GaAs太阳能电池的应用研究

太阳能光电工程学院太阳能电池及应用课程设计报告书题 目 GaAs 太阳能电池的应用研究姓 名 余胜专 业 光伏材料加工与应用技术班 级 10 级光伏材料应用技术自考本科班准考证号 014411304234 设计成绩指导教师GaAs太阳能电池应用研究摘 要本设计主要阐述了 GaAs太 阳能电池具有光 电转换效 率高、抗辐照性能好 、高温性 能好等优点 ， 广泛应 用于太空电源。 本文阐述了单结、双结以及多结 GaAs太阳能电池的结构、性能、研究现状以及其空间应用情况。着重介绍了 GaAs基量子点太阳能电池的许多重要特性 , 如可调节的带隙和光谱吸收性等 , 并对其技术发展前景进行了展望。最后介绍了本实验室在 InGaAs 量子点太阳能电池方面开展的相关研究情况 , 表明通过改变量子点的尺寸可以拓展材料的光谱范围 , 进而提高太阳能电池的光点转换效率。关键词 GaAs 太阳能电池 特点 半导体 转换效率 技术的发展和前景GaAs太阳能电池应用研究绪 言 4 1GaAs太阳能电池 5 1.1 GaAs 太阳能电池基本介绍 5 1.2 GaAs 太阳能电池的特点 6 2 GaAs 基单结太阳能电池 . 7 2． 1GaAs同质结太阳能电池 7 2． 2 GaAs／ Ge异质结太阳能电池 . . 8 3.GaAs 太阳电池国内技术进展 9 4.GaAs 太阳电池国内现状 9 5.GaAs 太阳电池的前景 . 11 5.1 、高效率多结 GaAs 太阳电池5.2 、 GaAs 薄膜太阳电池 . 11 5.3 、聚光太阳电池 . 11 6. 设想和建议 . 12 参考文献 13GaAs太阳能电池应用研究绪 言GaAs太阳能电池同硅太阳能电池相比 , 在耐辐照、高工作温度、高效率等方面有其独特的优势。随着空间技术的发展 , 对航天用太阳能电池提出了更高的要求 , 尤其对 GaAs太阳能电池用作卫星电源寄予厚望。 20 多年来 ,GaAs 太阳能电池的发展十分迅速 , 理论和实验研究。GaAs 太阳电池作为新一代高性能长寿命空间主电源 , 必将逐步取代目前广泛采用的 Si 电池 , 在空间光伏领域占据主导地位。 GaAs是 III ． V族半导体材料的典型代表，禁带宽度 Eg是 1 ． 43eV， 理论计算表明，当 Eg在 1 ． 2～ 1． 6eV范围时， 转换效率最高 与太阳光谱匹配， 是理想的太阳能电池材料。 和硅 材料 太阳能 电池相 比， GaAs太 阳能 电池具有更高的光电转换效率， 单结和多结 GaAs太 阳能 电池的理论效率分别为 27 ％和 63 ％， 远远高于 si 太 阳能电池的最高理论效率 23 ％。 而且 GaAs材料太阳能电池具有明显的优势 ， 在可见光范围内， GaAs材料的光吸收系数远高于 Si 材料。 同样吸收 95％的太 阳光 ， GaAs太 阳能电池只需 5 ～ 10rn的厚度 ， 而 si 太阳能电池则需大于 150lam 。 因此， GaAs太 阳能电池能制成薄膜结构 ，质量大幅减小。综 上， GaAs材料可研制更高转换效率 、 更好抗辐照性和适应空间恶劣温度变化 的太阳能电池 ， 必将成为 21世纪卫星航天器的主电源 。而人类当前所使用的矿物能源日趋耗尽，环境污染日益严重， 在严峻的能源替代形势和人类生态环境逐渐恶化的双重压力下， 开发新能源成为世界各国关注的焦点。 众所周知， 太阳能是取之不尽， 用之不竭的可再生能源。 而基于太阳光与半导体材料作用而形成的光伏效应的太阳能电池的研制与开发是近些年来发展最快，也是最具活力的，其中 GaAs 叠层太阳电池更成为当今研究的热点。GaAs太阳能电池应用研究1GaAs太阳能电池1.1 GaAs 太阳能电池基本介绍近年来，太阳能光伏发电在全球取得长足发展。