含有布拉格反射器的Ga InP/Ga InAs/Ge太陽(yáng)電池研究

高偉，高慧，許軍，張寶，劉長(zhǎng)喜，王保民，穆杰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384）

GAOWei,GAO Hui,XU Jun,ZHANG Bao,LIU Chang-xi,WANG Bao-min,MU Jie

含有布拉格反射器的Ga InP/Ga InAs/Ge太陽(yáng)電池研究

高偉，高慧，許軍，張寶，劉長(zhǎng)喜，王保民，穆杰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384）

通過(guò)數(shù)學(xué)方法，對(duì)中心波長(zhǎng)為880 nm的布拉格反射器進(jìn)行了理論計(jì)算和設(shè)計(jì)。采用MOCVD技術(shù)在Ge襯底上外延生長(zhǎng)了15個(gè)周期，中心波長(zhǎng)為880 nm的AlAs/GaAs結(jié)構(gòu)的布拉格反射器，并且成功植入到Ga InP/Ga InAs/Ge結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池中，使中間電池減薄到1.5μm，并且在AM 0光譜下電池效率達(dá)到29.36%。

布拉格反射器；太陽(yáng)電池；中心波長(zhǎng)；反射率

1 理論計(jì)算

布拉格反射器是由兩層不同折射率的半導(dǎo)體材料交替生長(zhǎng)構(gòu)成。它的中心反射波長(zhǎng)主要取決于膜層的折射率和光學(xué)厚度，反射器的每一層光學(xué)厚度都必須滿足1/4中心波長(zhǎng)0的相關(guān)條件。達(dá)到特定的光的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，使其對(duì)光將近100%反射，反之則對(duì)光的反射幾乎為零。

如果是多層的膜，反射系數(shù)可以利用轉(zhuǎn)移矩陣的方法計(jì)算[3]，每一層膜的光學(xué)特性可以用矩陣表示為：

從光譜來(lái)看，大于900 nm的紅外光不會(huì)被GaInAs中間電池吸收，所以在中間電池基區(qū)的下面生長(zhǎng)中心波長(zhǎng)為880 nm的布拉格反射器，使其反射相應(yīng)范圍的光，提高中間電池的電流，就可以保證電流不變的情況下，減薄中間電池基區(qū)，提高抗輻照能力。通過(guò)理論計(jì)算，可以得出兩種不同材料組合所得到的布拉格反射器，見(jiàn)表1。

表1 不同材料的布拉格反射器

在GaInP/GaInAs/Ge結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池中加入布拉格反射器，由于是在中間電池GaInAs材料的下面生長(zhǎng)布拉格反射器，其晶格常數(shù)與AlAs和GaAs基本相同，晶格常數(shù)見(jiàn)圖1，考慮到材料之間的匹配性和工藝的易實(shí)現(xiàn)性，決定生長(zhǎng)AlAs/GaAs的布拉格反射器更加容易，對(duì)于材料的完美性無(wú)影響。圖2給出了生長(zhǎng)中心波長(zhǎng)為880 nm的A lAs/GaAs布拉格反射器生長(zhǎng)的周期數(shù)和反射率的曲線。從圖2中可以看出當(dāng)周期數(shù)超過(guò)12時(shí)，中心反射波長(zhǎng)處的反射率幾乎達(dá)到100%[4]。

圖1 III-V族化合物的禁帶寬度和晶格常數(shù)

