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1、GaAs基多结太阳能电池高效性的研究GaAs基多结太阳能电池高效性的研究摘要：人们使用的传统能源化石燃料是不可再生并影响环境。 太阳能电池是 通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。 它具有清洁、可再 生、地域广等特点而受到了广泛的关注， 目前常用光伏电池一般硅电池，砷化镓 作为一种新兴太阳电池材料虽然比硅贵， 但其收集光子的效率更高。就性价比而 言，砷化傢是制造太阳能电池的理想材料。 砷化傢三结太阳电池以其高效率、 长 寿命、抗辐照高温性能好等优点在空间应用中占据着主导地位。关键词 砷化傢太阳能电池；高效性；多结叠层1砷化镓太阳能电池发展历程1956年，Jenny等人在N Ga

2、As上扩散镉，首次研制成功砷化傢太阳能电 池，但电池的转换效率只有6.5%左右。1962年，Gobat制成扩散锌的砷化傢P N 结太阳能电池，转换效率提高到11%。20世纪70年代，IBM公司和前苏联Ioffe 技术物理所等为代表的研究单位，采用 LPE（液相外延）技术引入GaAlAs异质窗口层，降低了 GaAs表面的复合速率，使GaAs太阳电池的效率达 16%。 目前应用的三结砷化镓太阳电池主要为晶格匹配而带隙失配的 GaInP（1.85eV）/ln 0.01 Ga0.99As（ 1.40eV）/Ge（ 0.67eV ）结构体系研究的空间 用三结砷化傢太阳电池最高效率已超过 30%（ AMO

3、），批产转换效率为2929.5% （AMO ）;在聚光条件下最高转换效率超过 40% （AM1.5，500sun），批产转换效率为 36 39%（ AM1.5，500sun）。可预计其空间光谱下半经验 理论效率约为31.9%。显然该电池实际效率值已非常接近理论极限。 而三结砷化傢聚光电池实际转换效率尽管与理论效率 52%还有一定差距，但由于受到电池工艺、串联电阻等因素的限制，进一步提升的空间也非常有限。因此一些研究机构开始开展带隙匹配的四结甚至五结、六结太阳电池研究。 在材料选取方面主要有晶格匹配和晶格失配结构两种技术路线，并主要集 中于空间应用的研究。2砷化傢结构及光电性能砷化傢属于川V族化

4、合物，是一种重要的半导体材料，化学式 GaAs，分 子量144.63,属闪锌矿型晶格结构，晶格常数5.65 X0-10m，熔点1237C。在300 K 时，砷化镓材料禁带宽度为1.42 eV,如图1。qx-#07eV叶 Ec询Rg-L42eV- 0费来能处1 | 晌价帶图i砷化镓能带结构简图砷化镓在自然条件下的结晶态通常具有两种晶体结构： 闪锌矿结构或正斜方晶结构。其中正斜方晶结构的GaAs只能在高压下获得，闪锌矿结构是室温下 GaAs的最稳定构型。闪锌矿的晶体构如图 2所示。图2砷化镓晶体闪锌矿结构闪锌矿的GaAs晶体结构属立方晶系F43m空间群，晶格常数a=O 56535nm.配 位数Z=

5、4。如图2所示的GaAs结构是立方面心格子，Ga2+位于立方面心的结点位 置.As交错地分布于立方体内的I/8小立方体的中心，每个Ga2+周围有4个As与 之成键.同样，每个As2-。周围有4个Ga2+，阴阳离子的配位数都是4。如果将 As2-看成是作立方紧密堆积，则Ga2+充填于I/2的四面体空隙。而正斜方晶结构 在高压下才能获得，在温度为300K时，随着压强的增加，GaAs发生从闪锌矿结 构GaAs到正斜方晶GaAs. II的相变。4图3砷化镓能带结构图砷化镓是典型的直接跃迁型能带结构， 其能带结构如图3所示。砷化镓的价 带极大值位于布里渊区中心k = O处；导带极小值也位于k = 0的逊

