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1、第三章 高效lll一V族化合物太阳电池引言引言 周期表中lll族元素与V族元素形成的化合物简称为lll-V族化合物。lll-V族化合物是继锗(Ge)和硅(Si)材料以后发展起来的半导体材料。由于lll族元素与V族元素有许多种组合可能，因而lll-V族化合物材料的种类繁多。其中最主要的是砷化稼(GaAs)及其相关化合物，称为GaAs基系lll-V族化合物，其次是以磷化锢(InP)和相关化合物组成的InP基系lll-V族化合物。但近年来在高效叠层电池的研制中，人们普遍采用3元和4元的lll-V族化合物作为各个子电池材料，如GaInP、AlGaInP、InGaAs、GaInNAs等材料，这就把GaA
2、s和InP两个基系的材料结合在一起了。以GaAs为代表的lll-V族化合物材料有许多优点，例如。它们大多具有直接带隙的能带结构，光吸收系数大，还具有良好的抗辐射性能和较小的温度系数，因而GaAs材料特别适合于制备高效率、空间用太阳电池。GaAS太阳电池，无论是单结电池还是多结叠层电池所获得的转换效率都是至今所有种类太阳电池中最高的(见表1)。2006年底，美国Spectrolab公司(光谱实验室)己研制出效率高达40.7%的三结聚光GalnP/GaInAs/Ge叠层太阳电池。2009年1月16日德国弗朗和费太阳能研究所宣布，他们已研制出效率高达41.1%的GalnP/GaInAs/Ge叠层太阳
3、电池。图4.1示出了他们研制出的效率高达41.1%的太阳电池的照片，图4.2给出了该太阳电池的光照I-V曲线。第一节第一节llll-V族化合物材料及太阳电池的特点族化合物材料及太阳电池的特点lll一V族化合物半导体材料中最具代表性的是GaAs材料。GaAs材料的研究始于20世纪50年代。60年代初，发现GaAs具有独特的发光特性，并研制出了GaAs红外激光器。60年代末，国外开始了GaAs太阳电池的研究。由于GaAs材料具有许多优良的性质，GaAs太阳电池的效率提高很快，迅速超过了其他各种材料制备的太阳电池的效率。几十年来，随着光电子技术产业的迅速发展，GaAs材料和器件的研究已日趋成熟。本小
4、节将介绍GaAs材料和GaAs太阳电池的性质和特点。GaAs是一种典型的lll一V族化合物半导体材料。GaAs的晶格结构与硅相似，属于闪锌矿晶体结构;与硅不同的是，Ga原子和As原子交替地占位于沿体对角线位移1/4(111)的各个面心立方的格点上。与Si材料相比较，GaAs材料具有以下优点:(1)GaAs具有直接带隙能带结构，其带隙宽度Eg=1.42eV(300K)，处于太阳电池材料所要求的最佳带隙宽度范围。目前GaAs单结太阳电池以及与其他相关材料组成的叠层电池所获得的效率是所有类型太阳电池中最高的。表4.2列出了2008年各类太阳电池及小组件效率的认证结果，表4.3列出了2008年各类聚光
5、太阳电池及小组件效率的认证结果阂。从表4.2和表4.3看出，无论是Ga As单结电池，还是GaInP/GaAs两结叠层电池，以及GalnP/GaAs/Ge三结叠层电池的效率都是所有种类太阳电池中最高的。而且只有GalnP/GaAs、两结叠层电池，以及GalnP/GaAs/Ge三结叠层电池的效率超过了30%。聚光GalnP/GaAs/Ge三结叠层电池的效率达到了40.7%。(2)由于GaAs材料具有直接带隙结构，因而它的光吸收系数大。GaAs的光吸收系数，在光子能量超过其带隙宽度后，剧升到104cm-1以上，如图4.3所示。经计算，当光子能量大于其Eg的太阳光进人GaAs后，仅经过1m左右的厚度
