光生载流子的原理，由单一半导体材料构成的单结太阳电池只能将太阳光谱中的某一部分有效地转化为电能。

量能低于半导体带隙宽度的光子无法将价

９７

２００７．２Ｖｏｌ．３１Ｎｏ．２

的课题。

后一种途径，虽永远无法达到与太阳光谱的最佳匹而配，却更容易实现高光电转换效率的现实目标。

是这后一种正选择实现了我们今天所看到的，以ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ三结级连太阳电池为代表的光伏技术新突破。

事实上，由于Ａｌ－

ＧａＡｓ／ＧａＡｓ单结电池从上个世纪８０年代初开始已通过ＭＯＶＰＥ方法投入成熟的大规模生产，虽然有人尝试过

两ＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ等其它材料系统，而早期的晶格匹配、端整体级连电池的研究主要集中于ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ双结电池。

尽管早在上世纪８０年代末已实现很高的转换效率［１２］，但ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ双结电池的进一步发展却受到限制。

由于与ＧａＡｓ底电池相搭配，ＡｌＧａＡｓ顶电池的Ａｌ组分要足够高，以使带隙宽度接近

图１多结叠层级连太阳电池示意图

１．９ｅＶ。

这时ＡｌＧａＡｓ已从直接带隙材料转变为间接带隙材料

（见图４），实现电流匹配则需要相当厚的顶电池。

而且，

底时，搀杂浓度不能太高。

外，如图２所示，顶层电池的下电另极金属接触也必须象上电极一样做成栅线构型，而且要与两级子电池的上电极图形精确对准。

两级子电池一般具有４个输出端（ｔｅｒｍｉｎａｌ），通常要在电学上先把几个同级子电池互连，再去与另一级子电池相连接，对外构成一个两端器件。

，如先将４只ＣｕＩｎＳｅ２电池串连实现与Ｇａ（Ａｌ）Ａｓ顶电池的电压匹配，再把两级电池并连成两端器件［７］。

电学上互连的复杂程度使机械级连叠层电池很难真正投入大规模的生产与应用。

机械级连电池的各级子电池一般都要使用各自的衬底，这也大大增加了制造成本。

ＭＯＶＰＥ生长时，Ａｌ源对残余氧的敏感性也为制备高质量的

高Ａｌ组分ＡｌＧａＡｓ带来困难［１３］。

图２

两端ＧａＡｓ／ＣＩＳ双结级连太阳电池示意图［７］

半导体材料外延生长技术，特别是ＩＩＩ－Ｖ族化合物半导体的金属有机物气相外延（ＭＯＶＰＥ）技术的成熟发展使得制备整体集成式多结级连太阳电池成为可能。

由图３所示的模拟计算结果［１０］看，双结级连电池的材料最佳匹配选择应是顶电池和底电池的带隙宽度分别为１．７５ｅＶ和１．１２ｅＶ左右。

虽然近几年有人报道了在Ｓｉ（Ｅｇ为１．１ｅＶ）衬底上直接生长晶格匹配的ＧａＮＰＡｓ四元化合物半导体（Ｅｇ为１．６～１．９ｅＶ）的研究结果

［１１］

（ａ）子电池电流匹配（虚线以下部分）（ｂ）顶电池无穷厚图３双结级连太阳电池的ＡＭ１．５理论效率与子电池带隙宽度的关系［１０］

ＪｅｒｒｙＭ．Ｏｌｓｏｎ等于上世纪８０年代中期率先开展了ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ晶格匹配整体级连双结电池的研究［１３］。

如图４所

示，与ＧａＡｓ晶格匹配的ＧａＩｎＰ２具有与高Ａｌ组分ＡｌＧａＡｓ相当的带隙宽度，却不存在上面所提到的两个问题。

可能是由很于受到当时ＭＯ源和ＭＯＶＰＥ设备水平的限制，在早期很难生长出高质量的ＧａＩｎＰ２材料，因此这一方案并不被看好。

但随着ＭＯＶＰＥ技术的发展和对ＧａＩｎＰ２越来越深入的认识［１４］，

，但在实践上很难找到在带隙宽度上如此理想搭配，

晶格常数又非常匹配的两种材料来实现整体级连电池结构。

人们不得不在两种相反的技术途径之间择其一：

优先考虑光学和电学上的要求，即对带隙宽度的要求，努力去用晶格渐变、晶格结构等方法实现非晶格匹配材料的生长；

优先考虑超晶体学上的要求，即对材料晶格匹配的要求，以实现高质量晶体材料的生长，而放宽对带隙宽度的最佳匹配选择。

今为止迄的实践表明，非晶格匹配材料的生长始终是个难以理想解决

ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ双结电池迅速取得超过其它任何材料系统所达

到的转换效率，第一次实现了把３０％的阳光（ＡＭ１．５，非聚

９８

２ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ三结空间电池的持续进步

当前应用卫星的两个重要发展趋势，即大功率及超大功率通信卫星和用于各种目的的小型及超小型卫星，都对太阳电池性能提出了更高的要求。

ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ三结电池正是在这种空间应用的需求牵引下产生和发展的。

上所述，在最如近１０年里，这项技术进步之快，光电转换效率的上升、破之突持续和迅速，是光伏技术发展史上其它类型太阳电池所没有经历过的。

于转换效率远远高于Ｓｉ太阳电池和ＧａＡｓ／Ｇｅ单由结电池，ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ三结电池的应用使太阳方阵的面积