6、，等能面为 球面。在v 111和（100）方向布里渊区边界L和X处还各有一个极小值。室 温下，DL和X三个极小值与价带顶的能量差分别为 1.424 eV, 1.708 eV和 1.900eV。对于直接带隙半导体材料，当入射光子能量；hv Eg时，能发生强烈的本征 吸收。这就意味着进入材料内的光子很快会被吸收， 电子吸收光子受到激发，直接竖直跃迁进入导带。这种电子的直接跃迁，跃迁几率相当高，因而直接带隙半 导体材料具有较高的电光转换效率，适合于制作半导体发光及其他光电子器件， 当然也为其成为性能优良的太阳能电池创造了条件。 砷化镓的禁带宽度远大于锗的0.67 eV和硅的1.12 eV，因此，砷化

7、傢器件可以工作在较高的温度下和承受较 大的功率。砷化镓（GaAs）材料与传统的硅半导体材料相比，它具电子迁移率高、禁带宽度大、直接带隙、消耗功率低等特性，电子迁移率约为硅材料的 5.7倍。同时，也可加入其它元素改变其能带结构使其产生光电效应， 从而制做砷化傢太阳能电池。此外，砷化镓的能隙与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，所以， 与硅太阳电池相比， GaAs太阳电池具有较好的性能。 3砷化傢电池与硅光电池的比较3.1砷化傢的优势 3.1.1光电转化率砷化傢的禁带较硅为宽，使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅 好。目前，硅电池的理论效率大概为 23%，而单结的砷化傢电池理论效率达到 27

8、%,而多结的砷化傢电池理论效率更超过 50%。根据Sunpower公司的理论推测，35%光电转换效率的聚光发电系统，可能 是成本最低的发电方式，也可能是最终的发电技术。下图为各种太阳能电池转换 效率的发展路线图，可见砷化镓多结太阳能电池的转换效率在所有种类的太阳能 电池中遥遥领先，成为了太阳能电池转换效率的领跑者。 (邑B-U9 屋LLI北4036322824201612&4UPiry LnzRCABest Research-Cell Efficienciest L趣 曲dSunww.Jjjy. _ 一NHELfMKMftekVHUtfl 空创gxStartMl一一FStw jM u itJu

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10、o0im4idCOM HQ CWEjtaB4 Ongnc ce4b Swt HW *. KdMtoMtmokwHMlUiUtilrtA _.0 Wxbo5Tm BSSiaao1985199019952tKW200510FtiC3-ISE1975Fr4vhligirESE图4各种太阳能电池转换效率发展路线图3.1.2耐高温性能常规上，砷化镓电池的耐性要好于硅光电池， 有实验数据表明，砷化镓电池 在250C的条件下仍可以正常工作，但是硅光电池在200C就已经无法正常运行。 3.1.3抗辐射性能好GaAs为直接禁带材料，少数载流子寿命较短，在离结几个扩散度外产生的损 伤，对光电流和暗电流均无影响。因

11、此，其抗高能粒子辐照的性能优于间接禁带的 Si太阳电池。3.1.4可制成效率更高的多结叠层太阳电池MOCVD技术的日益完善,川2 V族三元、四元化合物半导体材料（Ga InP、 AlGa InP、Ga InAs等）生长技术取得的重大进展，为多结叠层太阳电池研制提供 了多种可供选择的材料。3.2砷化傢的劣势3.2.1机械强度和比重砷化镓较硅质在物理性质上要更脆，这一点使得其加工时比容易碎裂，所 以，目前常把其制成薄膜，并使用衬底（常为 Ge锗），来对抗其在这一方面的不利，但是也增加了技术的复杂度。3.2.2傢稀缺砷有毒由于傢比较稀缺成本较高，砷有毒对于环境安全和生产工人自身身体安全都 是一个不小

12、的威胁。4制造技术4.1 LPE技术LPE是NELSON在1963年提出的一种外延生长技术。其原理是以低熔点 的金属（如Ga、In等）为溶剂,以待生长材料（如GaAs、Al等）和掺杂剂（如Zn、Te、Sn等)为溶质，使溶质在溶剂中呈饱和或过饱和状态，通过降温冷却使溶质从 溶剂中析出，结晶在衬底上，实现晶体的外延生长。20世纪70年代初,LPE开始用于单结GaAs太阳电池的研制。通过在 GaAs 单晶衬底上外延生长n-GaAs、p-GaAs和一层宽禁带Alx Gai-xAs窗口层，使GaAs 太阳电池效率明显提高。LPE设备成本较低,技术较为简单，可用于单结GaAs/ GaAs太阳电池的批产。L

