砷化镓太阳能电池研究报告材五第三组.pdf

砷化镓太阳能电池研究报告摘要： 美国的阿尔塔设备公司使用外延层剥离技术， 用砷化镓制造出了最高转化效率达 28.4%的薄膜太阳能电池。这种电池不仅打破了此前的转化效率，其成本也低于其他太阳能电池。 该太阳能电池效率提升的关键并非是让其吸收更多光子而是让其释放出更多光子， 未来用砷化镓制造的太阳能电池有望突破能效转化记录的极限。 目前效率最高的商用太阳能电池由单晶硅圆制造， 最高转化效率为 23%。砷化镓虽然比硅贵，但其收集光子的效率更高。就性价比而言，砷化镓是制造太阳能电池的理想材料。1. 砷化镓结构及光电性能砷化镓属于Ⅲ－Ⅴ族化合物， 是一种重要的半导体材料， 化学式 GaAs， 分子量 144.63 ， 属闪锌矿型晶格结构， 晶格常数 5.65 × 10-10m， 熔点 1237℃。 在 300 K时，砷化镓材料禁带宽度为 1.42 eV ，如图 1。图 1砷化镓能带结构简图砷化镓在自然条件下的结晶态通常具有两种晶体结构： 闪锌矿结构或正斜方晶结构。 其中． 正斜方晶结构的 GaAs只能在高压下获得， 闪锌矿结构是室温下 GaAs的最稳定构型。闪锌矿的晶体构如图 2所示。图 2 砷化镓晶体闪锌矿结构闪锌矿的 GaAs晶体结构属立方晶系 F43m空间群，晶格常数 a=O 56535nm．配位数 Z=4。 如图 2所示的 GaAs结构是立方面心格子， Ga2+位于立方面心的结点位置．As交错地分布于立方体内的 l ／ 8小立方体的中心，每个 Ga2+周围有 4个 As与之成键．同样，每个 As2-。周围有 4个 Ga2+，阴阳离子的配位数都是 4。如果将 As2-看成是作立方紧密堆积， 则 Ga2+充填于 l ／ 2的四面体空隙。 而正斜方晶结构在高压下才能获得， 在温度为 300K时， 随着压强的增加， GaAs发生从闪锌矿结构 GaAs到正斜方晶 GaAs． II 的相变。图 3 砷化镓能带结构图砷化镓是典型的直接跃迁型能带结构， 其能带结构如图 3 所示。 砷化镓的价带极大值位于布里渊区中心 k＝ O处； 导带极小值也位于 k＝ 0 的逊， 等能面为球面。 在＜ 111＞和 （ 100） 方向布里渊区边界 L 和 X 处还各有一个极小值。 室温下，DL和 X三个极小值与价带顶的能量差分别为 1.424 eV ， 1.708 eV 和 1.900eV。对于直接带隙半导体材料，当入射光子能量； hv≥ Eg 时，能发生强烈的本征吸收。这就意味着进入材料内的光子很快会被吸收，电子吸收光子受到激发，直接竖直跃迁进入导带。 这种电子的直接跃迁， 跃迁几率相当高， 因而直接带隙半导体材料具有较高的电光转换效率， 适合于制作半导体发光及其他光电子器件，当然也为其成为性能优良的太阳能电池创造了条件。 砷化镓的禁带宽度远大于锗的 0.67 eV 和硅的 1.12 eV ，因此，砷化镓器件可以工作在较高的温度下和承受较大的功率。砷化镓（ GaAs）材料与传统的硅半导体材料相比，它具电子迁移率高、禁带宽度大、 直接带隙、 消耗功率低等特性， 电子迁移率约为硅材料的 5.7 倍。 同时，也可加入其它元素改变其能带结构使其产生光电效应， 从而制做砷化镓太阳能电池。此外，砷化镓的能隙与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，所以，与硅太阳电池相比， GaAs太阳电池具有较好的性能2. 砷化镓太阳能电池介绍2.1. 单多节太阳能电池介绍2.1.1 ．单结 GaAs 太阳电池（ 1）单结 GaAs/ GaAs 太阳电池20 世纪 70～ 80 年代 , 以 GaAs 单晶为衬底的单结 GaAs/ GaAs 太阳电池研制基本采用 L PE 技术生长 , 最高效率达到 21 %。此外 , 国外也用 MOCVD 技术研制 GaAs/ GaAs 太阳电池 , 美国生产的 GaAs/ GaAs 太阳电池 , 批产的平均效率达到了 17. 5 % 。（ 2 单结 GaAs/ Ge 太阳电池为克服 GaAs太阳电池单晶材料成本高、 机械强度较差 , 不符合空间电源低成本、 高可靠要求等缺点 ,1983 年起逐步采用 Ge 单晶替代 GaAs 制备单结 GaAs 电池。 GaAs/ Ge 太阳电池的特点是 : 具有 GaAs/ GaAs 电池的高效率、抗辐照和耐高温等优点 ,Ge 单晶机械强度高 , 可制备大面积薄型电池 , 且单晶价格约为GaAs 的 30 %。单结 GaAs 电池结构 : 2.1.2. 多节 GaAs太阳能电池单结 GaAs 电池只能吸收特定光谱的太阳光 , 其转换效率不高。不同禁带宽度的Ⅲ 2 Ⅴ族材料制备的多结 GaAs 电池 , 按禁带宽度大小叠合 ,分别选择性吸收和转换太阳光谱的不同子域 , 可大幅度提高太阳电池的光电转换效率。