常用光伏电池一般为多晶硅和单晶硅电池， 然而由于原材料多晶硅的供应能力有限， 加上国际炒家的炒作，导致国际市场上多晶硅价格一路攀升，最近一年来，由于受经济危机影响，价格有所下跌， 但这种震荡的现状给光伏产业的健康发展带来困难。 目前， 技术上解决这一困难的途径有两条 一是采用薄膜太阳电池， 二是采用聚光太阳电池，减小对原料在量上的依赖程度。 常用薄膜电池转化率较低， 因此新型的高倍聚光电池系统受到研究者的重视。 聚光太阳电池是用凸透镜或抛物面镜把太阳光聚焦到几倍、 几十倍， 或几百倍甚至上千倍， 然后投射到太阳电池上。 这时太阳电池可能产生出相应倍数的电功率。 它们具有转化率高， 电池占地面积小和耗材少的优点。高倍聚光电池具有代表性的是砷化镓（ GaAs）太阳电池。GaAs 属于 III-V 族化合物半导体材料， 其能隙与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温。与硅太阳电池相比， GaAs 太阳电池具有较好的性能。二、砷化镓电池与硅光电池的比较1、光电转化率砷化镓的禁带较硅为宽，使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好。目前，硅电池的理论效率大概为 23，而单结的砷化镓电池理论效率达到 27，而多结的砷化镓电池理论效率更超过 50。2、 耐温性常规上，砷化镓电池的耐温性要好于硅光电池，有实验数据表明，砷化镓电池在 250℃的条件下仍可以正常工作，但是硅光电池在 200℃就已经无法正常运行。3、机械强度和比重砷化镓较硅质在物理性质上要更脆， 这一点使得其加工时比容易碎裂， 所以，目前常把其制成薄膜，并使用衬底（常为 Ge [ 锗 ] ），来对抗其在这一方面的不利，但是也增加了技术的复杂度。GaAs太阳能电池应用研究1.2 GaAs 太阳能电池的特点GaAs 太阳电池是一种Ⅲ 2 Ⅴ族化合物半导体太阳电池 , 与 Si 太阳电池相比 , 其特点为 a 光电转换效率高 GaAs 的禁带宽度较 Si 为宽 ,GaAs 的光谱响应特性和空间太阳光谱匹配能力亦比 Si 好 , 因此 , GaAs 太阳电池的光电转换效率高。 Si 太阳电池理论效率为 23 , 而单结和多结 GaAs 太阳电池的理论效率分别为 27 和 50 。b b 可制成薄膜和超薄型太阳电池 GaAs 为直接跃迁型材料 , 而 Si 为间接跃迁型材料。在可见光范围内 , GaAs 材料的光吸收系数远高于 Si 材料。同样吸收 95 的太阳光 , GaAs 太阳电池只需 5～ 10μ m的厚度 , 而 Si 太阳电池则需大于 150μ m。因此 ,GaAs 太阳电池能制成薄膜型 , 质量可大幅减小。c c 耐高温性能好 GaAs 的本征载流子浓度低 ,GaAs 太阳电池的最大功率温度系数 - 2 10 - 3 ℃ - 1 比 Si 太阳电池 - 4. 4 10 - 3 ℃ - 1 小很多。 200 ℃时 ,Si 太阳电池已不能工作 , 而 GaAs太阳电池的效率仍有约 10 。d d 抗辐射性能好 GaAs 为直接禁带材料 , 少数载流子寿命较短 , 在离结几个扩散度外产生的损伤 , 对光电流和暗电流均无影响。 因此 , 其抗高能粒子辐照的性能优于间接禁带的 Si 太阳电池。 在电子能量为 1 MeV , 通量为 1 1015 个/ cm2 辐照条件下 , 辐照后与辐照前太阳电池输出功率比 , GaAs 单结太阳电池 0. 76 ,GaAs 多结太阳电池 0. 81 , 而 BSFSi 太阳电池仅为 0. 70 。e e 可制成效率更高的多结叠层太阳电池MOCVD 技术的日益完善 , Ⅲ 2 Ⅴ族三元、四元化合物半导体材料 Ga InP 、GaAs太阳能电池应用研究AlGa InP 、 Ga InAs 等 生长技术取得的重大进展 , 为多结叠层太 阳 电池研制提供了多种可供选择的材料。