13、PE的缺点是异质界面生长无法进行、多层复杂结构的生长难以实现和外延 层参数难以精确控制等，这限制了 GaAs太阳电池性能的进一步提高。20世纪90 年代初，国外已基本不再发展该技术，但欧、俄、日等地区和国家仍保留LPE设备, 用于研制小卫星电源。4.2 MOCVD 技术MOCVD是MANASEVIT在1968年提出的一种制备化合物半导体薄层单晶 的方法。其原理是采用川族、U族元素的金属有机化合物 Ga (CH3) 3、Al (CH 3)3、Zn (C2H5)2等和V族、切族元素的氢化物(PH3、ASH3、HzSe)等作为晶体生长 的源材料，以热分解的方式在衬底上进行气相沉积(气相外延)，生长川

14、-v族、n -w 族化合物半导体及其三元、四元化合物半导体薄膜单晶。 20世纪70年代末,MOCVD开始用于研制GaAs太阳电池。与LPE相比,MOCVD虽然设备成本 较高，但具有不可比拟的优越性。两者的比较如表 1所示。表一 MOCVD与LPE的比较外延技术LPEMOCVD原理物理过程化学过程一次外延容量单片多层或多片单层多片多层外延参数控制 能力厚度、载流子浓度不易控制， 难以实现薄层和多层生长能精确控制外延层厚度、浓度和组 分，实现薄层、超薄层和多层生长，大面 积均匀性好，相邻外延层界面陡峭异质衬底外延不能能可实现的太阳 电池结构外延层一般只13层，电池 结构不够完善外延层可多达几十层，

15、并可引入超晶 格结构,电池结构更加完善，可制备多结 叠层太阳电池可达到的最高 效率单结GaAs电池21 %GaAs 单结电池 21 %22 %; GalnP/GaAs 双结电池 26. 9 %;GaInP/ GaAs/Ge三结太阳电池29 %太阳电池领域 的应用已逐步淘汰占主导地位5单结GaAs太阳能电池5.1单结GaAs/ GaAs太阳电池20世纪7080年代,以GaAs单晶为衬底的单结GaAs/ GaAs太阳电池研制 基本采用LPE技术生长，最高效率达到21 %。80年代中期，已能大批量生产面积 为2cmK2cm或2cmK4cm的GaAs/GaAs电池，如美国休斯公司采用多片 LPE设备,

16、 年产3万多片2cmK2cm电池，最高效率达19 %，平均效率为17%(AM0);日本三菱 公司采用垂直分离三室LPE技术,一个外延流程可生产200片2cmK2cm GaAs电 池最高效率达19.3 % ,平均效率为17.5%(AM0)。此外，国外也用MOCVD技术 研制GaAs/GaAs太阳电池，美国生产的GaAs/ GaAs太阳电池批产的平均效率达 到了 17.5%(AM0)。5.2单结GaAs/Ge太阳电池为克服GaAs/GaAs太阳电池单晶材料成本高、机械强度较差，不符合空间电 源低成本、高可靠要求等缺点,1983年起逐步采用Ge单晶替代GaAs制备单结 GaAs电池。GaAs/Ge太

17、阳电池的特点是：具有GaAs/GaAs电池的高效率、抗辐 照和耐高温等优点,Ge单晶机械强度高，可制备大面积薄型电池，且单晶价格约为 GaAs的30%。单结GaAs电池结构如图5所示。图5 单结GaAs太阳电池结构不断发展MOCVD技术,解决了 GaAs、Ge异质材料界面钝化的技术难题，使 GaAs/ Ge太阳电池的效率由16 %提高到20 %以上。80年代中后期，美、意、日、 英等国的公司用MOCVD技术大批量生产单结 GaAs/ Ge太阳电池，批产平均效 率已达18.0%19.5%(AM0,1个太阳常数)。6多结GaAs太阳电池单结GaAs电池只能吸收特定光谱的太阳光，其转换效率不高。不同