圖2 布拉格反射器中心波長(zhǎng)處反射率隨周期數(shù)變化

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)生產(chǎn)的AIXTRON 2800型行星方式旋轉(zhuǎn)的反應(yīng)室的MOCVD設(shè)備進(jìn)行外延生長(zhǎng)。使用P型(100)晶向偏(111)9°的單面拋光的Ge襯底，采用三級(jí)純化的H2作為載氣。原材料使用高純度的金屬有機(jī)物為III族源，包含：三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)、三甲基銦(TM In)等。氣體V族氫化物為AsH3、PH3，n型摻雜源為H2稀釋的硅烷(SiH4)，p型摻雜源為金屬有機(jī)物二甲基鋅(DMZn)。生長(zhǎng)溫度為600～700℃。首先生長(zhǎng)15個(gè)周期層厚為73 nm的AlAs和60 nm的GaAs結(jié)構(gòu)的布拉格反射器，外延結(jié)構(gòu)如圖3所示。然后在中間電池下面，外延生長(zhǎng)含有15個(gè)周期的布拉格反射器GaInP/GaInAs/Ge結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池，外延結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 布拉格反射器結(jié)構(gòu)圖

圖4 三結(jié)太陽(yáng)電池

為了生長(zhǎng)高質(zhì)量的材料，采用間斷的生長(zhǎng)方法，使得層與層之間具有非常陡峭的界面。即生長(zhǎng)完一層就停止，反應(yīng)室只通入V族源氣體，從而實(shí)現(xiàn)組分穩(wěn)定的材料，材料具有很好的光學(xué)特性。生長(zhǎng)外延片制作后進(jìn)行器件工藝，制作了尺寸為40mm×60mm的電池，電池表面蒸鍍雙層減反射膜。

3 結(jié)果與討論

采用電化學(xué)C-V的方法測(cè)試布拉格反射器的摻雜濃度，如圖5所示。從圖5中可以看出，生長(zhǎng)出來(lái)的材料具有較高的摻雜濃度，能夠滿足使用的水平，不會(huì)給太陽(yáng)電池造成串聯(lián)電阻變大的問(wèn)題，也不會(huì)使填充因子變低。

圖5 電化學(xué)C-V測(cè)試曲線

為了驗(yàn)證前期的理論計(jì)算，測(cè)試含有布拉格反射器的外延片，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6中可以看出，在中心波長(zhǎng)為880 nm時(shí)，光幾乎被100%反射，說(shuō)明此反射器具有很好的光學(xué)干涉效果和對(duì)特定波長(zhǎng)的光完全反射的能力。

圖6 反射率測(cè)試

通過(guò)反射率和電化學(xué)C-V的測(cè)試，說(shuō)明制作的布拉格反射器具有優(yōu)異的性能，完全可以用到GaInP/GaInAs/Ge結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池中。通過(guò)減薄中間電池基區(qū)的厚度，從而減少帶電粒子輻照后基區(qū)材料產(chǎn)生非輻射的復(fù)合中心，使光生電流減少。通過(guò)生長(zhǎng)薄的基區(qū)并加入具有反射功能的布拉格反射器，使得特定的光被反射，可以改進(jìn)載流子的吸收，這樣就補(bǔ)償了基區(qū)減薄的影響。帶有布拉格反射器基區(qū)1.5μm厚的中間電池與不帶反射器基區(qū)3μm厚的中間電池產(chǎn)生的光生電流相同，達(dá)到18mA/cm2。這就使得這種電池具有更強(qiáng)的抗輻照能力。光譜響應(yīng)見(jiàn)圖7。

圖7 電池光譜響應(yīng)

測(cè)試了三結(jié)電池的光照I-V曲線，光電性能為：開(kāi)路電壓2.67 V，短路電流413.7mA，填充因子0.86，光電轉(zhuǎn)換效率29.36%(AM 0，25℃)，見(jiàn)圖8。

4 結(jié)論

通過(guò)優(yōu)化布拉格反射器生長(zhǎng)工藝，設(shè)計(jì)合適的周期數(shù)，精確控制材料組分，保持較高的晶體質(zhì)量，成功地在GaInP/GaInAs/Ge結(jié)構(gòu)三結(jié)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)中引入布拉格反射器，在保證頂電池與中間電池的電流匹配的同時(shí)，減薄中間電池的基區(qū)，從而提高太陽(yáng)電池的耐輻照能力。

圖8 電池I-V曲線

[1]LANTRATOV V M,EMELYANOV V M,KALYUZHNYY N A, et al.Improvement of radiation resistance ofmultijunction[J].Advances in Scienceand Technology,2010,74:225-230.

