輕質(zhì)柔性GaInP/Ga(In)As/Ge三結(jié)太陽(yáng)電池及其性能研究

王篤祥，李明陽(yáng)，畢京鋒，李森林，劉冠洲，宋明輝，吳超瑜，陳文浚

輕質(zhì)柔性GaInP/Ga(In)As/Ge三結(jié)太陽(yáng)電池及其性能研究

王篤祥，李明陽(yáng)*，畢京鋒，李森林，劉冠洲，宋明輝，吳超瑜，陳文浚

(天津三安光電有限公司，天津 300387)

為了研究柔性太陽(yáng)能電池的性能，通過(guò)太陽(yáng)能電池減薄工藝制備出輕質(zhì)柔性GaInP/Ga(In)As/Ge三結(jié)太陽(yáng)能電池芯片。尺寸為40 mm×60 mm的電池芯片重量為0.7 g，僅為常規(guī)175 μm厚度電池重量的30%。驗(yàn)證了柔性電池工藝的可行性，制得的柔性電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了30.64%，同常規(guī)厚度電池十分接近。對(duì)比測(cè)試了兩種樣品不同溫度下的暗電流曲線(xiàn)，擬合了兩種電池樣品的溫度系數(shù)，結(jié)果表明：電池的溫度系數(shù)與襯底類(lèi)型無(wú)關(guān)，只與電池PN結(jié)本身相關(guān)。

空間太陽(yáng)電池； 柔性太陽(yáng)電池； 溫度系數(shù)

1 引 言

Ⅲ-Ⅴ族多結(jié)電池沿著高效和質(zhì)輕的方向飛速發(fā)展[1-3]。目前,航空航天用Ⅲ-Ⅴ族空間電池的最高效率由Spectrolab保持，他們采用直接鍵合技術(shù)制作的五結(jié)電池效率達(dá)到了35.8%[4-5]。目前最成熟應(yīng)用的GaInP/Ga(In)As/Ge三結(jié)空間電池，量產(chǎn)也已經(jīng)達(dá)到約為30.0%的平均效率水平[6-7]。航空航天系統(tǒng)成本極其高昂，除了大幅提升光電轉(zhuǎn)換效率，發(fā)展輕質(zhì)電池也是有效降低航空航天成本的快捷手段。然而，一方面由于航空航天對(duì)于電源系統(tǒng)可靠性要求極高，所以新型柔性以及質(zhì)輕空間電池的發(fā)展十分保守；另一方面，盡管柔性電池具有質(zhì)量輕、質(zhì)量功率比高、可柔韌彎曲等優(yōu)異特性，能夠更加完美地滿(mǎn)足航天航空領(lǐng)域的要求，大大降低航天成本，但是其器件工藝難度也相對(duì)較大，所以導(dǎo)致其發(fā)展緩慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足目前各種航空航天的應(yīng)用[8-11]。

目前廣泛使用的柔性電池，主要有基于多晶硅(a-Si)柔性太陽(yáng)電池、銅銦鎵硒(CIGS)柔性太陽(yáng)電池、有機(jī)柔性太陽(yáng)電池(OSC)及其他類(lèi)型的柔性太陽(yáng)電池，而這些太陽(yáng)電池主要由于材料的限制，效率往往比較低[12-18]。將現(xiàn)在相對(duì)成熟的Ⅲ-V族空間電池進(jìn)行柔性器件制作，是最能有效推動(dòng)柔性空間電池發(fā)展的途徑之一。夏普的報(bào)道稱(chēng)，其采用柔性Kapton薄膜作為支撐襯底的基于GaInP/GaAs/InGaAs倒裝三結(jié)柔性空間電池的效率達(dá)到了31.5%。倒裝結(jié)構(gòu)的多結(jié)電池往往需要涉及到鍵合技術(shù)，鍵合工藝的良率及成本是阻礙其發(fā)展的主要因素?，F(xiàn)在廣泛使用的GaInP/Ga(In)As/Ge三結(jié)空間電池，其厚度一般為175 μm，質(zhì)量功率比僅為400 W/kg。