18、禁带宽度 的川2V族材料制备的多结GaAs电池,按禁带宽度大小叠合，分别选择性吸收和转 换太阳光谱的不同子域，可大幅度提高太阳电池的光电转换效率。理论计算表明 (AM0光谱和1个太阳常数)：双结GaAs太阳电池的极限效率为30%，三结GaAs 太阳电池的极限效率为38%，四结GaAs太阳电池的极限效率为41%。多结太阳 电池光谱吸收原理如图6所示。20世纪80年代中期,国外逐步开始研制高效率多结叠层电池。 多结叠层电池 效率高、温度系数低、抗辐射能力强，其空间应用更具吸引力。46.1双结GaAs太阳电池双结GaAs太阳电池是由两种不同禁带宽度的材料制成的子电池，通过隧穿 结串接起来。双结电池主

19、要吸收太阳光谱的短波段和长波段。6.1.1 Alo.37Gao.63As/GaAs(Ge)双结太阳电池在研制单结GaAs太阳电池的过程中深入研究了 AlGaAs/GaAs的异质结构。因此研制双结太阳电池时，首先关注的是AI0.37Ga3.63As/GaAs晶格匹配和光谱匹配 系统,两者的Eg分别为1.93 eV和1.42eV，正处于叠层太阳电池所需的最佳匹配范 围。1988年,CHUNG等用MOCVD技术生长了 AI0.37Ga0.63As/ GaAs双结叠层太阳 电池，其AM0效率达到23%。研究中发现生长高质量AI0.37Ga0.63As层非常困难。这 是因为Al容易氧化,对气源和系统中的

20、残留氧非常敏感，导致少子寿命明显缩短， 无法显著提高太阳电池的电流密度。此外，AI 0.37Ga0.63As电池的抗辐照性能与 GaAs电池相仿，不能有效地增加双结太阳电池的空间应用寿命。因此,90年代中期 后对Al 0.37Ga0.63As/GaAs双结太阳电池的研究未取得新的进展。6.1.2 Gao.5lno.5P/GaAs(Ge)双结太阳电池Ga0.5ln0.5P是另一个宽带隙与 GaAs晶格匹配的系统。与 Al 0.37Ga0.63As/GaAs体系相比，GaD.5ln0.5P/GaAs的界面复合速率很低(约为1.5cm/s)且Ga0.5In0.5P电池具 有与InP电池相似的抗辐照性

21、能，故Ga0.5ln。.5P/GaAs双结太阳电池具有更高的性能和更长的应用寿命。其结构如图7所示。1984年，美国研制出GaO. 5 InO. 5 P/ GaAs叠层双结太阳电池。通过不断研 究GaO. 5 InO. 5 P的性能和生长条件，改进源物质的纯化，优化器件结构设计，使效 率不断提升,由1985年的仅为4 % ,增至1994年的25. 7 %1 。1997年,TAKAMOTO 等在P +2GaAs衬底上研制的GaO. 5 InO. 5 P/ GaAs双结太阳电池, 其AMO最高效率达到26. 9 %。9O年代初,GaO. 5 InO. 5P/ GaAs双结太阳电池从 实验室研制进入

22、批产阶段，批产的平均效率已达22 %。6.2三结GaAs太阳电池在GaO.5 In 0.5P/GaAs（Ge双结电池的基础上，1993年国外开始研制效率更高 的三结GaO.5InO.5 P/GaAs/Ge叠层太阳电池。其结构如图8所示。1996年,美国光谱 实验室研制的该类电池的 AMO最高效率达到25.7%,小批量生产平均效率达到 23.8%;1997年大批量生产平均效率达到24.5 %,2OOO年最高效率达到29%,2OO2年 大批量生产平均效率达到26.5%。目前,砷化傢三结太阳能电池采用三个具有不 同带隙的半导体材料，按照带隙自受光面从大到小的原则堆叠构成， 实现对太阳 光谱的全吸收，

