含有布拉格反射器的Ga InP/Ga InAs/Ge太阳电池研究

高伟，高慧，许军，张宝，刘长喜，王保民，穆杰

（中国电子科技集团公司第十八研究所，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太阳电池研究

高伟，高慧，许军，张宝，刘长喜，王保民，穆杰

（中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384）

通过数学方法，对中心波长为880 nm的布拉格反射器进行了理论计算和设计。采用MOCVD技术在Ge衬底上外延生长了15个周期，中心波长为880 nm的AlAs/GaAs结构的布拉格反射器，并且成功植入到Ga InP/Ga InAs/Ge结构的太阳电池中，使中间电池减薄到1.5μm，并且在AM 0光谱下电池效率达到29.36%。

布拉格反射器；太阳电池；中心波长；反射率

1 理论计算

布拉格反射器是由两层不同折射率的半导体材料交替生长构成。它的中心反射波长主要取决于膜层的折射率和光学厚度，反射器的每一层光学厚度都必须满足1/4中心波长0的相关条件。达到特定的光的波长范围内，使其对光将近100%反射，反之则对光的反射几乎为零。

如果是多层的膜，反射系数可以利用转移矩阵的方法计算[3]，每一层膜的光学特性可以用矩阵表示为：

从光谱来看，大于900 nm的红外光不会被GaInAs中间电池吸收，所以在中间电池基区的下面生长中心波长为880 nm的布拉格反射器，使其反射相应范围的光，提高中间电池的电流，就可以保证电流不变的情况下，减薄中间电池基区，提高抗辐照能力。通过理论计算，可以得出两种不同材料组合所得到的布拉格反射器，见表1。

表1 不同材料的布拉格反射器

在GaInP/GaInAs/Ge结构的太阳电池中加入布拉格反射器，由于是在中间电池GaInAs材料的下面生长布拉格反射器，其晶格常数与AlAs和GaAs基本相同，晶格常数见图1，考虑到材料之间的匹配性和工艺的易实现性，决定生长AlAs/GaAs的布拉格反射器更加容易，对于材料的完美性无影响。图2给出了生长中心波长为880 nm的A lAs/GaAs布拉格反射器生长的周期数和反射率的曲线。从图2中可以看出当周期数超过12时，中心反射波长处的反射率几乎达到100%[4]。

图1 III-V族化合物的禁带宽度和晶格常数

图2 布拉格反射器中心波长处反射率随周期数变化

2 实验

实验采用德国生产的AIXTRON 2800型行星方式旋转的反应室的MOCVD设备进行外延生长。使用P型(100)晶向偏(111)9°的单面抛光的Ge衬底，采用三级纯化的H2作为载气。原材料使用高纯度的金属有机物为III族源，包含：三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TM In)等。气体V族氢化物为AsH3、PH3，n型掺杂源为H2稀释的硅烷(SiH4)，p型掺杂源为金属有机物二甲基锌(DMZn)。生长温度为600～700℃。首先生长15个周期层厚为73 nm的AlAs和60 nm的GaAs结构的布拉格反射器，外延结构如图3所示。然后在中间电池下面，外延生长含有15个周期的布拉格反射器GaInP/GaInAs/Ge结构的太阳电池，外延结构如图4所示。

图3 布拉格反射器结构图

图4 三结太阳电池

为了生长高质量的材料，采用间断的生长方法，使得层与层之间具有非常陡峭的界面。即生长完一层就停止，反应室只通入V族源气体，从而实现组分稳定的材料，材料具有很好的光学特性。生长外延片制作后进行器件工艺，制作了尺寸为40mm×60mm的电池，电池表面蒸镀双层减反射膜。

3 结果与讨论

采用电化学C-V的方法测试布拉格反射器的掺杂浓度，如图5所示。从图5中可以看出，生长出来的材料具有较高的掺杂浓度，能够满足使用的水平，不会给太阳电池造成串联电阻变大的问题，也不会使填充因子变低。

图5 电化学C-V测试曲线

为了验证前期的理论计算，测试含有布拉格反射器的外延片，测试结果见图6。从图6中可以看出，在中心波长为880 nm时，光几乎被100%反射，说明此反射器具有很好的光学干涉效果和对特定波长的光完全反射的能力。

图6 反射率测试

通过反射率和电化学C-V的测试，说明制作的布拉格反射器具有优异的性能，完全可以用到GaInP/GaInAs/Ge结构的太阳电池中。通过减薄中间电池基区的厚度，从而减少带电粒子辐照后基区材料产生非辐射的复合中心，使光生电流减少。通过生长薄的基区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，可以改进载流子的吸收，这样就补偿了基区减薄的影响。带有布拉格反射器基区1.5μm厚的中间电池与不带反射器基区3μm厚的中间电池产生的光生电流相同，达到18mA/cm2。这就使得这种电池具有更强的抗辐照能力。光谱响应见图7。

图7 电池光谱响应

测试了三结电池的光照I-V曲线，光电性能为：开路电压2.67 V，短路电流413.7mA，填充因子0.86，光电转换效率29.36%(AM 0，25℃)，见图8。

4 结论

通过优化布拉格反射器生长工艺，设计合适的周期数，精确控制材料组分，保持较高的晶体质量，成功地在GaInP/GaInAs/Ge结构三结太阳电池结构中引入布拉格反射器，在保证顶电池与中间电池的电流匹配的同时，减薄中间电池的基区，从而提高太阳电池的耐辐照能力。

图8 电池I-V曲线

[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]乔在祥，陈文浚，孙强，等.太阳电池用Bragg反射器的设计及研究[J].电源技术，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

高伟(1982—)，男，辽宁省人，工程师，主要研究方向为太阳电池。阳电池可以获得高的转换效率和低的辐照衰降。

近年来，GaInP/GaInAs/Ge结构的砷化镓太阳电池作为主要的电源被广泛应用于各种航天器。由于航天器在空间飞行过程中会受到一些高能粒子的辐射，使电池材料受到破坏，导致性能下降。这些损害使内部形成额外的非辐射的复合中心，这些复合中心会使部分光生载流子在到达空间电荷区前被俘获，尤其是基区深处的少子会更多地被俘获，从而降低了太阳电池的短路电流和开路电压[1]。

在GaInP/GaInAs/Ge结构的太阳电池中，顶电池GaInP和底电池Ge受辐照的影响很小，因此增加GaInP/GaInAs/Ge结构电池的抗辐照能力，首先要提高中间电池GaInAs的抗辐照性能。提高太阳电池的抗辐照能力可以采取不同的方式：在太阳电池的基区使用低掺杂；减薄电池的基区厚度；生长布拉格反射器(Bragg reflectors)等。采用半导体材料的布拉格反射器已经在激光器和其他半导体光学器件中得到了广泛的应用。通过两种不同折射率材料的组成，在一个比较严格的光谱范围内，接近100%的光谱可以获得反射。电池内部采用布拉格反射器增强光吸收作用，这个电介质层可以增加太阳光的长波波段光谱响应，从而减薄基区厚度。正因为如此，电池可以减少载流子的扩散长度，提高抗辐照能力。与其他方法相比，嵌入的布拉格反射器不会导致太阳电池串联电阻的增加或降低pn结的感光特性[2]。布拉格反射器也起到了背场的作用，保证了少数载流子在基区的吸收。因此，含有布拉格反射器的太