图４部分ＩＩＩ－Ｖ族化合物半导体的带隙宽度与晶格常数

［１５］

比功率和质量比功率都得到改进，且在系统水平上降低了单位功率的制造成本。

在这一领域一直处于领先地位的是美国波音公司下属的子公司Ｓｐｅｃｔｒｏｌａｂ。

我们可以通过解读Ｓｐｅｃ－

光）转换成电能

，成为整体多结级连太阳电池研究的关注

焦点。

与此同时，以Ｇｅ单晶片为衬底的ＧａＡｓ太阳电池已大量应用于卫星能源系统。

ＪｅｒｒｙＭ．Ｏｌｓｏｎ等在ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ双结电池研究中所取得的成果，在上个世纪９０年代中期很快以技术转让的形式在美国的两个空间电池生产厂家（Ｓｐｅｃｔｒｏｌａｂ和Ｔｅｃｓｔａｒ）实现商业化应用［１６］。

１９９７年８月，装备了Ｇｅ衬底这ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ双结电池的第一颗商业通信卫星被发射升空。

颗美国休斯公司的ＨＳ６０１电视直播卫星，不改变太阳方阵的原有设计，仅仅以平均效率为２１．６％的ＧａＩｎＰ２／ＧａＩｎＡｓ／Ｇｅ双结电池取代Ｓｉ太阳电池，方阵的输出功率就从４．８ｋＷ提高了一倍，达到１０ｋＷ，大大增加了卫星的有效载荷，成为空间能源系统的一个新的里程碑。

从图４可以看到，ＧａＩｎＰ２、ＧａＡｓ和Ｇｅ从上到下三点成一线，带隙宽度分别为１．８６、１．４２ｅＶ和０．６７ｅＶ，正好构成晶格匹配的级连三结电池材料系统，虽然并不完全理想。

外延生在长ＧａＡｓ中间电池和ＧａＩｎＰ２顶电池的同时，通过控制Ｖ族和

ｔｒｏｌａｂ在这一领域内所解决的各项关键技术来了解这一技术

最近１０年来的进展。

图５为Ｓｐｅｃｔｒｏｌａｂ的各种效率水平的太阳电池第一次应用于空间飞行器的年代表［１］。

从图中可以看到，ＧａＩｎＰ２／ＧａＩｎＡｓ／Ｇｅ多结电池的进步速度和趋势与Ｓｉ太阳电池及ＧａＡｓ单结电池形成鲜明对比。

Ｓｐｅｃｔｒｏｌａｂ的多结电池已经历四代更新，即双结（ＤＪ－ＤｕａｌＪｕｎｃｔｉｏｎ）

［１６］

三、结（ＴＪ－

［２３］

ＴｒｉｐｌｅＪｕｎｃｔｉｏｎ）ｔｉｏｎ）

［２２］

［２１］

、改进型三结（ＩＴＪ–ＩｍｐｒｏｖｅｄＴｒｉｐｌｅＪｕｎｃ－，平均

和超高效三结（ＵＴＪ–ＵｌｔｒａＴｒｉｐｌｅＪｕｎｃｔｉｏｎ）

效率（ＡＭ０，２８℃）分别为２１．８％、２５．１％、２６．８％和２８％。

产品的效率水平差不多平均每年提高一个绝对百分点。

图６为这四代多结电池的效率分布图［１］，从中我们可以清晰地看到电池性能的持续进步。

ＩＩＩ族元素向Ｇｅ衬底中的扩散，可以在Ｇｅ衬底表面形成ｐｎ

结，构成底电池，从而形成ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ整体级连三结结构。

ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ双结电池在Ｓｐｅｃｔｒｏｌａｂ和Ｔｅｃｓｔａｒ很快演变为三结电池。

尽管ｐ／ｎ即ｐ－ｏｎ－ｎ）极性的ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ（三结电池也曾实现了很高的转换效率［１７］，但相反极性，即ｎ／ｐ（ｎ－ｏｎ－ｐ）型的ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ三结电池被证明在两个方面更具优越性：

（１）相对于ｐ／ｎ型构型，ｎ／ｐ型顶电池更易于制备成浅结却又不影响发射区的薄层电阻，从而改进顶电池短波响应［１８］；

（２）ｐ－ＧａＡｓ基区比ｎ－ＧａＡｓ具有高得多的迁移率［１９］和抗辐照性能。

从上个世纪９０年代后期开始，随着Ｓｐｅｃｔｒｏｌａｂ在

图５

Ｓｐｅｃｔｒｏｌａｂ各种效率水平的太阳电池第一次上天的年代［１］

１９９６年第一次报道了ｎ／ｐ型的ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ三结电池的小

批量生产结果［２０］，各空间电池生产厂家都全力以赴投入ｎ／ｐ型

ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ三结电池的研究［１９］。

电池性能记录被不断刷

新，新的产品相继被应用于新一代的大功率商业通信卫星。

进入２１世纪后，极高的光电转换效率使人们开始意识到，ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ三结电池完全可以以聚光电池的形式去开辟地面应用市场。

