GaAs太阳能电池.doc

1、GaAs 太阳能电池李永富太阳光辐射主要是以可见光为中心，分布于 0.3 微米至几微米光谱范围，对应光子能量0.4eV4eV 之间，总体来说，理想太阳能电池材料需要具备： 能带在 1.1eV1.7eV 之间( 对应光波长范围 0.731.13m) 直接能带半导体 组成材料无毒性 可利用薄膜沉积技术且可大面积制备 有良好的光电转换效率 具有长期稳定性GaAs 是典型的 III-V 族化合物半导体材料，具有直接能带隙，带隙宽度为 1.42eV（300K） ，可以良好的吸收太阳光，因此，是很理想的太阳能电池材料。GaAs 材料的主要特点： 光吸收系数高。GaAs 太阳能电池的有源区厚度多选取 5um

2、 左右，就可以吸收 95%的太阳光谱中最强的部分。 带隙宽度与太阳光谱匹配。GaAs 的带隙宽度正好位于最佳太阳电池材料所需要的能隙范围，具有更高的理论转换效率。 耐高温性能好。GaAs 太阳能电池效率随温度升高降低比较缓慢，可以工作在更高的温度范围。 抗辐照性能强。GaAs 是直接带隙材料，少数载流子寿命较短，在离结几个扩散度外产生损伤，对光电流和暗电流均无影响，因此，GaAs 太阳能电池具有较好的抗辐照性能。 多结叠层太阳电池的材料。由于 III-V 族三、四元化合物（ GaInP、AlGaInP、GaInAs 等）半导体材料生长技术日益成熟，使电池的设计更为灵活，从而大幅度提高太阳电池的

3、效率并降低成本。GaAs 基太阳能电池基本上可分为单结和多结叠层式太阳能电池两类，如图 1 所示。对于单结GaAs太阳能电池，根据其生长方式的不同又可以分为LPE GaAs及MOVPE GaAs太阳能电池，衬底可选用GaAs或Ge，不过GaAs是直接带隙材料，光吸收系数大，有源层厚度只需 3微米左右，所以原则上在生长好GaAs电池后，可以选择把衬底完全腐蚀掉，只剩下5 微米左右的有源层，从而制成超薄GaAs电池，这样就可以获得很高的单位质量比功率输出。目前超薄(UT)GaAs电池的比功率可达670W/kg，而100微米高效Si电池的比功率仅为 330W/kg。但是，无论如何，单结也只能吸收和转

4、换特定波长范围内的太阳光，其理论效率也只有 27%，为提高能量转换效率，可以将太阳光光谱分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按带隙的不同从大到小的顺序从上到下叠合起来，选择性吸收和转换太阳光光谱的不同子区域，这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样的电池结构就是叠层电池。图 1 GaAs 基太阳能电池分类图2 机械叠层式多结电池(左) 和单片式多结电池(右)叠层太阳能电池的制备可以通过两种方式得到，图2所示。一种是机械堆叠法，先制备出两个独立的太阳能电池，一个是高带宽的，一个则是低带宽的，然后把高带宽的堆叠在低带宽的电池上面，这种方式需要分别制备多个子电池，然后

5、再进行堆叠，体积受到限制，但是无需进行电流匹配，也不再需要考虑晶格匹配；另一种是单片式多结电池，先制备出一个完整的太阳能电池，再在第一层电池上生长或直接沉积在第一层电池上面，这种电池结构紧凑，便于集成，但是对衬底材料质量要求高，且必须要考虑各外延层的晶格失配问题。多结GaAs 太阳能电池技术已经成为国内外研究的主流，2009年，比利时IMEC展示了其最新的机械叠层GaAs/Ge 多结太阳能电池，据称其机械叠层的GaAs/Ge多结太阳能电池转换率直指40%以上，电池制备过程中，首先制造锗电池以及单独的引出端，然后将GaAs子电池集成在该锗电池之上，各自分离的引出端可以用来单独提取某个子电池的电流

