锗在空间太阳能电池中的应用

锗在空间太阳能电池中的应用胡国元 韩兆忠北京有色金属研究总院 ,北京 ,100088 摘要 用锗作为衬底制作的 GaAs/Ge 太阳舱电池 ,其性能与 G.As/GaA, 电池接近 ,机械强度更高 ,单片电池面积更大 . 在空间应用环境下 ,杭辐封闺值比硅电池高 ,性能衰退小 ,其应用成本接近于同样功率的硅电池板 ,已应用于各型军用卫星和部分商业卫星中 ,逐步成为主要的空间电源。关键词锗太阳能电池 应用1 引言经过 40 多年的发展 ,太阳能电池已被证明是各类航天器的非常有效的电源 ,研究和应用较多的有 Si, GaAs, GaAs 多结 ,I.P,CISC.InSe2 和 CdTe 电池 .直到 8.年代 ,硅太阳能电池因其技术成熟 ,性能稳定 ,一直是主要的空间电源 .通过 IBM 最初的尝试和休斯公司 ,林肯实验室等的努力 ,人们逐渐认识到 GaAs 太阳能电池是空间电源的新的发展方向 .从 80 年代初开始 ,美国空军资助的 MANTECH 计划和应用太阳能公司的研究表明 ,GaAs 太阳能电池具有良好的应用特性 W 进步的研究证明了在 Ge 衬底上异质外延 GaAs 制成的 GaAs/Ge 电池具备同样的特性 .InP 电池具有优秀的抗辐射能力 ,但目前制造成本太高 .CIS 和 CdTe 薄膜电池转换效率低 ,仅用于一些特殊要求的电池板 .Si电池技术继续发展 ,转换效率达 15 纬甚至接近 18,但其抗辐射能力差使其应用受限 ,Si 电池将更多地应用于低温低照度条件 .n GaAs or Gs 2 GaAs/Ge 电池的结构GaAs 太阳能电池的结构如图 I 所示 [z], 主要包含 GaAs 缓冲层 ,n 型 GaAs 基极 ,P 型GaAs 发射极和 AIG .A.窗口 ,衬底采用 GaAs 或 Ge 片 .电池的制备方法早期多采用液相外延 .现在基本上采用 MOCVD 法 ,亦称为 MOVPE 方法 .因为锗比砷化稼机械强度高 ,解理性小 ,又易得到大尺寸的高质量单晶 ,用锗取代砷化稼作为太阳电池的衬底 ,可以生产出较薄的衬底片 ,减轻电池重量 ,降低生产成本 ,增大单片电池面积 ,目前已大量应用 . BACK CONTACT 一一图 I GaAs 太阳电池结构Fig I GaAs solar cell structure 锗衬底片选择偏向 1-60 的 100锗单晶 ,厚度一般为 200.m,电阻率 005-0. 4D cm, 晶格完整性尽可能好 .在 Ge 衬底上进行 GaA,异质外延有两个主要问题 ,一是晶格缺陷 ,另一个是反相畴 . 衬底晶向的偏离可以避免进行 GaAs 异质外延过 w 中出现反相畴现象 APBs, 同时减轻由于晶格常数差异引起的外延层中的缺陷 ,抑制 Ga 的反扩散 C2-q.在 CVD 异质外延中采用负压大流量工艺和合适的 m/V 比有助于抑制外延层中位错和层错的产生 ,冷却速度也对位错密度产生影响 Cs-tl. 用等离子氢饨化处理衬底可以降低位错活性 ,减轻其对太阳电池性能的影响 [s.7 Bongers 等人尝试在锗衬底上外延 InGaAs 作为对GaAs 晶格失配的过度层 .of, 在外延层上位错密度与衬底相比保持不变 .双结和三结电池的结构示意图见图 2,底层电池的禁带宽度较窄 ,能吸收较长波长的光 ,从而提高电池效率 .在电池级间采用重摇杂的隧道结进行欧姆接触 ,可以避免产生整流效应 . 3 GaAs/Ge 电池与硅电池的性能比较1991 年以前生产的 GaAs 电池尺寸为 8c.2,以后电池的尺寸逐渐增大到 16c., 36c., 现在可生产50.60cm2 的 GaAs/Ge 电池 ,厚度减小到 200 140mm,只有其它半导体器件衬底厚度的一半 .电池转换效率从 1985 年的 17增加到 “写 AMO, 25“C, 比硅太阳电池效率高 20 肠 -25, 而且输出功能材料增刊 1998 10 功率随温度增加而减小的幅度只是硅电池的一半 .虽发射成本 ,则选择 GaAs 太阳能电池更加经济 .