砷化鎵基系III-V族化合物半導(dǎo)體太陽電池的發(fā)展和應(yīng)用(3)

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 ■ 向賢碧廖顯伯

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砷化鎵基系III-V族化合物半導(dǎo)體太陽電池的發(fā)展和應(yīng)用(3)

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 ■ 向賢碧*廖顯伯

III-V族太陽電池的發(fā)展和應(yīng)用系列講座(3)

2 GaAs單結(jié)太陽電池

2.1 AlxGa1-xAs/GaAs單結(jié)太陽電池

在上世紀(jì)60年代，人們由GaAs材料的優(yōu)良性質(zhì)預(yù)見到，GaAs太陽電池能獲得高的轉(zhuǎn)換效率。但是初期用研制Si太陽電池的擴(kuò)散p-n結(jié)方法來研制GaAs太陽電池并未獲得成功。原因是GaAs材料的表面復(fù)活速率大，大部分光生載流子被表面復(fù)合中心復(fù)活，不能形成光生電流。因而用擴(kuò)散技術(shù)制備的GaAs 太陽電池的效率一直很低。

直到1973年，Hovel等[7]提出在GaAs表面生長一薄層AlxGa1-xAs窗口層后，這一困難才得以克服。當(dāng)x=0.8時(shí)，AlxGa1-xAs是間接帶隙材料，Eg≈2.1 eV，對光的吸收很弱，大部分光將透過AlxGa1-xAs層進(jìn)入到GaAs層中，AlxGa1-xAs層起到了窗口層的作用。由于AlxGa1-xAs/GaAs界面晶格匹配好，界面態(tài)的密度低，對光生載流子的復(fù)合較少；而且AlxGa1-xAs與GaAs的能帶帶階主要發(fā)生在導(dǎo)帶邊，即ΔEcΔEv，如果AlxGa1-xAs 為p型層，那么Ec可構(gòu)成少子(電子)的擴(kuò)散勢壘，從而減小光生電子的反向擴(kuò)散，降低表面復(fù)合。同時(shí)Ev不高，基本不會(huì)防礙光生空穴向p邊的輸運(yùn)和收集。采用AlxGa1-xAs/GaAs異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)使LPE-GaAs電池的效率迅速提高，最高效率超過了20%。1994年俄羅斯約飛技術(shù)物理所(Ioffe Physical-Technical Institute) 的Andreev 等[8]表示，他們用LPE技術(shù)研制的GaAs太陽電池，在AM 0光譜、100倍的聚光條件下，效率高達(dá)24.6%。而1995年西班牙Cuidad大學(xué)的Ortiz 等[9]研制的 LPE-GaAs太陽電池，在AM 1.5光譜、600倍聚光條件下，效率高達(dá)25.8%。

LPE-GaAs太陽電池在空間能源領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。一個(gè)典型的例子是，前蘇聯(lián)于1986年發(fā)射的和平號軌道空間站，上面裝備了10 kW的 AlxGa1-xAs/GaAs異質(zhì)界面太陽電池，單位面積比功率達(dá)到180 W/m2。這些GaAs太陽電池便是利用LPE技術(shù)生產(chǎn)的。據(jù)1994年IEEE光伏會(huì)議上的報(bào)道，這些GaAs太陽電池陣列在空間運(yùn)行8年后輸出功率總衰退不超過15%[10]。

1990年后，MOCVD技術(shù)逐漸被應(yīng)用到GaAs太陽電池的研究和生產(chǎn)中。MOCVD技術(shù)生長的外延片表面平整，各層的厚度和濃度均勻并可準(zhǔn)確控制。因而用MOCVD技術(shù)制備的GaAs太陽電池的性能明顯改進(jìn)，AM 0效率已超過25%，甚至達(dá)到28.8%。

國內(nèi)幾家研究單位，從上世紀(jì)80年代開始用LPE技術(shù)研制同質(zhì)外延GaAs/GaAs單結(jié)太陽電池，取得了很好的成果。作者所在的中國科學(xué)院半導(dǎo)體所，在國家自然科學(xué)基金和“863”計(jì)劃的支持下，發(fā)展了兩步外延法和多片LPE技術(shù)，1993年用此技術(shù)研制的p+/n 型AlxGa1-xAs/GaAs異質(zhì)界面太陽電池的效率達(dá)到19.34%(4.4 cm2，AM 0，28 ℃)。1999年該所研制的MOCVD高效GaAs太陽電池，經(jīng)北京市太陽能研究所和航天部514所聯(lián)合測試標(biāo)定，效率達(dá)到21.95%

(AM 0，4 cm2)[11]。

2.2 GaAs/Ge單結(jié)異質(zhì)襯底太陽電池

如前文所述，GaAs材料有固有的缺點(diǎn)：價(jià)格貴、重量重、易碎。因而人們想尋找一種替代的襯底材料來代替GaAs襯底，形成GaAs異質(zhì)結(jié)太陽電池。由于Si電池的成功，人們自然想到了用Si代替GaAs，制備出GaAs/Si異質(zhì)結(jié)太陽電池。但是Si 與GaAs 的晶格常數(shù)相差較大(約4%)，熱膨脹系數(shù)相差也近2倍，要想在Si襯底上生長出GaAs外延層十分困難。由于在Si上生長GaAs存在諸多困難，研究注意力轉(zhuǎn)向了Ge襯底。Ge的晶格常數(shù)(5.658 ?) 與GaAs的晶格常數(shù)(5.653 ?)相近，熱膨脹系數(shù)兩者也較接近，所以，易在Ge襯底上實(shí)現(xiàn)GaAs單晶外延生長。Ge襯底不僅比GaAs襯底便宜，而且機(jī)械牢度是GaAs的2倍，不易破碎，從而提高了電池的成品率。人們采用MOCVD技術(shù)和MBE技術(shù)生長出高質(zhì)量的GaAs/Ge異質(zhì)結(jié)，制備出性能優(yōu)良的GaAs/Ge異質(zhì)結(jié)太陽電池。

這種GaAs/Ge異質(zhì)結(jié)太陽電池在空間能源領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如1996年德國的TEMPO數(shù)字通信衛(wèi)星，采用80000片GaAs/Ge電池陣列，效率為18.3%[12]。同年，美國的火星探測器也使用GaAs/Ge太陽電池陣列，效率為18.8%[13]。

3 GaAs基系多結(jié)疊層聚光電池

3.1 多結(jié)疊層聚光電池的工作原理

用單一帶隙材料制備的太陽電池效率的提高受到限制，這是因?yàn)樘柟庾V的能量范圍很寬，約分布在0.2～10 μm的波長范圍，而單一帶隙太陽電池材料的Eg是固定值。太陽光譜中能量小于Eg的光子不能被吸收，能量遠(yuǎn)大于Eg的光子雖被太陽電池吸收，激發(fā)出高能光生載流子，但這些高能光生載流子會(huì)很快馳豫到能帶邊，將能量大于Eg的部分傳遞給晶格，變成熱能而浪費(fèi)。因而單一帶隙太陽電池的效率受到限制。根據(jù)Shockley-Queisser的細(xì)致平衡理論計(jì)算，單一帶隙太陽電池的理論效率約為32.2%[14]。

參考文獻(xiàn)

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