[2]SHVARTSM Z,CHOSTA O I,KOCHNEV IV,etal.Radiation resistant AlGaAs/GaAs concentrator solar cellswith internal Bragg reflector[J].Solar Energy Materialsand Solar Cells,2001,68:105-122.

[3]KATO T,SUSUAWA H,HIROTANIM,et al.GaAs/GaAlAs surface em itting IR led with Bragg reflector grown by MOCVD[J]. Journalof Crystal Grow th,1991,107:832.

[4]喬在祥，陳文浚，孫強(qiáng)，等.太陽(yáng)電池用Bragg反射器的設(shè)計(jì)及研究[J].電源技術(shù)，2000，24(2)：90-93.

GaInP/GaInAs/Ge solar cells research containing Bragg reflector

The theoretical calculation and design of the centerwavelength of 880 nm Bragg reflectorwas carried out by the method ofmathematics.Using the technique ofMOCVD epitaxialy grow ing 15 cycles on Ge substrate,Bragg reflector of the center wavelength of 880 nm AlAs/GaAs structure successfully im planted into the Ga InP/GaInAs/Ge structure solar cells,leading the Ga InAs cells thinning to 1.5μm,solar cells efficiency reaching 29.36%under AM0 spectrum.

Bragg reflector;solar cells;centerwavelength;reflectivity

TM 914

A

1002-087 X(2014)05-0841-03

GAOWei,GAO Hui,XU Jun,ZHANG Bao,LIU Chang-xi,WANG Bao-min,MU Jie

2013-12-20

高偉(1982—)，男，遼寧省人，工程師，主要研究方向?yàn)樘?yáng)電池。陽(yáng)電池可以獲得高的轉(zhuǎn)換效率和低的輻照衰降。

近年來(lái)，GaInP/GaInAs/Ge結(jié)構(gòu)的砷化鎵太陽(yáng)電池作為主要的電源被廣泛應(yīng)用于各種航天器。由于航天器在空間飛行過(guò)程中會(huì)受到一些高能粒子的輻射，使電池材料受到破壞，導(dǎo)致性能下降。這些損害使內(nèi)部形成額外的非輻射的復(fù)合中心，這些復(fù)合中心會(huì)使部分光生載流子在到達(dá)空間電荷區(qū)前被俘獲，尤其是基區(qū)深處的少子會(huì)更多地被俘獲，從而降低了太陽(yáng)電池的短路電流和開(kāi)路電壓[1]。

在GaInP/GaInAs/Ge結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池中，頂電池GaInP和底電池Ge受輻照的影響很小，因此增加GaInP/GaInAs/Ge結(jié)構(gòu)電池的抗輻照能力，首先要提高中間電池GaInAs的抗輻照性能。提高太陽(yáng)電池的抗輻照能力可以采取不同的方式：在太陽(yáng)電池的基區(qū)使用低摻雜；減薄電池的基區(qū)厚度；生長(zhǎng)布拉格反射器(Bragg reflectors)等。采用半導(dǎo)體材料的布拉格反射器已經(jīng)在激光器和其他半導(dǎo)體光學(xué)器件中得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)兩種不同折射率材料的組成，在一個(gè)比較嚴(yán)格的光譜范圍內(nèi)，接近100%的光譜可以獲得反射。電池內(nèi)部采用布拉格反射器增強(qiáng)光吸收作用，這個(gè)電介質(zhì)層可以增加太陽(yáng)光的長(zhǎng)波波段光譜響應(yīng)，從而減薄基區(qū)厚度。正因?yàn)槿绱?，電池可以減少載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，提高抗輻照能力。與其他方法相比，嵌入的布拉格反射器不會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)電池串聯(lián)電阻的增加或降低pn結(jié)的感光特性[2]。布拉格反射器也起到了背場(chǎng)的作用，保證了少數(shù)載流子在基區(qū)的吸收。因此，含有布拉格反射器的太