表 1 然 GaAs/Ge 电池的成本是硅电池的 8.8 倍 ,重量是对 1M EOL G .As/Ge 电池与硅电池制造和应用过硅电池的 2 倍 ,但制作同样功率的空间太阳能电他程中的各项指数作一比较 ,表中未考虑电池板面积减板 ,GaAs 电池板的面积比硅的小 35 纬 ,重量减少小导致发射成本的减少27 吓 ,而电池板制造成本仅增加 16[11. 如果考虑到表 1 1kW EOLSi,GaAs 电池板比较Table 1 Comparison of 1kW EOL Si, GaAs/Ge solar panels 电池类型2 X 4crn 单片电池重量9/Ml 单片电池成本 /cell 电池数重电池板面积 m2 ftkg 功率 kW EOL 电池板成本M 发封到 LEO 轨遗成本M 发射到 GEO 软道成本M Si GaAs/Ge.1513312400810011.667. 63.; 一 .. OAR coaun 口一一 mj 日科 51二n“AIInP “.日日】们 P P.C 日 .P P 峨 fi.aT P 沁 “G.M 咐 .G 日户吕a “ GaInP n 〔 a 八 s P“GaAa p 右 .I.P Ge or GaAs Sub 心 .日臼 a 口r-ee 一们与 .,司n“AIIrP 一n“GaInp pC 创 nP PPIR,aSnP P-“GaAs n““ Ga 户 , n- Galnp n . G.A. p.勺r p.冗而护气 0 日 Ae 护 }“G 目月 , n“AIGaA n.白 P,心 .匆 b 为 d 几 n 叫Metal-Wt 图 2 多结 GaAs 电池结构 ;T 意图Fig 3 Cross-section of multijunction GaAs cell 为了进一步提高转换效率 ,美国再生能源实验室National Renewable Energy Laboratory 等单位研制了多结电池 ,双结 GaInP“/GaAs/Ge 电池效率已达到24. 2 0 o AMO, 28 “C . 三结电池的转换效率可达 26. 5. 1993 年 ,R Venkatasubramanian 等人第一次用成本较低的光学级锗多晶作衬底研制的 GaAs/Ge 电池 ,转换效率也达到了 15.8AML 5,25“Ct“ . 空间太阳能电池的耐辐射能力对保证航天器顺利完成任务起着至关重要的作用 ,GaAs/Ge 太阳电池抗空间粒子辐射的能力明显高于硅太阳能电池 W7. 二者受辐射引起性能衰退的机理都是因辐射造成晶格畸变导致少子寿命 扩散长度 缩短 ,从而使效率降低 ,GaAs 和 Ge 的抗辐射闽值较硅高 ,其受外层空间辐射引起的性能衰退比硅要小 .1991 年发射的 U- oSAT 一 5 小卫星 770km, 980 偏角 ,稳定运行三年多以后 ,高效硅太阳能电池 BOL,15. 5 沁 和 GaAs/Ge 太阳电池 BOL,18. 5 输出功率的变化见图护火空间辐射换算为 1Mev 当量电子照射的影响 .19“ 年月 31 日发射的欧洲 “尤里卡 “航天器 ,其上搭载的ASGA 项目提供了在低轨道 GaAs 太阳电池工作性能的极有价值的结果 ,表 2 为电池板各项参数的比较 Rs7,在 291 夭全部实验过程中无一电池失效 ,所有电池板性能退化情况可忽略 ,GaAs/Ge 电池显示出较高的工作温度 . 表 2 GaA, 电池空间运行一年前后性能比较Table 2 Comparison of GaAs cellspre- and post- 1 year flight 电池厚度拜 ITI 发射前 1992. 3 回收后 1993.9A 第 1.天 B 第 291 天B/A1..AVc mV 效率 IscmAv 沈mV 效率 孵 mw xh* 仁 m 认 MO-GaAs/Ge MO-GaAs MO-GaAs MO-GaAs LPE-GaAs LPE-GaAs 200 300 300 300 100 300 380 398 383 361 367 376 1027 1018 1004 1010 991 991 18.4 18.6 17.5 17.7 16.4 17.1 379 397 378 358 363 375 1013 1018 984 1002 986 994 18.1 18. 