砷化镓基系III-V族化合物半导体太阳电池的发展和应用(3)

中国科学院半导体研究所 ■ 向贤碧廖显伯



砷化镓基系III-V族化合物半导体太阳电池的发展和应用(3)

中国科学院半导体研究所 ■ 向贤碧*廖显伯

III-V族太阳电池的发展和应用系列讲座(3)

2 GaAs单结太阳电池

2.1 AlxGa1-xAs/GaAs单结太阳电池

在上世纪60年代，人们由GaAs材料的优良性质预见到，GaAs太阳电池能获得高的转换效率。但是初期用研制Si太阳电池的扩散p-n结方法来研制GaAs太阳电池并未获得成功。原因是GaAs材料的表面复活速率大，大部分光生载流子被表面复合中心复活，不能形成光生电流。因而用扩散技术制备的GaAs 太阳电池的效率一直很低。

直到1973年，Hovel等[7]提出在GaAs表面生长一薄层AlxGa1-xAs窗口层后，这一困难才得以克服。当x=0.8时，AlxGa1-xAs是间接带隙材料，Eg≈2.1 eV，对光的吸收很弱，大部分光将透过AlxGa1-xAs层进入到GaAs层中，AlxGa1-xAs层起到了窗口层的作用。由于AlxGa1-xAs/GaAs界面晶格匹配好，界面态的密度低，对光生载流子的复合较少；而且AlxGa1-xAs与GaAs的能带带阶主要发生在导带边，即ΔEcΔEv，如果AlxGa1-xAs 为p型层，那么Ec可构成少子(电子)的扩散势垒，从而减小光生电子的反向扩散，降低表面复合。同时Ev不高，基本不会防碍光生空穴向p边的输运和收集。采用AlxGa1-xAs/GaAs异质界面结构使LPE-GaAs电池的效率迅速提高，最高效率超过了20%。1994年俄罗斯约飞技术物理所(Ioffe Physical-Technical Institute) 的Andreev 等[8]表示，他们用LPE技术研制的GaAs太阳电池，在AM 0光谱、100倍的聚光条件下，效率高达24.6%。而1995年西班牙Cuidad大学的Ortiz 等[9]研制的 LPE-GaAs太阳电池，在AM 1.5光谱、600倍聚光条件下，效率高达25.8%。

LPE-GaAs太阳电池在空间能源领域得到了很好的应用。一个典型的例子是，前苏联于1986年发射的和平号轨道空间站，上面装备了10 kW的 AlxGa1-xAs/GaAs异质界面太阳电池，单位面积比功率达到180 W/m2。这些GaAs太阳电池便是利用LPE技术生产的。据1994年IEEE光伏会议上的报道，这些GaAs太阳电池阵列在空间运行8年后输出功率总衰退不超过15%[10]。

1990年后，MOCVD技术逐渐被应用到GaAs太阳电池的研究和生产中。MOCVD技术生长的外延片表面平整，各层的厚度和浓度均匀并可准确控制。因而用MOCVD技术制备的GaAs太阳电池的性能明显改进，AM 0效率已超过25%，甚至达到28.8%。

国内几家研究单位，从上世纪80年代开始用LPE技术研制同质外延GaAs/GaAs单结太阳电池，取得了很好的成果。作者所在的中国科学院半导体所，在国家自然科学基金和“863”计划的支持下，发展了两步外延法和多片LPE技术，1993年用此技术研制的p+/n 型AlxGa1-xAs/GaAs异质界面太阳电池的效率达到19.34%(4.4 cm2，AM 0，28 ℃)。1999年该所研制的MOCVD高效GaAs太阳电池，经北京市太阳能研究所和航天部514所联合测试标定，效率达到21.95%

(AM 0，4 cm2)[11]。

2.2 GaAs/Ge单结异质衬底太阳电池

如前文所述，GaAs材料有固有的缺点：价格贵、重量重、易碎。因而人们想寻找一种替代的衬底材料来代替GaAs衬底，形成GaAs异质结太阳电池。由于Si电池的成功，人们自然想到了用Si代替GaAs，制备出GaAs/Si异质结太阳电池。但是Si 与GaAs 的晶格常数相差较大(约4%)，热膨胀系数相差也近2倍，要想在Si衬底上生长出GaAs外延层十分困难。由于在Si上生长GaAs存在诸多困难，研究注意力转向了Ge衬底。Ge的晶格常数(5.658 Å) 与GaAs的晶格常数(5.653 Å)相近，热膨胀系数两者也较接近，所以，易在Ge衬底上实现GaAs单晶外延生长。Ge衬底不仅比GaAs衬底便宜，而且机械牢度是GaAs的2倍，不易破碎，从而提高了电池的成品率。人们采用MOCVD技术和MBE技术生长出高质量的GaAs/Ge异质结，制备出性能优良的GaAs/Ge异质结太阳电池。

这种GaAs/Ge异质结太阳电池在空间能源领域得到了广泛的应用。如1996年德国的TEMPO数字通信卫星，采用80000片GaAs/Ge电池阵列，效率为18.3%[12]。同年，美国的火星探测器也使用GaAs/Ge太阳电池阵列，效率为18.8%[13]。

3 GaAs基系多结叠层聚光电池

3.1 多结叠层聚光电池的工作原理

用单一带隙材料制备的太阳电池效率的提高受到限制，这是因为太阳光谱的能量范围很宽，约分布在0.2～10 μm的波长范围，而单一带隙太阳电池材料的Eg是固定值。太阳光谱中能量小于Eg的光子不能被吸收，能量远大于Eg的光子虽被太阳电池吸收，激发出高能光生载流子，但这些高能光生载流子会很快驰豫到能带边，将能量大于Eg的部分传递给晶格，变成热能而浪费。因而单一带隙太阳电池的效率受到限制。根据Shockley-Queisser的细致平衡理论计算，单一带隙太阳电池的理论效率约为32.2%[14]。

参考文献

[7] Hovel H J，Woodall J M. Ga1-xAlxAs/GaAs P-P-N heterojunction solar cells[J]. Journal of the Electrochemical Society，1973，120(9): 1246－1252.

[8] Andreev V M，Khvostikov V P，Rumyantsev V D，et al. Monolithic two-junction AlGaAs/GaAs solar cells[A]. 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference[C]，Anaheim，CA，1997.

[9] Ortiz E，Algora C. A high efficiency LPE GaAs solar cell at concentrations ranging from 2000 to 4000 suns[J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications，2003，11(3): 155－163.

[10] Kagan M，Nadorov V，Rjevsky V. An analysis of eightyear operation of GaAs solar array at space station "MIR"[A]. Proceedings of 1994 IEEE 1st World Conference on Photovoltaic Energy Conversion - WCPEC (A Joint Conference of PVSC，PVSEC and PSEC)[C]，Waikoloa，HI，1994，2: 2066－2067.

[11] Xiang X B，Du W H，Chang X L，et al. The study on high efficient AlxGa1-xAs/GaAs solar cells[J]. Solar energy materials and solar cells，2001，68(1): 97－103.

[12] Schultze W D. Design and manufacturing experience with GaAs/Ge solar cells as gained with the TEMPO solar generator program[A]. 25th IEEE Photovoltaic Specialists Conference[C]，Washington，DC，1996，357－360.

[13] Landis G A，Jenkins P P. Dust on Mars: Materials adherence experiment results from Mars Pathfinder[A]. 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference[C]，Anaheim，CA，1997，865－869.

[14] Shockley W，Queisser H J. Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells[J]. Journal of Applied Physics，1961，32(3): 510－519.