GaInP类异质结提升GaInP/GaInAs/Ge太阳电池效率的研究

高 慧，杨瑞霞

(1.河北工业大学电子信息工程学院，天津300401;2.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

随着Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的快速发展，GaAs 基多结太阳电池空间应用领域的最高效率也已经超过34%[1-4]。国际上空间宇航器任务的不断拓展，对空间太阳电池的效率提出了更高的要求[5]。

理论上发射区带隙提高的异质结电池设计可以提高电池光伏效率[6]。但是不同材料构成的异质结电池，由于失配位错或界面态导致大量复合中心的产生，降低了其实际的光伏效率。

研究表明GaInP 材料在表面活性剂的作用下，会表现出晶体有序度降低的现象，使其带隙获得提高，而其化学键和晶格常数保持不变[7]。本文提出一种GaInP 类异质结，利用GaInP 的有序度影响其材料带隙的特性，在材料组分不变的基础上，实现GaInP 子电池发射区/基区的高/低带隙结构设计，并应用于GaInP/GaInAs/Ge 三结太阳电池顶子电池的发射区/基区，研究其对电池效率的影响。

1 实验

本研究中首先通过低压金属有机物化学气相外延工艺进行材料的制备。所用原料有直径10 cm 的Ge 衬底，三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)等Ⅲ族源，以及磷化氢(PH3)、砷(AsH3)等V 族源。

本研究制备了两种GaInP 单层材料(A、B)。主要区别是B 的制备工艺中注入了相对Ⅲ族源摩尔分数为0.6% 的TESb，Sb 元素作为表面活性剂，可提高GalnP 材料的无序度，提高GaInP 材料的带隙[8]，A,B 的其他生长条件完全相同，生长速率为1.6 μm/h，温度为650 ℃，V/III 质量比为60。单层样品制备完成后，分别用PL 谱测试表征材料A,B 的带隙值。

单层材料制备表征完成后，制备出了两种晶格匹配三结太阳电池SCA和SCB。首先在Ge 衬底上依次生长了成核层、缓冲层、下隧道结、GaInAs 中子电池、上隧道结、GaInP 顶子电池和欧姆接触层等功能材料[9]，制备出外延片WA和WB，其区别主要是GaInP 顶子电池的发射区制备工艺不同，分别对应GaInP 单层材料A、B 的制备工艺。材料制备完成后，通过相同的器件工艺，制备出如图1所示的两种电池SCA和SCB。之后对太阳电池样品分别进行光电流电压(LIV)测试和外量子响应(EQE)测试。LIV 测试采用空间太阳电池相关测试标准，在25 ℃和AM0(辐照功率为136.7 mW/m2)条件下进行；EQE测试采用Entech QE-R 测试仪，在其他结电流饱和的条件下，测试各子电池在给定波长的量子效率及响应范围的电流密度，顶子电池的测试波段为300～750 nm,中子电池的测试波段为500～1 100 nm。

图1 电池结构图

2 结果与讨论

2.1 GaInP 材料的带隙测试表征

为了验证GaInP 材料生长工艺条件对材料带隙的影响，首先对不同工艺条件制备出的两种GaInP 单层材料A、B 进行了PL 测试，样品A 在生长过程中没有注入TESb，而样品B 在生长过程中注入了TESb，测试结果如图2所示。从图中也能明显看到样品A 材料的带隙与样品B 材料的带隙宽度明显不同，其材料带隙值分别为1.868 和1.898 eV。样品B 的带隙比样品A 提高了0.03 eV。考虑到两种样品的其它反应条件完全相同，故TESb 的注入是引起GaInP 材料带隙从1.868 eV 增大到1.898 eV 的主要原因，这和文献中的研究结果是一致的[10]。另外，图中可见，样品A 与B 的PL 图形光谱的信号强度峰值分别为0.169 1 和0.167 8 mW，两者强度基本一致。另外，我们也发现两样品的PL 半峰宽值分别为0.093 和0.120 eV，也是基本相同的。两种样品的PL 谱峰值和半峰宽变化不明显，这表明采用TESb 工艺对晶体的质量影响较小，即无序的GaInP 材料的晶体质量并没有明显变化。

图2 不同工艺条件GaInP材料的PL谱测试结果

通过以上的分析可以推断出采用样品A、B 对应的工艺条件分别制备GaInP 子电池的基区和发射区，可以实现发射区材料的带隙为1.898 eV，基区材料的带隙为1.868 eV，完成发射区的带隙大于基区带隙的设计，同时由于该工艺条件下，发射区与基区材料质量基本一致，避免了晶体位错和界面态密度对性能的不利影响。

2.2 电池电性能分析

为了分析不同结构太阳电池的性能变化，我们对电池SCA和SCB分别进行了光照电流电压测试，测试结果如图3所示。从图中可以发现，电池SCA和SCB的开路电压(Voc)几乎相同。但在相同电压下，SCB的电流密度值明显高于SCA，SCA和SCB的短路电流密度(Jsc)分别为17.140 和17.326 mA/cm2。相较参考电池SCA的短路电流密度，SCB短路电流密度提高了1%。另外从图中的曲线可以看出，相比参考电池SCA，SCB的最大功率电流密度(Jm)也获得了一定的提高，这使电池SCB的最大功率密度(Pm)为40.050 mW/cm2，较参考电池SCA(39.464 mW/cm2)提高1.5%。