很多公司和研究机构都相继投入了高倍聚光多结电池的研制，大部分聚光系统开发商也都开始积极探索用新一代的ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ多结电池取代过去的高效硅太阳电池。

伏技术发展达到了新的高度，其造福于人类的应光用展现出新的前景。

图６

Ｓｐｅｃｔｒｏｌａｂ四代多结电池的效率分布图［１］

９９

如图７所示，典型的ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ三结电池由近２０层材料结构构成。

每一层的晶体质量和外延生长工艺控制都会影响器件的性能。

上个世纪９０年代以来，ＭＯＣＶＤ设备与技术的成熟发展，使得人们在很宽的自由度内优化充因数和电流密度等性能。

ＭＯＶＰＥ技术的进步使得ＧａＡｓ隧穿结的整体生长成为可能。

关键要求是：

（１）高度均匀的超其薄外延层生长；

（２）高搀杂的ｎ＋层和ｐ＋层之间具有陡峭的界面。

早期的ＧａＡｓ隧穿结［２６］应用于ＧａＡｓ中间电池和Ｇｅ底电池之间的连接虽无问题，但在用来连接ＧａＩｎＰ顶电池和ＧａＡｓ电池中间时，尽管隧穿结的电学性能在后来得到了很大改进［２７］，隧穿结的光吸收会影响到ＧａＡｓ中间电池的短路电流密度。

为此，人们研制了ｐ＋－ＧａＡｌＡｓ／ｎ＋－ＧａＩｎＰ［２８］，ｐ＋－ＧａＩｎＰ／ｎ＋－但ＧａＩｎＰ［２９］甚至ｐ＋－ＧａＡｌＡｓ／ｎ＋－ＩｎＧａＡｌＰ［３０］等宽带隙隧穿结。

是，随着带隙宽度的升高，隧穿结的隧穿几率和峰值电流会下降。

实际上，作为宽带隙隧穿结，应用得最多的还是

ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ多结电池的复杂结构成为可能。

极高的外延

层厚度与材料组分均匀性，超薄层结构的准确控制，陡峭的层间截面，材料组分和杂质浓度的高精度控制或渐变分布控制，宽范围的材料源选择等等，都为ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ多结电池技术的发展提供了必要条件。

ｐ＋－ＧａＡｌＡｓ／ｎ＋－ＧａＩｎＰ材料体系。

２．３

与Ｇｅ衬底完全晶格匹配的ＧａＩｎＰ２／ＧａＩｎＡｓ／

Ｇｅ三结电池

上述两项关键技术解决后，ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ三结电池结构的实现已仅仅是材料外延生长程序的编制问题。

为，在这因之前人们已对ＧａＡｓ和ＧａＩｎＰ单结电池有了足够的了解。

于是，在上个世纪９０年代中期诞生了第一代ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ三结电池［２１］。

其典型的性能参数为：

Ｕ＝２．５４Ｖ；

Ｊ＝１５．６ｍＡ／ｃｍ２，使电池ＡＭ０效率限制在２５％左右。

进入２１世纪后，一项极其简单，却很有意义的技术应用使基于ＧａＡｓ的三结电池的效率水平上升到一个新的台阶。

如果仔细观察，从图４可以看出，

图７典型的ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ三结电池结构示意图

ＧａＡｓ和Ｇｅ并不是精确的处在一条晶格匹配直线上。

实际上，

室温下Ｇｅ的晶格常数为０．５６５７８ｎｍ［３１］，比ＧａＡｓ（０．５６２３２ｎｍ）高约０．６％。

第一代ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ三结电池的外延层是与

２．１

ＩＩＩ－Ｖ族半导体极性材料在非极性Ｇｅ单晶衬

底上的成核（ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ）技术

在非极性的Ｇｅ衬底上外延生长ＧａＡｓ这样的极性材料，

ＧａＡｓ晶格匹配的，与Ｇｅ衬底则构成约０．６％的晶格失配。

即

使如此小的晶格失配也会在ＧａＡｓ外延层中引起应力，从而影响到少数载流子寿命。

在ＧａＡｓ掺入约１％的Ｉｎ，则可以实现与Ｇｅ的严格晶格匹配，完全消除Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ外延层中的应力，使少数载流子寿命提高达两个数量级［３２］。

这将大大改进

容易形成反相畴（ＡＰＤ）缺陷。

但这在早期的Ｇｅ衬底ＧａＡｓ太阳电池的外延生长技术中已得到较好的解决。

对于多结电池来说，现在要解决的是，第一层外延层，即成核层的沉积，除了要为后继外延层的高质量生长提供基础外，还要通过控制ＩＩＩ和Ｖ族杂质向Ｇｅ衬底内的扩散在