理论计算表明 : 双结 GaAs 太阳电池的极限效率为 30 % , 三结 GaAs 太阳电池的极限效率为 38 % , 四结 GaAs 太阳电池的极限效率为 41 %。多结太阳电池光谱吸收原理如图 2 所示。20 世纪 80 年代中期 , 国外逐步开始研制高效率多结叠层电池。 多结叠层电池效率高、温度系数低、抗辐射能力强 , 其空间应用更具吸引力。（ 1）双结 GaAs 太阳电池双结 GaAs 太阳电池是由两种不同禁带宽度的材料制成的子电池 , 通过隧穿结串接起来。双结电池主要吸收太阳光谱的短波段和长波段。2.2. 砷化镓太阳能电池特点（与硅比较）2.2.1. 优点：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。 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%。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) 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) 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。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 、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。2.2.2. 缺点：a) 砷化镓的光吸收限是陡的，因为是直接跃迁材料，因而光生载流子的大部分在光照表面的微米区内并且因砷化镓中少子扩散长度非常短。 因此电池的上表面层需要非常薄，并需用网状上电极来降低接触电阻。b) 砷化镓电池的表面复合速度， 高达百万至千万厘米每秒， 为提高收集效率带来的复杂的工艺。c) 砷化镓的比重是 5.31 ，而硅的比重是 2.33 ，对同样厚度的电池在比功率上，砷化镓电池显然较差d) 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。e）砷化镓的一个组分砷有毒，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。2.3. 砷化镓太阳能电池的优化a) 阳极减反射膜：用 GaAs外延片作阳极，铂片作阴极，在一定的电解质溶液中外加直流电压，在样品的表面形成一种氧化铝和氧化砷的混合物，厚度为 750~780 埃。它除了有减反射外，还用来钝化表面 , 减少表面复合 , 改善光谱响应 , 提高光电转换效能。b). 针对砷化镓表面复合速率很大，现多采用异质结或异质界面电池，在晶格界面复合速率降低，交界合金层可控制重掺杂，降低接触电阻，c) 针对砷化镓原料的相对缺乏， 因砷化镓太阳能电池很适用于聚光型系统而得到弥补。如此一来，对于一定给定的功率输出而言，所需的材料减少；同时砷化镓是直接带隙半导体，进入材料的光很快会被吸收，因此， 吸收层只需几微米厚即可，进一步减少了材料的需求。d) 针对砷化镓的脆性，目前常把其制成薄膜，并使用衬底（常为 Ge[锗 ] ）， Ge 单晶机械强度高 , 可制备大面积薄型电池 , 且单晶价格约为 GaAs 的 30 %。e) 针对砷化镓材料质量重价格高的缺陷， 基于其对阳光吸收系数大的特点， 可制成薄膜电池， 这样可以大大减轻太阳方阵的重量， 从而大大提高太阳电池的重量比功率。2.4. 砷化镓太阳能电池发展方向2.3.1. 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 , 扩大批产能力 , 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。2.3.2. 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) 。可大大减轻太阳方阵质量 , 从而提高电池的质量比功率。2.3.3. 聚光太阳电池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。总之， 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 年预计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。三 . 结论GaAs 太阳能电池作为新一代高性能长寿命空间电源，必将逐步取代目前广泛使用的硅电池， 在空间光伏领域占据主导地位。 我国航天事业的飞速发展迫切需要高性能， 长寿命的空间主电源。 目前我国在砷化镓电池领域与国外先进水平差距较大， 必须尽快研制， 重点发展三节以上的高效率太阳能电池以及聚光薄膜太阳能电池。