图3 三结太阳电池的LIV 测试曲线

为了方便比较两电池特性的具体数值，短路电流密度(Jsc)、开路电压(Voc)、填充因子(FF)、最大功率密度(Pm)等的具体数值被列在表1 中，该测试值是两种电池各5 个样品的平均测试值。对比表中数值，可以明显发现二者的Voc和FF的数值均很接近，几乎无明显变化，主要的不同在于短路电流密度。根据电池的Pm满足公式(1)：

表1 两种太阳电池的特性参数对比

由此可见，电流密度的提高是引起SCB电池效率提高的主要原因。电池SCB相对SCA来说，GaInP 子电池发射区具有更高带隙。这表明利用GaInP 材料无序度提高而制备的GaInP 类异质结顶子电池在不改变晶格匹配和pn 结界面特性的情况下，得到了发射区大于基区的特殊能带结构，该结构设计提高了GaInP/GaInAs/Ge 三结太阳电池的短路电流密度，并进而提高电池的最大功率密度。

2.3 电池的EQE 测试结果

为了进一步研究电池SCB性能提升的内在机理，对子电池的外量子响应效率进行了测试，顶子电池和中间子电池的EQE测试结果如图4所示。SCA.top，SCB.top 分别代表样品电池SCA和SCB的顶子电池的EQE测试结果，SCA.mid，SCB.mid分别代表电池SCA和SCB的中间子电池的测试结果。

图4 顶子电池(a)、中间子电池(b)的EQE测试曲线

由图4(a)中的两曲线对比可以发现，两种样品的顶子电池的外量子效率具有明显的差别。其顶子电池起始响应波长是一致的，并且短波长范围内的两样品的EQE基本也是相同的。这表明顶子电池发射区的无序度增加导致的带隙增加并没有改变短波长光子的外量子效率。随着光子波长的变大，SCB顶子电池的响应波段内光子的外量子效率明显更高，尤其是在其截止波长附近的光子吸收转化效率更高。这表明SCB顶电池对响应范围内的光子的吸收转化能力更强。在AM0 光谱条件下，SCB顶子电池的电流密度为18.569 mA/cm2，SCA顶子电池的电流密度为17.897 mA/cm2，前者比后者高0.672 mA/cm2。

中间子电池的EQE曲线如图4(b)所示，两个中间子电池的响应截止波长是重合的，但中间子电池的起始响应波长附近的600～680 nm 范围内，SCB比SCA的EQE值低。在AM0 光谱条件下，SCB中间子电池的电流密度为18.498 mA/cm2，SCA中间子电池的电流密度为18.662 mA/cm2，前者比后者低0.164 mA/cm2。这主要因为SCB顶子电池对截止波长附近的光子吸收更多，使得该波段范围的光子无法抵达中间子电池，从而造成中间子电池接受光子数变少，电流密度变低。

综合衡量中间子电池和顶子电池的电流密度，发现顶子电池的电流密度更低，即电池都工作在顶电池限流模式，由于SCB顶子电池电流密度高于参照电池SCA，最终导致了SCB电池的整体效率高于参照电池SCA。由此可见，SCB电池的顶子电池可以提高其光伏响应范围内光子的吸收转化率，尤其是截止波长附近的低能量光子，从而提高了顶子电池的电流密度，并最终提高了三结太阳电池的电流密度和效率指标。

发射区的带隙大于基区带隙促进了SCB顶子电池电流密度的提高。首先，发射区的GaInP 材料带隙高于基区的GaInP材料带隙，导致耗尽区内建电压变大，而内建电压的变大会引起耗尽区宽度的变宽，从而导致耗尽区内接受到光子载流子数量增多，提高了耗尽区的电流密度。而且由于发射区带隙大于基区带隙，强化了对基区空穴的阻挡作用，避免了其注入发射区，从而减小了发射区的复合，使发射区贡献的光生电流也得到了提高。此外，由于发射区的带隙大于基区带隙，发射区相对基区具有一定的窗口效应，增加了基区吸收的光子数量，基区为p 型材料，光生少子为电子，其载流子的扩散特性要远优于n 型材料，故更多光子在p 型基区的吸收转化会带来更高的光生电流密度。

综上所述，SCB电池之所以可以提高顶子电池的电流密度主要是由于其特殊的类异质结构设计。该类异质结结构几乎不改变其发射区和基区的晶格常数，故在发射区和基区界面载流子复合率没有明显变化，同时得益于发射区带隙大于基区带隙，提高了电池的光子吸收转化能力，提高了电池的电流密度，并获得了更高的光伏效率。

3 总结

本研究利用GaInP 晶体的有序度与带隙的关系，制备出顶子电池发射区带隙大于基区带隙的GaInP/GaInAs/Ge 三结太阳电池。研究表明相比采用GaInP 同质结的参照电池，设计电池的Jsc和Pm分别提高了1.1%和1.5%。主要因为GaInP类异质结顶子电池提高了电池响应波段内光子的吸收转化效率，尤其是提高了长波光子的转化效率，使顶子电池的电流密度得到提高。本研究提出的利用GaInP 无序度实现太阳电池发射区/基区同材料异质结结构对提高电池性能具有重要的意义。