2 GaAs 基单结太阳能电池由于太阳光谱的能量分布较宽 ，而半导体材料的带隙 Eg 都是确定的 ，因此只能吸收其 中能量 比其禁带宽度值高的光子 ， 太 阳光中能量小的光子则透过电池被背面电极金属 吸收转化成热能 ，而高能光子超 出禁带宽度的多余能量 ，通过光生载流子的能量热释作用传递给电池材料本身使其发热。这些能量最终都没有变成有效 电能 ， 因此对于单结太阳能电池 ， 即使是 晶体材料制成的， 理论最高转换效率也只有 25 ％左右。 单结 GaAs 电池只能吸收特定光 谱 的太 阳 光 ，实验室实现的转换效率最高 25． 8％，高于晶体硅 的 23 ％ ] 。2． 1GaAs同质结太阳能电池GaAs材料太阳能电池的研究始于 2O 世纪 50 年代 ， 从发现 GaAs 材料具有光伏效应后就在理论和实验上对其进行 了广泛深入 的研 究。 60 年代 A ． Gobat等人首次采用扩散法制备 出原理与硅太 阳能电池相类似的 GaAs 太 阳能电池 ，其转换效率只有不到 10 ％。到了 70 ～ 80 年代 ，采用液相外延技术 LPE制备的 GaAs／ GaAs太 阳能电池最高效率已达到 21 ％。 当时有多家公司能够实现效率在 18 ％左右的 GaAs／ GaAs 太阳能电池量产 ，如美国休斯公司、 日本三菱公司等。 当时主要采用的都是 LPE 技术 ， 而 LPE 技术研制太阳能电池时存在 GaAs 材料表面复合速率高 、多层复杂结构的生长难以实现和外延层参数难以精确控制等问题 ，限制了 GaAs 太阳能电池性能的进一步提高。由于 GaAs同质结材料存在密度大 、 机械强度差 、 价格贵等缺点， 又使 GaAs太阳能电池 的空间应用受到限制。这些 问题促使人们寻找新 的方法研制 GaAs 太 阳能电池 。GaAs太阳能电池应用研究2． 2 GaAs／ Ge异质结太阳能电池减反射膜 射膜A1GaAs 窗口GaAs 发射构GaAs 基区GaAs 缓冲区Ge 衬底下电极图 1 GaAs。 Ge 单结太阳能电池结构示意图20 世纪 80 年代 ，美国的 ASEC TECSTAR公司开始采用 MOCVD技术制备GaAs／ GaAs太阳能电池 ， 并采用价格低廉 的 Ge 代替 GaAs 做衬底研制出 GaAs／ Ge太 阳能电池 。基本结构的 GaAs／ Ge太阳能电池示意图如图 1 所示 。其特点是保持 GaAs／ GaAs太阳能电池的高效率 、抗辐射性和耐高温性的优点 ，同时又 由于 Ge 的机械强度高不易破碎 ，因而增加 了电池的实用性 。且 Ge单晶的价格只有 GaAs 的 30 ％，大大降低 了 GaAs 太 阳能 电池的成本。而MOCVD技术生长的太阳能电池外延片表面平整 ，各层厚度均匀 ，浓度准确可控 ， 制备的 GaAs太阳能电池性能也有了明显改进 ， 进一步提高了电池的效率。因此到了 20 世纪 90 年代， Ge 衬底上异质外延 的技术得 以进一 步发展成熟 ， 很快便替代 GaAs／ GaAs太 阳能 电池 。 而其商品化的结果是 GaAs电池得以真正开始大量应用于空间电源。GaAs太阳能电池应用研究3.GaAs 太阳电池国内技术进展70 年代中期至 90 年代中期 , 国内均采用 L PE技术研制 GaAs 电池。 这种方法设备简单、毒性小、外延层质量较高 , 但 GaAs 的表面复合速率较高 , 多层复杂结构的生长和厚度的精确控制难以实现。单结 GaAs/ GaAs 电池效率已从 14 提高至 20 , 电池面积从 1 cm 1 cm 提高至 2 cm 4 cm , 从单片研制发展到 50～ 100 片 / 炉 , 已达到空间实用化水平。 90 年代中期 , 国内开始采用 MOCVD 技术研制 GaAs 电池。 “九五 “ 期间主要研制单结 GaAs 电池 , 其中单结 GaAs/ GaAs 电池最高效率达到 21 AM0 , 单结 GaAs/ Ge 电池达到 20 AM0 。 “ 十五 “初期 , 单结 GaAs/ Ge 电池进入批产 , 批产平均效率达到 18. 5 ～ 19. 0 AM0 。同时开始采用 MOCVD 技术研制多结 GaAs 电池。目前双结 Ga InP/ GaAs 电池最高效率已达到 23. 5 AM0 , 三结 Ga InP/ GaAs/ Ge 电池的研究处于起步状态。在 1988 年 9 月发射的 FY21A 星上 , 进行了我国首次 GaAs 电池的卫星标定试验。试验用 20 mm 20 mm 0. 3 mm 单结 GaAs 电池 , 直接安装在卫星的太阳方阵帆板上 , 利用卫星的高精度遥测系统测量了短路电流 I sc 和温度 , 电池标定误差为 0. 24 。在 1990 年 9 月发射的 FY21B 星上 , 进行了 4 W 组合件的电功率输出试验。试验用 54 片太阳电池 2 并 27 串组合件 , 直接安装在卫星的太阳帆板上 , 与其处于同一工作状态。 经分析计算遥测数据 , 得到在空间标准条件下组合件输出功率为 4. 17 W 最大为 4. 5 W , 对应的光电转换效率为 16. 37 最大为 17. 61 。在轨运行期间 , 组合件性能稳定 , 工作正常。 2001 年 1 月发射的 “神舟 3 号 “ 飞船和 2002 年 5 月发射的 “ 海洋 21“卫星上 , 进行了单结GaAs 电池的搭载试验。 “ 十五 “ 末期 , 国内将在各种卫星上大规模应用单结 GaAs/ Ge 电池。4.GaAs 太阳电池国内现状GaAs太阳能电池应用研究一是制备费用高居不下，据文献报道，砷化镓晶片的制备费用约为 10000/m2，比常规的硅晶电池相比高出不少， 当然， 这是几方面的因素造成的， 一方面， 由于镓元素在全球的储量不多，大概在两百万吨左右（中国约占一半），而且开采难度大（一般为铝土矿的伴生矿），在当今号召降低高耗能投资的要求下（电解铝项目得到严格控制），短期内要扩大粗镓的生产比较难。 另一方面， 由于半导体材料对纯度的要求很高， 对半导体用镓的要求达到 6 7 个 9，目前世界上掌握这样提纯技术的国家仅有美国、 德国和日本少数几个， 由于技术的垄断， 对扩大再生产构成限制， 总体上增加了制备费用。二是砷化镓的另一个组分砷有毒， 对于环境安全和生产工人自身身体安全都是一个不小的威胁， 在没有得到有力技术保证的前提下， 一般的企业也不愿往这方面投产。第三， 目前的砷化镓电池由于自身物理因素的限制 （脆性） ， 一般制成带衬底的薄膜电池， 需要构造隧道结和防止形成寄生的 p/n 结， 这增加了技术的难度。第四， 由于砷化镓电池的高转化率， 常把其制成高聚光电池， 当然， 这一方面可以缩小耗材， 对于降低成本有利， 但是也存在需要追日跟踪系统的问题， 而且由于各地区的日照条件不一样据了解，目前对追日跟踪系统的要求也不一样，也增加系统的复杂度和实施的难度。第五， 国内市场这几年的注意力都集中在多晶硅市场， 而且是进行的是一种90以上原料依赖进口， 90以上产品依赖出口的一种模式， 没有把注意力集中到本土化光伏发电推广， 长此以往， 整个光伏产业会缺乏动力需求， 这对砷化镓电池产业的发展来说也是不利的。第六， 对于产业化来说， 民众认可是很重要的， 这些年来， 对于砷化镓光伏电池，民众认知度不够，媒介和研究机构的宣传推广工作有些不力。第七是国家政策， 政府政策支持在光伏产业方面比较宏观， 目前还没有做到对光伏电池行业进行分类别对待，支持产业发展，在成本竞争不具备优势的情况下，政策支持的不力使砷化镓产业化推进缓慢。以上这些原因的综合出现，对砷化镓电池产业的发展造成了障碍。GaAs太阳能电池应用研究5.GaAs 太阳电池的前景5.1 、高效率多结 GaAs 太阳电池改进多结 GaAs 太阳电池的结构和制备工艺 , 提高电池的光电转换效率 三结Ga0. 5 In0. 