23、最高转换效率已达到 3O%（ AMO ）。在地面应用中砷化傢三结 聚光电池最高转换效率已超过4O%（AM1.5，5OOsun），随着聚光系统和太阳跟 踪系统技术的进步，砷化镓三结太阳能电池已显示出了较强的成本和优势。AtKl图8 三结GaO.5lnO.5P/GaAs/Ge太阳电池结构6.3四结砷化傢太阳电池J. M . Olson 等人研究发现 GaO.引n. 5P(1.85eV)、GaAs(1.43 ev)、Ge(O. 67eV)不能构成理想的三结电池，因为 Ge的带隙O. 67eV偏低；而Ge可以构成四结电池的底电池。所以，四结电池的关键是寻找晶格匹配的第三结叠层电池材料, 其直接带隙在O

24、. 95 eV1. O5 eV之间（对于AMO光谱）。通过理论计算表明,采用GalnNAs材料制备的四结太阳能电池带隙和晶格大小较为匹配，理论效率 可达到37.3% （AMO ），但GalnNAs外延材料的少子寿命低，限制了四结叠层太阳电池的电流密度（8mA/cm）,成为制约转换效率提高的关键因素。为了解 决GalnNAs材料严重制约多结太阳能电池性能的问题，最新技术尝试选择采用 晶格失配而带隙匹配的材料体系结构， 并通过结构和材料生长方式的调整， 较好 地实现了光电效率的提高。2010年，Emcore报道采用带隙匹配当晶格失配的 InGaAs材料制备的倒置四结太阳能电池最高转换效率为 33.

25、6% （AMO ），刷新了空间太阳能电池转换效率的记录。 7砷化傢太阳能电池发展方向7.1高效率多结GaAs太阳电池改进多结GaAs太阳电池的结构和制备工艺，提高电池的光电转换效率，扩大 批产能力，大幅提高空间太阳电池方阵的面积比功率、质量比功率和应用寿命 ， 降低太阳电池阵的成本。7.2 GaAs薄膜太阳电池GaAs电池质量大、费用高，利用GaAs材料对阳光吸收系数大的特点，可制 成薄膜型（厚度510卩m）。可大大减轻太阳方阵质量，从而提高电池的质量比功 率。7.3聚光太阳电池空间聚光阵列具有更高的抗辐射性能、更低的费用和更高的效率 ，并可减少 电池批产的资金投入。多结 GaAs太阳电池因其

26、高效率、高电压（低电流）和高 温特性好等优点，而被广泛用于聚光系统。总之，GaAs聚光电池发展的重点是：提高光电转换效率（ 40 %）和批产能 力（年批产大于300 MW）,大幅降低成本；提高抗辐射能力；改善聚光器性能（研制 空间实用的高效轻质聚光太阳电池帆板），提高太阳能的利用率，减小太阳电池阵 的质量;改善散热系统性能，显著提高聚光系统效率。未来20年预计将在航天飞行 器的空间主电源中大量使用聚光砷化傢太阳电池。GaAs太阳能电池作为新一代高性能长寿命空间电源，必将逐步取代目前广 泛使用的硅电池，在空间光伏领域占据主导地位。我国航天事业的飞速发展迫切 需要高性能，长寿命的空间主电源。目前我

27、国在砷化镓电池领域与国外先进水平 差距较大，必须尽快研制，重点发展三节以上的高效率太阳能电池以及聚光薄膜 太阳能电池。GaAs Quito solar cell efficiency of researchabstract： People use traditional energy resources are not renewable fossil fuels and affect the en vir onment. The solar cell is through the photoelectric effect or photochemical effect directly in

28、to light en ergy into electrical en ergy device. It has a clea n, re newable, regi onal wide wait for a characteristic and received widespread atte nti on, now com monly used com monly silic on photovoltaic cells, gallium arse nide as a new battery material, though the sun than silicon is expensive,

29、 but its collection of photons efficiency is higher. Price is concerned, gallium arsenide is an ideal material manufacturing solar cells. Gallium arsenide three solar cell with its high efficie ncy, Io ng life, high temperature resista nee to radiati on performa nee adva ntages of applicati on in space has a major positi on.Key words： Gallium arse nide solar cells ;efficie ncy; Bear much lam in ated