6、，其光强因本征吸收激发光生电子一空穴对便衰减到原值的1/e左右，这里e为自然对数的底，经过3m以后，95%以上的这一光谱段的阳光已被GaAs吸收。所以，GaAs太阳电池的有源区厚度多选取在3m左右。这一点与具有间接能带隙的Si材料不同。Si的光吸收系数在光子能量大于其带隙宽度(Eg=1.12)后是缓慢上升的，在太阳光谱很强的可见光区域，它的吸收系数都比GaAs的小一个数量级以上。因此，Si材料需要厚达数十甚至上百微米才能充分吸收太阳光，而GaAs太阳电池的有源层厚度只有3-5m(3)GaAs基系太阳电池具有较强的抗辐照性能。辐照实验结果表明，经过1Mev高能电子辐照，即使其剂量达到11015c
7、m-2之后，GaAs基系太阳电池的能量转换效率仍能保持原值的75%以上，而先进的高效空间Si太阳电池在经受同样辐照的条件下，其转换效率只能保持其原值的66%。对于高能质子辐照的情形，两者的差异尤为明显。以低地球轨道的商业卫星发射为例，对于初期效率分别为18%和13.8%的GaAs电池和Si电池，初始两效率之比为1:1.3。然而经低地球轨道运行的质子辐照后，其终期效率(EOL效率)将分别下降为14.9%和10.0%，此时GaAs电池的效率为Si电池的1.5倍。图4.4示出了各类太阳电池在1MeV电子辐照后效率衰退与辐照剂量的关系曲线。图4.5示出了各类太阳电池在1M eV,11015cm-2电子
8、辐照后效率衰退与光吸收系数的关系曲线。从图4.4和图4.5看出，大多数lll一V族化合物太阳电池的抗辐照性能都好于Si太阳电池，抗辐照性能最好的是InP太阳电池。ll一Vl族化合物太阳电池，如CulnSe太阳电池的抗辐照性能超过了InP太阳电池，是抗辐照性能最好的太阳电池。(4)CaAS太阳电池的温度系数较小，能在较高的温度下正常工作。太阳电池的效率随温度的升高而下降，这主要是由于电池的开路电压随温度升高而下降的缘故;而电池的短路电流随温度升高还略有增加。在较宽的温度范围内，电池效率随温度的变化近似是线性关系，GaAs电池效率的温度系数约为-0.23%/，而Si电池效率的温度系数约为-0.48
9、%/。GaAs电池效率随温度升高的降低比较缓慢，因而可以工作在更高的温度范围。例如，当温度升高到200，GaAs，电池效率下降近50%，而硅电池效率下降近75%。这是因为GaAs的带隙较宽，要在较高的温度下才会产生明显的载流子的本征激发，因而GaAs材料的暗电流随温度的提高增长较慢，这就使与暗电流有关的GaAs太阳电池的开路压减小较慢，因而效率降低较慢。GaAS基系太阳电池的上述优点正好符合空间环境对太阳电池的要求:效率高、抗辐照性能好、耐高温、可靠性好。因此，GaAs基系太阳电他在空间科学领域正逐渐取代Si太阳电池，成为空间能源的重要组成部分。GaAs基系太阳电他也有其固有的缺点，主要有以下
10、几方面:Ga As材料的密度较大(5.32g/cm3)，为Si材料密度(2.33g/cm3)的两倍多;GaAs材料的机械强度较弱，易碎;GaAs材料价格昂贵，约为Si材料价格的10倍。所以，GaAs基系太阳电池的效率尽管很高，但因有这些缺点,多年来一直得不到广泛应用，特别是在地面领域的应用微乎其微。InP基系太阳电池的抗辐照性能比GaAs基系太阳电池还好，但转换效率略低，而且InP材料的价格比GaAS材料更贵.所以，长期以来对单结InP太阳电池的研究和应用较少。但在叠层电池的研究开展以后，InP基系材料得到了广泛的应用。用InGaP三元化合物制备的电池与GaAs电池相结合，作为两结和三结叠层电
11、池的顶电池具有特殊的优越性。GaInP/GaInAs/Ge三结叠层聚光电池已获得了高达40.7%的效率，并在空间能源领域获得了日益广泛的应用。第二节第二节llll-V族化合物太阳电池的制备方法族化合物太阳电池的制备方法1、液相外延技术 在lll-V族化合物太阳电池研究初期，人们普遍采用液相外延(LPE)技术来制备GaAs及其他相关化合物太阳电池，获得了效率高于20%的GaAs太阳电池。现以GaAs材料的生长为例简单介绍LPE技术的原理。金属Ga与高纯GaAs多晶或单晶材料在高温下(约800)形成饱和溶液(称为母液)，然后缓慢降温，在降温过程中母液与GaAs单晶衬底接触;由于温度降低，母液变为过