本文研究了基于GaInP/Ga(In)As/Ge三結(jié)的柔性空間電池。制得的40 mm×60 mm柔性空間電池總厚度130 μm，電池外延層厚度只有20 μm，柔性襯底厚度為100 μm，單顆電池總重量為0.7 g，質(zhì)量功率比達(dá)到了1 448 W/kg。制得的電池樣品短路電流為411.00 mA，開(kāi)路電壓為2.768 V，填充因子為85.04%，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了30.64%，與常規(guī)厚度的三結(jié)空間電池十分接近。

2 實(shí) 驗(yàn)

首先，采用MOCVD外延生長(zhǎng)GaInP/Ga(In)As/ Ge三結(jié)電池。然后進(jìn)行器件工藝，在外延層上進(jìn)行光刻，完成電極及減反膜蒸鍍，同時(shí)完成正面電極的歐姆接觸退火和減反膜退火。完成正面器件工藝后，將片源采用石蠟貼合在玻璃臨時(shí)支撐襯底上，此時(shí)貼片一定要盡量保證片內(nèi)均勻性，這樣才能獲得均勻的減薄厚度。先采用DISCO機(jī)臺(tái)進(jìn)行快速機(jī)械減薄，將外延片厚度從175 μm減薄至約30 μm；再采用HNO3：HF：CH3COOH混合溶液進(jìn)行化學(xué)減薄拋光，將Ge襯底減薄至約20 μm。該步驟采用混合酸溶液腐蝕拋光，主要是為了對(duì)Ge襯底的機(jī)械損傷進(jìn)行修復(fù)[19]，以增強(qiáng)電池片的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)Ge襯底進(jìn)行少量的減薄。然后，進(jìn)行支撐襯底粘合。先在Ge結(jié)電池面涂覆一層硅膠，然后貼合100 μm厚的Kapton薄膜。待硅膠固化完成后，再使用100 ℃的去蠟液完全去除臨時(shí)玻璃襯底及石蠟粘附層，臨時(shí)襯底可重復(fù)利用。最后，對(duì)晶圓進(jìn)行切割及側(cè)壁化學(xué)腐蝕鈍化，形成單顆芯片并在25 ℃、AM0條件下進(jìn)行測(cè)試。柔性空間電池器件結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，圖1(a)為175 μm厚度常規(guī)空間電池器件結(jié)構(gòu)。

圖1 空間電池結(jié)構(gòu)圖。(a)175 μm厚度常規(guī)電池；(b)柔性電池。Fig.1 Structure diagram of space solar cell.(a) 175 μm conventional cell.(b) Flexible cell.

3 結(jié)果與討論

3.1 柔性電池的表觀(guān)、厚度及重量

如圖2所示，我們制備的柔性電池具有較好的柔韌性。40 mm×60 mm柔性空間電池總厚度約為130 μm，其中Kapton薄膜的厚度約為100 μm，電池外延結(jié)構(gòu)層的厚度約為20 μm，膠層厚度約為10 μm。電池總重量為0.7 g，而同尺寸175 μm厚的常規(guī)電池的重量約為2.5 g。所制備的柔性電池重量不到同等尺寸常規(guī)厚度電池的30%，電池重量被大幅降低。通過(guò)柔性電池制備工藝，GaInP/Ga(In)As/Ge三結(jié)空間太陽(yáng)電池的質(zhì)量功率比從400 W/kg左右提高到了1 400 W/kg。

圖2 輕質(zhì)柔性多結(jié)電池圖片F(xiàn)ig .2 Images of low-weight flexible triple-junction solar cell

3.2 柔性電池的電學(xué)性能

表1中，Sample A為常規(guī)175 μm厚度空間電池，Sample B為柔性空間電池。圖3所示為常規(guī)電池和柔性電池的I-V曲線(xiàn)及輸出功率曲線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)制得的40 mm×60 mm尺寸空間柔性電池，其短路電流為0.411 A，開(kāi)路電壓為2.768 V，填充因子為85.04%，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了30.64%。同時(shí)制作的作為參照的Smaple A的轉(zhuǎn)換效率為30.55%，其他各項(xiàng)參數(shù)性能也差異不大。這說(shuō)明柔性電池器件制作工藝可行，不會(huì)導(dǎo)致電池性能下降。