7 16.6 17.0 16. 3 17.4 264 273 231 264 262 270 228 262 0.992 0.989 0. 987 0. 992 1 功能材料增刊 1998 10 |恤日日 rr 卜 . 一 }一 {{{} 纵 ,「一 ,司币{} 粗I 州凡11}\ }}\ I 闷GaAs/Ge 太阳电池是一种性能优良的空间用太阳能电池 . 表 3 近几年通讯卫星功率豁求Tab1e3CurrentlyP1annedcommunicationsatelliteSystemS 1 日 eV 当盘电子流 e 八砰 a高刀硅电池一 }{1I ,一 }}},,.{ “卜率 }}} 丫 ,,1 一 ,, 一 }{ l}{{l{}{ IMev 当 t 电子流 e/mZ bGaAs/Ge 电池困 3UoSA T 一 5 电池功率变化Fig5PodegradationcurvesofUoSA T 一 scells 1996 年 ,休斯航天与通讯公司为 Measat 航天器应用 ,对 GaAs/Ge 电池特性进行评价 ,测定了辐射环境 ,温度 ,人射角对电池电性能参数的影响 ,并对电池反向耐压卷定性 ,光学和热学性能 ,机械强度和热循环性能进行测试 ,建立起完整的性能参数数据库 [1e]. 名称卫星数童恶总功率雷求BOL kw 年功率常求kw Iridium 玩 marsat Globalstar Aries odyessey EIipso M 一 Sat 弓 630 10十 2 48 48 12 16 3 780 10300 1414 1420 10354 37100 20060100 1002555 10 40102020 6104 J 总 55.总 110 Teledesic器 70064001100 山勺习哎 ,1 哎 1 卜工 N 工让 0 韶砚 ,卜几川 J 曰砚李 J 喊一匕 2 一比 0 户 ,.E 4GaAs/Ge 太阳电池的应用GaAs/Ge 太阳电池转换效率比硅太阳电池高2.25, 一个显著的优点就是卫星的电池板面积大大缩小 或者说同样面积电池板可获得更大的功率 ,电池板重量减轻 ,因此节省发射嫩料 .电池板面积缩小可增加卫星舱拢带空间 ,对 LEO 轨道卫星来说 ,还惫味着减小拖曳力 ,从而减少星载火箭的燃料 . 过去几年中 ,随 GaAs/Ge 太阳电池用量的增加 ,电池的制造成本也降低到 1991 年的一半左右 .90 年代初 , GaAs/Ge 太阳电池就己应用于欧美国家的各型军用卫星 ,随后迅速扩展到商业用户中 ,需求量也急剧增加 .表 3 列出了近几年通讯卫星对电源的需求 [lj. 1994 年发射的两颗同步转移轨道〔 GTO 卫星sTRVIA 和 STRvIB, 主电源采用 GaAs/Ge 太阳电池和 GaAs/GaA3 太阳电池 ,并对 35 种不同类型的空间太阳电池进行检测和比较 .1992 年 7 月发射的 Eu- RECA 卫星 ,其搭载的 ASGA 项目就是对 GaAs/Ge 太阳电池和 GaAs/GaA, 太阳电池的性能进行评价 , 经过 10 个月 6000 多次热循环和 SO0km 高空 LEO 轨道辐射环境的考验 ,19 卯年 7 月返回测试 . 证明了NASA 小卫星技术启步计划 SSTD 之一的改进型小卫星 “CLARK, 于 1996 年发射 ,星上有两块电池板主电池板采用 5.smiJGaAs/Ge 太阳电池 ,最小提供 350W,37VEOL 的直流电源 ,完全满足卫星工作需求 ,副电池板采用 GaAs/Ge116w,37v, 多结电池138w,a7v 和 cls 电池 6ow 〔 ,7」 .该星用反射板聚光系统 ,比常规的电池板减少韶 的太阳电池用量 . 