6、，降低了对电流匹配的需求，由于不同材料并非依次生长在底层材料之上，因此也无需进行晶格匹配。目前对于这种机械叠层多结太阳能电池的研究还较少，主要还是采用单片叠层式，如德国Azurspace公司已经具有了单片式GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池的批量生产能力，产品级别(27%，28% ，30%)，产品采用Ge衬底。美国Spectralab 及Emcore 等公司的三结 GaInP/GaAs/Ge也具有了批量生产能力。其部分最新产品的参数如表1所示各公司网站产品 。表1. 美国Spectralab、Emcore 公司及德国Azurspace公司三结GaInP/GaAs/Ge太阳能电池相关参数注

7、 GaInP 2为三元化合物Ga 0.51In0.49P的简称厂商名称 产品规格 寿命初期转换效率寿命末期转换效率衬底外延技术晶片厚度尺寸 重量GaInP2/GaAs/GeImproved Triple Junction26.8% 22.5% Ge MOVPE 140 m 31cm2 84mg/cm2GaInP2/GaAs/GeUltra Triple Junction28.3% 24.3% Ge MOVPE 140 m 32cm2 84mg/cm2SpectralabGaInP2/GaAs/GeNext Triple Junction29.9% 26.6% Ge MOVPE 140 m 60

8、cm2 84mg/cm2Emcore InGaP/GaAs/Ge3rd Generation Triple-Junction29.5% Ge MOCVD 140 m 32 cm2 84mg/cm2GaInP2/GaAs/Ge30% class 30% Ge MOVPE 15020 m 30.18cm2 86mg/cm2GaInP2/GaAs/Ge28% class 28% Ge MOVPE 15020 m 30.18cm2 86mg/cm2AzurspaceGaInP2/GaAs/Ge27% class 27% Ge MOVPE 15020 m 30.18cm2 86mg/cm2福建三安是目前

9、国内GaAs基太阳能电池生产的领跑者，其聚光光伏发电系统采用GaInP/GaAs/Ge多结太阳能电池，主要采用MOCVD技术在 Ge衬底上进行外延层的生长。并对GaAs/Ge多结太阳能电池外延片生长的一系列基础关键技术进行了研究，包括：解决非极性极性外延问题,在Ge 衬底上成功外延生长GaAs；抑制GaAs-Ge界面可能出现的“活性结”；外延结构设计，并探索各外延层的厚度、载流子浓度、表面形貌、厚度均匀性、组份均匀性等结构参数与生长室压力、生长温度、V/比、源流量、衬底托盘旋转速率等MOCVD生长工艺参数之间的关系。GaAs/Ge多结太阳能电池外延片生长的批生产技术，包括均匀性、重复性、产能、

10、成品率等批量生产工艺研究。整个太阳电池制作过程包括电池结构的设计、各层电池材料的外延生长和电池的后续工艺制作三个最基本环节，然后是太阳能电池性能测试，并根据相关性能进行结构及生长条件的优化。一 GaAs太阳能电池的制作多结太阳能电池的结构设计以及外延材料的生长是电池制备中非常重要的环节，国内对这方面的研究单位主要有中国科学院西安光学精密机械研究所，四川大学，上海交通大学等，目前武汉光电国家实验室也在进行相关的研究，外延材料的生长主要采用MOCVD技术，多结电池结构多采用GaInP2/GaAs/Ge级联式。1GaAs太阳能电池结构设计及外延生长以GaInP 2/GaAs双结电池为例进行分析，电池

11、由宽禁带的顶电池、隧道结和窄禁带的底电池三部分依次串联而成，如图3所示。顶电池用于吸收太阳光谱中的短波部分、低电池用于吸收太阳光谱中的长波部分，隧道结用于对各子电池进行电流匹配。图3. NREL公司GaInP 2/GaAs双结太阳能电池图3和图4所示的是美国NREL先后开发的光电转换效率分别是27.3%(AM1.5)和29.5%(AM1.5)GaInP2/GaAs级联电池。这两种都是用MOCVD法生长，III族元素气源是TMIn， TMGa， TMAI， V族元素气源是AsH 3，PH 3，掺杂剂是DEZn和H 2Se。图3的电池其生长温度Tg=700 ，GaInP 2(AlInP2,)的生长