12、饱和溶液，多余的GaAs溶质在GaAs单晶衬底上析出，沿着衬底晶格取向外延生长出新的GaAs单晶层。LPE是一种近似热平衡条件下的外延生长技术，因而生长出的外延层的晶格完整性很好;另外，由于在外延生长过程中杂质在固/液界面存在分凝效应，所以生长出的GaAs外延层的纯度很高。选择适当的掺杂剂，很容易在LPE-GaAs外延生长中实现n型或p型掺杂。n型掺杂剂通常采用Sn（锡）、Te（碲）、S i等IV族或VI族元素;而p型渗杂剂通常采用Zn、Mg等ll族元素。外延层的掺杂浓度的控制通过调节渗杂剂与母液的克原子比和生长温度来实现.外延层的厚度由生长温度和生长的降温范围决定。液相外延生长系统的结构如图
13、4.6所示。系统由外延炉、石英反应管、石墨生长舟、氢气发生器以及真空机组组成。中国科学院半导体所曾在20世纪80年代初期利用LPE法生长出了高纯度、高完整性的GaAs外延材料。其室温和低温(77K)电子迁移率分别高达到9000cm2/(V.s)和195000cm2/(V.s)，本征载流子浓度低达1 1013cm-3，达到世界先进水平。LPE技术的优点是设备简单，价格便宜，生长工艺也相对简单、安全，毒性较小。LPE技术的缺点主要是难以实现多层复杂结构的生长。因为液相外延生长受相图和溶解度等因素的限制，有许多异质结构不能用LPE技术生长出来。例如，很难在Si衬底上和Ge衬底上外延GaAs。因为Si
14、或Ge在Ga母液中的溶解度非常大，在外延生长的高温下，Si或Ge衬底几乎完全被Ga母液溶解，因而不能实现GaAs/Si,GaAs/Ge的外延生长。即便换成Sn作母液，情况改善也不多。其次，LPE生长的外延层的厚度不能精确控制，厚度均匀性较差，小于1m的薄外延层生长困难;另外，LPE外延片的表面形貌不够平整。由于LPE技术的上述缺点，近10年来已逐渐被MOCVD技术和MBE技术所取代。但国外的一些研究小组仍然坚持用LPE技术研制聚光GaAs太阳电池，取得了很好的成果。2、金属有机化学气相沉积技术 金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术，也称金属有机气相外延MOVPE)技术，是目前研究和生产lll
15、-V族化合物太阳电池的主要技术手段。它的工作原理是在真空腔体中用携带气体H2通入三钾基稼(TMGa)、三钾基铝（TMAl）、三钾基铟(TMIn)等金属有机化合物气体和砷烷(AsH3)、磷烷PH3)等氢化物.在适当的温度条件下，这些气体进行多种化学反应，生成GaAs、GaInP、AlInP等lll一V族化合物，并在GaAs衬底或Ge衬底上沉积，实现外延生长。n型掺杂剂为硅烷（SiH4），P型掺杂剂采用二乙基锌(DEZn)或CCl4、MOCVD生长系统的结构示意图如图4.7所示:同LPE技术相比较，MOCVD技术的设备和气源材料的价格昂贵，技术复杂，而且这种气相外延生长使用的各种气源，包括各种金属
16、有机化合物以及砷烷(AsH3)磷烷(PH3)等氢化物都是剧毒气体，因而MOCVD技术具有一定的危险性。但是MOCVD技术在材料生长方面有一些突出的优点。例如，用 MOCVD技术生长出的外延片表面光亮，各层的厚度均匀。浓度可控，因而研制出的太阳电池效率高，成品率也高。用MOCVD技术容易实现异质外延生长,可生长出各种复杂的太阳电池结构，因而有潜力获得更高的太阳电池转换效率。因为在同一次MOCVO生长过程中，只需通过气源的变换，便可以生长出不同成分的多层复杂结构，增大了电池设计的灵活性，使多结叠层电池结构的生长成为可能。而且近年来，各MOCVD设备生产厂家已对设备进行了改进，实现了一炉多片生长，扩