用于研究极光等离子物理的 FAST 卫星要求保持最小的等离子体扰动 ,同时要求足够的能源保证星上各种测量仪器的工作 ,该星应用电池表面贴装技术 ,使用 Ts225 片小于 4cmZ 的 0.14mmGaAs/Ge 太阳电池 ,保证了 60loow34V 的功率 [,8 〕 . 将于 1998 年发射的 EOSAM 一 1 是 Goddard 航天飞行中心系列遥感卫星中的第一颗 ,它使用单电池板 ,要求在低地极轨道运行 5 年后电池板的功率保证skw127V, 拟采用 0.14mmGaAs/Ge 太阳电池制作的柔性太阳电池板 [19 〕 . 无人驾驶太阳能飞机随高度增加功率增大 ,无废气排放 ,巡航速度慢 ,特别适合于大气研究 ,如臭氧监测和天气预报 ,遥测 ,地图绘制等 ,军事上由于其体积小 ,不易被雷达探测 ,可用于敏感地区的情报收集 . NASA 路易丝研究中心研制的太阳能飞机采用 264 片 6 又 6cmGaAs/Ge 电池 ,地面测试功率可达12ow〔 2 妇 . 1996 年 12 月肯尼迪太空中心发射的 “火星探路者 “于 1997 年 7 月 4 日在火星着陆 ,其携带的微型探功能材料增刊 1995 10 测小车 “旅居者 “sojourner 装备多种谱分析仪对火星表面进行研究 ,并将数据传回地球 ,小车的能源包括一块太阳电池板和一组锉电池 ,作为主要能源的太阳能电池板位于小车顶部 ,由 234 片 GaAs/Ge 电池组成 ,面积 0. 22m2, 重量 0.340kg,在火星中午时可提供16.5W 的功率 在地球可提供 45W 功率 ,]SUN,/ AMO. 探测小车预计工作一个星期 ,实际工作了 40 多天 . at Conference held in Florence, Italy, 1991,495-500 Yuan Li, et al. I of Crystal Growth,1631996,195- 202Attolini G , et al. J Phys. D Appl Phys. 1995,28.A12E --A132 Both, N, et al. Thin Solid Film. 1995, 2601,6574 Frigeri C. et al. last Plays Cord Sec. 1994,135 Burle N, et al. Inst P 妙 s Conf ,.1993,134,573 Ringel Steven A, et al. U S. US5,571,339 5 结束语GaAs/Ge 太阳能电池和 G.As/GaAs 太阳能电池同样具有高效率 ,杭辐照 ,长寿命 ,温度特性好的优点 ,而且由于锗衬底的强度高 ,可以获得更大 ,更薄的电池 ,大幅度提高功率比重量 ,降低成本和发射成本 . 目前 ,GaAs/G.已被定位为空间用太阳能电池的主要角色 ,并大批量生产 .在此基础上的 AIGaA. 和GaIRP2 多结电池也在继续发展 ,随其性能稳定和技术成熟 ,应用会更加广泛 ,对锗的需求量亦将迅速增加 . 我国从 “东方红三号 “卫星开始已经采用展开式太阳电池板技术 ,随着经济和技术的发展 ,各类卫星对太阳电池的需求将逐渐增加 ,以后发展的万瓦级大星由于受电池板贴片面积的制约 ,还有正在发展的小卫星系列都需要 GaAs/Ge 电池 .我们应在提高电池用锗单晶质量的同时 ,加快我国外延用锗衬底和GaAs/Ge 太阳能电池的研制进度 . 参考文献Ties P A,FHo, 1962 Bollani B. et al. 24th IEEE PVSC, 1994, V ol 1 ,1957- Proceedings of the European Space Pow 9 Ringel S A, et al. 24th IEEE PVSC, 1994. V ol I , 2204-- 2207 10 Bangers M M G , et al. Journal of Crystal Growth 1996.162 714 11 Luther W. 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