測(cè)試了兩種樣品的量子效率，如圖4所示?？紤]到空間電池輻照后電流匹配的因素，常規(guī)厚度電池的頂電池和中電池電流密度積分值分別為17.1 mA/cm2和18 mA/cm2，同批次柔性電池樣品在相同測(cè)試條件下，頂電池和中電池分別為17.06 mA/cm2和17.8 mA/cm2。兩者十分接近，這與測(cè)得的I-V性能吻合。

表1 常規(guī)及柔性空間電池的Ⅳ性能Tab.1 Ⅳ characteristics of normal and flex space solar cell

圖3 Sample A(175 μm常規(guī)電池)和Sample B(柔性電池)的I-V曲線(xiàn)Fig.3 I-V curve of Sample A (175 μm conventional cell) and Sample B (flexible cell)

圖4 Sample A(175 μm常規(guī)電池)和Sample B(柔性電池)的量子效率曲線(xiàn)Fig.4 External quantum efficiency curve of Sample A (175 μm conventional cell) and Sample B (flexible cell)

3.3 柔性電池的暗電流特性

為了觀(guān)察柔性電池工藝制作過(guò)程中是否有引入額外的缺陷，從而導(dǎo)致電池暗特性變差，我們測(cè)試了兩組電池樣品不同溫度下的暗電流曲線(xiàn)。圖5所示為175 μm厚度常規(guī)電池的暗電流曲線(xiàn)，圖6所示為柔性電池的暗電流曲線(xiàn)，可見(jiàn)兩種電池暗特性良好并且十分相似，這說(shuō)明我們采用的柔性電池工藝并沒(méi)有導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生，引入過(guò)大的漏電流。

另一方面，因?yàn)镵apton薄膜具有較低的熱導(dǎo)率和較大的熱膨脹系數(shù)，所以我們進(jìn)一步觀(guān)察了該襯底是否對(duì)電池性能有影響。如圖5和圖6所示，我們測(cè)試了25～60 ℃的暗電流曲線(xiàn)，可以看到隨著溫度的升高，兩種電池樣品的二極管特性都呈規(guī)律性的變化，并且變化趨勢(shì)一樣。

圖5 175 μm厚常規(guī)電池不同溫度下暗電流曲線(xiàn)，嵌入圖為溫度系數(shù)擬合曲線(xiàn)。Fig.5 Dark I-V curve under different temperature of 175 μm conventional solar cell，the inset image is temperature coefficient fitting curve.

圖6 柔性電池在不同溫度下的暗電流曲線(xiàn)，嵌入圖為溫度系數(shù)擬合曲線(xiàn)。Fig.6 Dark I-V curves under different temperature of flexible solar cell，the inset image is temperature coefficient fitting curve.

進(jìn)一步地，根據(jù)普通二極管的肖克萊方程

I=I0(eqV/nkT-1),

(1)

式中n為理想因子，理想情況下，在三結(jié)電池中，n=3；I0是反向飽和電流；k是波爾茲曼常數(shù)；T是溫度。另外

I0=CTreqVg/kT,

(2)

式中，C是與PN結(jié)的結(jié)面積和摻雜有關(guān)的常數(shù)；r在一定范圍內(nèi)也是常數(shù)；Vg為絕對(duì)零度時(shí)PN結(jié)材料導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)碾妱?shì)差，對(duì)于給定的PN結(jié)材料，Vg也為定值。將式(2)代入式(1)，兩邊取對(duì)數(shù)，整理可得

(3)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在相當(dāng)一段范圍內(nèi)，式(3)中的非線(xiàn)性項(xiàng)帶來(lái)的誤差很小，可以忽略不計(jì)，即

(4)

所以在允許的溫度范圍內(nèi)，在恒流供電的條件下，PN結(jié)的壓降可以近似地認(rèn)為隨溫度升高而線(xiàn)性降低，式(4)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化成

V=Vg-sT，

(5)