12、速率是 80-100nm/min, V/III是30； GaAs(AlGaAs)120-150nm/min V/III是35。GaAs 隧道结生长速率40nm/min。该电池的两个子电池的基区掺杂水平是210 17cm-3。发射层、窗口层Se掺杂水平是10 18cm-3，而GaAs 隧道结的掺杂浓度是1019cm-3左右。级联电池的短路电流J SC=13 .6mA/cm2，开路电压 VOC=2.29V，填充因子FF=0.87，电池面积是0.25cm 2，顶电池带宽Eg=1.85eV。图4. NREL公司改进型GaInP 2/GaAs双结太阳能电池结构参数图4电池生长工艺与图3相似。该电池的参量

13、J SC=16.4mA/ cm2，开路电压Voc=2.398V，填充因子FF=0.882。这个电池与图3电池相比，有三大技术突破 :栅线设计、顶电池上表面钝化和两个子电池背面钝化。对栅线，在保证FF无损失的情况下，将栅线接触面积从 4.9%减小到1.9%(指占电池总面积) ，并使效率提高了0.8%；第二就是用较高质量的AlInP 窗口层作顶电池上表面钝化层。由于太阳光的短波部分主要在顶电池的表面被吸收，如果顶电池窗口层的质量较差，则器件在蓝光尾部波长范围内的量子效率会降低，这大约会造成顶电池电流10% 的损失；第三就是用背电场(BSF)层作顶底子电池的背面钝化层。BSF层用来减小界面复合，提高

14、入射光子的利用率。而界面复合会减小基区的载流子浓度，导致电池暗电流增大。图5为日本学者在1997年开发出的转换效率达30.28% 的GaInP 2/GaAs级联电池。采用立式旋转托盘MOCVD设备，衬底材料是掺锌的GaAs(100)5(110)，以TMIn，TMGa ，TMAs为III 族源，以AsH3， PH3为V 族源，以H 2Se, DEZn为掺杂剂。GaInP 2生长速率为2.5m/h 。GaAs底电池包括p+-InGaP BSF层、 p-GaAs基区、 n+-GaAs发射区和n+-AIInP窗口层。InGaP顶电池则包括p+-AlInP/p+-GaInP BSF层、p-InGaP基区

15、，n-InGaP发射区和n+-AlInP窗口层。作者采用时间分辨光致发光谱估计p-InGaP基区的少子寿命约 10-50ns，n-InGaP发射区和n+-AlInP窗口层界面复合速率约5800cm/s。另外该级联电池采用AlInP-GaInP双异质结构隧道结，也即n+-AlInP/ n+-InGaP/ p+-GaInP/p+-AlInP多层结构。研究表明，AlInP-GaInP双异质结构使GaInP隧道结的峰值电流密度从5mA/cm 2，增加到400mA/cm2。级联电池的上下电极分别采用Au-Ge/Ni/Au和Au材料。顶电极栅线设计面积小于2%，MgF 2/ZnS双层抗反膜在波长400-9

16、00nm范围内反射率小于2%。在室温和100mW/cm 2，光强下，测得电池的短路电流密度J SC=14.22mA/cm2，开路电压V OC=2.488V，填充因子FF=0.856，转换效率Eff=30.28%，性能良好。图5. GaInP 2/GaAs双结太阳能电池根据以上分析可知，GaAs多结太阳能电池的结构设计主要包括GaInP 2顶电池、GaAs 电池，以及隧道结的设计，相对于GaAs衬底材料，Ge具有更低的成本，更高的机械强度，且可以极大地提高太阳能光谱的利用率。如果采用Ge衬底，需引入Ge底电池以实现三结电池的制备，则还需要考虑Ge电池的设计以及GaAs/Ge界面的控制。图6. 三

17、结GaAs太阳能电池对太阳光谱的利用率图7. GaInP 2/GaAs/Ge三结太阳能电池鉴于公司目前该方面经验的欠缺，建议借鉴国内同行的研究，从Ge底电池的开始，对其中的一系列关键技术进行研究。以美国Emcore公司的三结太阳能电池为例，包括 (1) 多结太阳电池结构材料的MOCVD 工艺生长控制技术研究 (各外延层的厚度、载流子浓度、表面形貌、厚度均匀性、组份均匀性等结构参数与生长室压力、生长温度、V/III比、源流量、衬底托盘旋转速率等MOCVD生长工艺参数之间的关系)。该技术的攻克是获得高效率多结太阳电池的前提； (2) Ge单晶衬底的制备，Ge底电池的设计与制备( 基区及发射区厚度掺