5 P/ GaAs/Ge 太阳电池突破 32 , 四结 GaAs 太阳电池突破 35 ,扩大批产能力 年产量大于 10 MW , 大幅提高空间太阳电池方阵的面积比功率、质量比功率和应用寿命 , 降低太阳电池阵的成本。 Si 和 GaAs 电池性能和成本的比较如表 2 所示。5. 2、 GaAs 薄膜太阳电池GaAs 电池质量大、费用高 , 利用 GaAs 材料对阳光吸收系数大的特点 , 可制成薄膜型 厚度 5～ 10μ m 。 就空间应用而言 , 薄膜化可大大减轻太阳方阵质量 ,从而提高电池的质量比功率 由 120 W/kg 提高到 600 W/ kg 以上 。 80～ 90 年代 , GaAs 薄膜电池的最高效率虽已达到 22 , 但由于制备技术难度很大 , 且大面积薄膜的移植和组装非常困难 , 因此 , 其空间应用受到较大的限制。 随着大面积GaAs薄膜电池的均匀性、剥离、移植、组装及配套柔性帆板等方面研究的深入 ,预期在未来 5～ 10 a 内 , 高效率大面积 GaAs 薄膜电池将逐步应用于空间。5. 3、聚光太阳电池采用聚光器是目前空间光伏界的趋势之一。 空间聚光阵列具有更高的抗辐射性能、更低的费用和更高的效率 , 并可减少电池批产的资金投入。多结 GaAs 太阳电池因其高效率、 高电压 低电流 和高温特性好等优点 , 而被广泛用于聚光系统。目前高效率三结 Ga0. 5 In0. 5 P/ GaAs/ Ge 聚光电池的最高效率已达到34 AM1. 5 ,210 太阳常数 , 批产效率已达到 28 AM1. 5 ,100 ～ 300 太阳常数 。聚光太阳电池大部分用于地面系统 , 空间应用的进展缓慢。主要的难题GaAs太阳能电池应用研究是对日跟踪机构非常复杂 , 空间散热非常困难。目前少部分用于空间的聚光太阳电池 , 聚光倍数均较低 , 成本相应较高。GaAs 聚光电池发展的重点是 提高光电转换效率 40 和批产能力 年批产大于 300 MW , 大幅降低成本 ; 提高抗辐射能力 ; 改善聚光器性能 研制空间实用的高效轻质聚光太阳电池帆板 , 提高太阳能的利用率 , 减小太阳电池阵的质量 ; 改善散热系统性能 , 显著提高聚光系统效率。未来 20 a , 美国 NASA 将在航天飞行器的空间主电源中大量使用聚光砷化镓太阳电池。6. 设想和建议应密切跟踪国外 GaAs 电池最新技术 , 研制高效率单结、双结、三结和四结GaAs 电池。具体设想为 ,2002 ～ 2005 年 批量研制单结 GaAs/ Ge 电池 , 批产平均效率达到 19 ;国内高低轨道卫星的主电源应用单结 GaAs/ Ge 太阳电池 , 并积极开拓国外市场 ; 研制三结 Ga InP/ GaAs/ Ge 太阳电池 , 最高效率≥ 27 , 小批量平均效率 23 ～ 24 。 2006～ 2010 年 改进三结 Ga InP/ GaAs/ Ge 电池结构设计和工艺技术 , 最高效率≥ 30 ;三结 Ga InP/ GaAs/ Ge 电池批量研制能力达到每年大于 50 kW , 批量平均效率 26 ; 三结 Ga InP/ GaAs/ Ge 太阳电池逐步应用于国内航天飞行器 , 并逐步开拓国外市场 ; 研制四结太阳电池 , 转换效率≥32 。 2011～ 2015 年 提高三结 Ga InP/ GaAs/ Ge 太阳电池批量研制能力 每年大于 200 kW , 批量平均效率达到 28 ～ 29 ;三结 Ga InP/ GaAs/ Ge 太阳电池大批量应用于国内外空间飞行器 ; 提高四结太阳电池性能 , 转换效率≥36 , 小批量研制平均效率 30 。GaAs太阳能电池应用研究参考文献[1] 张忠卫 陆剑峰 池卫英 王亮兴 陈鸣波 . 砷化镓太阳电池技术的进展与前景 [J]. 上海航天 ,2003333-38. 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