由此可見(jiàn)，可以測(cè)試恒定電流不同溫度下的壓降來(lái)獲得溫度系數(shù)s，該系數(shù)s也能夠用來(lái)表征電池性質(zhì)的差異。所以，我們測(cè)得了兩組電池樣品在50 mA下不同溫度的壓降，并按式(5)進(jìn)行擬合，得出兩組樣品不同溫度下壓降變化公式分別為：

V=-0.00441T+2.65063 (Sample A)

V=-0.00446T+2.66461 (Sample B),

(6)

如圖5和圖6中插圖所示，可以看出，兩組電池樣品的擬合度非常好，并且其溫度系數(shù)s分別為0.004 41和0.004 46，十分接近，即柔性電池并沒(méi)有因?yàn)橐r底較低的熱導(dǎo)率、較高的熱膨脹系數(shù)而導(dǎo)致電池性能溫度系數(shù)的差異，進(jìn)一步說(shuō)明電池的溫度系數(shù)同電池的支撐襯底是無(wú)關(guān)的，只與電池PN結(jié)本身相關(guān)。

4 結(jié) 論

綜上所述，基于GaInP/Ga(In)As/Ge三結(jié)電池外延，制備了40 mm×60 mm尺寸的柔性電池，所得的柔性電池一顆重量?jī)H為0.7 g，不到同尺寸常規(guī)厚度電池的30%。該柔性電池的短路電流為0.411 A，開(kāi)路電壓為2.768 V，填充因子為85.04%，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了30.64%。其光電轉(zhuǎn)換性能與常規(guī)電池相當(dāng)，但是其功率質(zhì)量比則提高了3倍之多。另外電池的暗特性曲線(xiàn)表明，柔性襯底較低的熱導(dǎo)率及較高的熱膨脹系數(shù)并沒(méi)有對(duì)電池性能產(chǎn)生不良影響。相對(duì)于倒裝外延的柔性多結(jié)太陽(yáng)電池，該柔性電池?zé)o論從外延端還是芯片端，其工藝難度都相對(duì)較小，給柔性電池提供了另外一種形式。

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王篤祥(1973-)，男，山東泰安人，碩士，高級(jí)工程師，1998年于蘭州大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事太陽(yáng)電池和LED的MOCVD外延開(kāi)發(fā)的研究。

E-mail: wdx@sanan-e.com

李明陽(yáng)(1988-)，男，河南平頂山人，碩士，工程師，2013年于天津理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事Ⅲ-Ⅴ族多結(jié)電池的研究。

E-mail: tj-limingyang@sanan-e.com

Low-weight Flexible GaInP/Ga(In)As/Ge Triple-junction Solar Cell and Its Performance

WANG Du-xiang,LI Ming-yang*,BI Jing-feng,LI Sen-lin,LIU Guan-zhou,SONG Ming-hui,WU Chao-yu,CHEN Wen-jun

(TianjinSan’anOptoelectronicsCo.,Ltd.,Tianjin300387,China)

In order to study the performance of flexible solar cells，low-weight flexible GaInP/Ga(In)As/Ge triple-junction solar cell was fabricated by thinning process.The weight of the 40 mm×60 mm solar cell chip is 0.7 g,which is only 30% of the conventional solar cell with the thickness of 175 μm.The conversion efficiency of this kind of solar cell is 30.64%,closing to that of the normal thickness chips.The results show the feasibility of this thinning process.For both samples with different chips thickness,under different temperature,the darkI-Vcurves were measured and the temperature coefficients were fitted.It can be concluded that the temperature coefficient is linearly correlated to the PN junction rather than the substrate type.

space solar cell; flexible solar cell; temperature coefficient

1000-7032(2017)09-1217-05

2017-02-17；

2017-04-30

天津市科技小巨人領(lǐng)軍企業(yè)培育重大項(xiàng)目(14ZXLJGX00400)； 天津市科技支撐計(jì)劃(16YFZCGX00030)資助項(xiàng)目

TM914.4

A

10.3788/fgxb20173809.1217

*CorrespondingAuthor,E-mail:tj-limingyang@sanan-e.com

Supported by Tianjin Little Giant Fund(14ZXLJGX00400); Tianjin Science and Technology Support Plan(16YFZCGX00030)