18、杂浓度 )； (3) Ge衬底上GaAs的外延生长，重点抑制Ge/GaAs界面的活性结； (4) Ge衬底上GaAs中电池的结构设计(基区、发射区及窗口区厚度掺杂浓度的设计)与制备； (5) Ge衬底上GaInP顶电池的结构设计与制备( 基区、发射区及窗口区厚度掺杂浓度的设计)；(6) 超薄层隧穿结生长控制技术研究，高水平掺杂的实现以及掺杂元素与相邻子电池之间互扩散的抑制，这是实现各子电池电流匹配的关键；(7) 子电池背电场BSF层的设计。2GaAs太阳能电池的工艺制备GaAs太阳电池后工艺制作工艺主要包括电池上、下电极和增透膜的制作。二者的工艺的控制直接影响到整个太阳电池的性能。(1)电极的

19、优化设计在太阳电池的设计过程中，上下表面电极对电池输出性能的影响十分显著，通过对电极进行优化设计，可以降低电极与半导体材料的比接触电阻，进而降低整个电池的串联电阻，减小电极的电阻性功率损耗，提高电池的填充因子，提高电池的光电转换效率。电极的优化设计包括电极形状的设计及电极金属体系材料的选择。目前，电极形状基本都采用梳状密栅式，主栅位于电池边缘，垂直于细栅。从减小电池串联电阻的角度来说，栅线应尽可能加宽，间距应尽可能小，可有效降低电流在电极表面流经的距离，并相应地降低串联电阻。但是这样就增加了电池的遮光损失。因此在保证尽可能增加光照面积和减小电极引起的功率损耗的前提下，使电极面积与电池面积之比尽

20、可能小，一般来说遮光面积占电池表面积的3.5到4.5%即可 选择太阳电池电极材料的原则是：(1)电极材料接触层能形成良好的欧姆接触； (2)电极材料与接触层具有高的结合强度；(3)电极材料具有优良的导电性能。由前面几幅图可知， GaAs太阳电池多在顶电池的窗口层之上再生长一层重掺杂GaAs材料，这主要是为了更好的与电极进行欧姆接触，减小电池的串联电阻。另外，由前几幅电池结构示意图可知，国外器件进行设计时多采用n-on-p型，顶电池窗口层之上采用了重掺杂的n型GaAs材料用作接触层，这可能的原因是n型GaAs 材料的欧姆接触更容易制作。至于电极金属体系的选择，n型GaAs材料采用Ti/Au ，T

21、i/Pt/Au 等均可获得良好的欧姆接触，考虑到成本因素，采用Ti/Au更合适，Ge 材料多采用Au/Ge/Ni金属体系。 接下来就是半导体材料与金属的合金化过程，该过程一般都存在着一个最佳合金条件，这就需要进行快速热退火(RTA)处理，急速冷却有利于形成平滑的接触界面和良好的粘附性能，与此同时，也得到了低电阻的接触系统。此外，急速冷却、快速升温以及尽可能低温短时间的合金条件都有利于维持接触界面的高掺杂浓度。这种高掺杂浓度可以导致较低的势垒高度，并可能使热离子发射转变成隧道式的穿越，这是低特征接触电阻率的内在原因，这样的合金条件还可防止有害成份或杂质原子对半导体或外延层的渗透扩散。最佳合金条件

22、与金属体系生长方式、生长速度、半导体材料表面处理过程、掺杂程度等都有很大的关系，因此并不能照搬他人的合金条件，可以针对自己的工艺条件进行专门的研究，通过传输线模型(TLM)进行分析。半导体材料与金属的合金化之后很难与其他金属进行低阻互联，此时还需要对电极进行加厚，可进一步减少太阳电池电极的串联电阻，电极加厚多采用电镀Ag，表2所示为一种镀银配方。此外，为防止Ag 的氧化，有时还会在 Ag 表面镀一薄层金。表2无氰化物的镀银配方名称 含量(克/升)磺基水杨酸 100120硝酸银 1020醋酸铵 2040氢氧化钾 5-10氨水 适量PH 值 5.5-6.5阴极电流密度(mA/cm 2 ) 14温度

23、() 20-30阴极面积/阳极面积 1/3(2) 增透膜的优化设计太阳电池光转换效率损失的过程中，反射损失占了很大一部分，它降低了太阳电池单位面积入射的光子数，从而影响电池的能量转换效率。可以在空气和裸露的窗口层材料界面之间插入一层1/4波长的增透膜，使反射光的损耗降到最低限度。太阳电池所用的抗反射膜必须满足如下要求：(a) 在应用波段范围吸收最小； (b) 有良好的光学和化学稳定性； (c) 与窗口层的结合性和牢固度好；(d) 保证多层膜之间、膜与GaInP2/GaAs/Ge级联太阳电池基体间之间的折射率相匹配。目前国外比较成熟的增透膜体系为TiO x/Al2O3双层介质膜体系，国内也采用过

24、MgF 2/ZnS双层介质膜体系。(3) 太阳能聚光系统的引入目前应用于地面发电系统的 GaAs 基太阳能发电系统大多都采用聚光系统，聚光型太阳能 (Concentration photovoltaic，简称 CPV)技术通过透镜或镜面将接收到的太阳能放大成百上千倍，然后将放大的能量聚焦于效率极高的小光电池上。通过放大太阳能，该技术可以有效地光电池中半导体材料的用量。由于透镜会聚太阳光，会导致会聚光斑上的温度较高，造成太阳电池温度的升高，转换效率下降，所以耐热的 GaAs 等 III/V 化合物电池成为高倍率 CPV 系统的必然选择。CPV 系统模组主要由太阳能电池、高聚光镜面菲涅尔透镜等光学

25、聚光元件、太阳光追踪器组成。应用菲涅尔透镜的作用就是将光线从相对较大的区域面积转换成相当小的面积上，这种透镜也被称做集光器或聚光器。图 8 Emcore 公司 CPV 系统实物图(左 )及 CPV 系统原理图( 右)在太阳聚光领域，菲涅尔透镜是聚光太阳能系统(CPV)中重要的光学部件之一。太阳菲涅尔透镜聚光镜就是，透镜的焦点刚好落在太阳能芯片上。当透镜面垂直面向太阳时，光线将会被聚焦在电池片上，汇聚了更多的能量，因而需要较小的电池片面积，大大节约了成本。 应用菲涅尔透镜能够将太阳光聚焦到入光面 1/10 至 1/1000 甚至更小的接收面（高性能电池片）上，比传统平板光伏发电效率提高 30以上

26、，满足太阳能聚光发电(CPV)高能量的需求。菲涅尔透镜作为聚光光伏系统中重要的光学器件，其性能优劣直接影响着 CPV 系统的聚光率的高低。从光学效果上来讲，要求有尽量高的光线透过率、能量汇聚率及较高的聚光倍数；另外太阳能电池需要在户外使用，要求能抵挡外界环境的侵蚀，以及具有较强的抗冻耐热能力，保证在户外长时间正常工作。因此，对菲涅尔透镜本身品质具有较高的要求，其设计和制造设计到多个技术领域，包括光学工程,高分子材料工程，CNC 机械加工，金刚石车削工艺，镀镍工艺；模压、注塑、浇铸等制造工艺。目前，国内对于这种聚光太阳能系统的研究刚刚起步，这应该是一个研究热点。二GaAs太阳能电池的性能测试1太阳能电池测试光源一般用于太阳能电池的光源在室外是太阳光，在室内主要是荧光灯和白炽灯。在涉及到太阳光做光源时，常用到Air Mass（AM）的概念。AM0：表示太阳光通过的大气量为零，即为大气层以外的太阳光。其值就是太阳常数，为140mW/cm2。宇宙用的太阳能电池的特性，通常是对AM0的太阳光而言的。AM1：表示太阳在正上方、恰好是赤道上海拔为零米处正南中午时的垂直日射光。晴朗时的光强约为100mW/cm 2，该值有时被称为一个太阳。所谓太阳的单位多半用于聚光型的太阳能电池，例如三个太阳意味着300mW/cm 2。