17、大了MOCVD设备的生产规模，因而可大大降低生产成本。MOCVD一般采用低压生长，生长系统要求有严格的气密性，以防止这些剧毒气体泄漏，同时避免系统被漏进的氧和水汽等沾污。MOCVD的生长参数包括气体压力、气体流速、V/lll气体比率、生长温度以及Ga，或Ge衬底的晶体取向等。3、分子束外延技术 分子束外延(MBE)技术是另一种先进的lll-V族化合物材料生长技术。它已经有三十几年的发展历史。MBE技术的工作原理与真空蒸发镀膜技术的原理是相似的，只是MBE技术要求的真空度比真空蒸发镀膜技术要高得多，但其蒸发的速率则慢得多。MBE技术的工作原理是，在一个超高真空的腔体中(Eg2Eg3，按顺序、以串
18、接的方式将这三种材料连续制备出3个子电池，如是形成由这3个子电池构成的叠层电池。带隙Eg1子电池在最上面称为顶电池)，带隙为Eg2的子电池在中间(称为中电池)。带隙为Eg3的子电池在最下面(称为底电池);顶电池吸收和转换太阳光谱中hEg1部分的光子，中电池吸收和转换太阳光谱中Eg1 hEg2部分的光子，而底电池吸收和转换太阳光谱中Eg2 hEg3部分的光子;也就是说，太阳光谱被分成3段，分别被3个子电池吸收并转换成电能。很显然，这种三结叠层电池对太阳光的吸收和转换比任何一个带隙为Eg1，或Eg2，或Eg3的单结电池有效得多.因而它可大幅度地提高太阳电池的转换效率。根据叠层电池的原理，构成叠层电
19、池的子电池的数目愈多，叠层电池可望达到的效率愈高。Henry对叠层电池的效率与子电池的数目的关系进行了理论计算，在地面光谱，1个光强的条件下，他计算出了1个、2个、3个和36个子电池组成的单结和多结叠层电池的极限效率分别为30%、50%、56%和72%。从Henry的计算结果看出，两结叠层电池比单结电池的极限效率要高很多，而当子电池的数目继续增加时，效率提高的幅度变缓，三结叠层电池比两结叠层电池的极限效率只提高了6%，而四结叠层电池的极限效率比三结叠层电池的极限效率只提高了12%，另外，从实验的角度考虑，制备四结，五结以上的叠层电池是十分困难的，各子电他材料的选择和生长工艺都将变得非常复杂，这
20、势必影响到材料和器件的质量，因而给太阳电池的性能造成不利影响。这样反而降低了太阳电池的转换效率。因此，有人对于四结以上的多结叠层电池的实用性表示怀疑。实际上，目前三结叠层电池获得的效率最高，由于工艺的复杂性，四结、五结和六结叠层电池的效率，目前反而都比三结叠层电池获得的效率要低一些。叠层电池按输出方式可分为两端器件、三端器件和四端器件，以两结叠层电池为例来说明这几种结构的区别。两端器件是指叠层电池只有上、下两个输出端，即只有上电极和下电极，与单结电池的输出方式相同，如图(4.12a)所示;三端器件的意思是除了上、下两个电极外，在两个子电池之间还有一个中间电极，如图4.12b所示，中间电极既是顶
21、电池的下电极，也是底电池的上电极，顶电池通过上电极和中电极向外输出电能，而底电池通过中电极和底电极向外输出电能;四端器件的意思是顶电池和底电池各有自己的上、下两个电极。分别向外输出电能，互不影响，如图4.12(c)所示。两端器件中的两个子电池在光学和电学意义上都是串联的，而三端器件和四端器件中的两个子电池在光学意义上是串联的，而在电学意义上是相互独立的。三端器件和四端器件中的两个子电池的极性不要求一致，可以不同(如顶电池为p/n结构，而底电池可以为p/n结构，也可以是n/p结构);此外，三端器件和四端器件对两个子电池的电流和电压没有限制，计算叠层电池的效率时，先分别计算两个子电池的效率，然后把
22、两个效率相加，便得到了叠层电池的总效率。两端器件中的两个子电池属于串联连接，对其有许多限制。首先要求两个子电池的极性相同，即都是p/n结构或都是n/p结构;此外，要求两个子电池的短路电流尽可能接近，这样整个叠层电池才能获得最大的短路电流，否则，短路电流几将受子电池中最小的短路电流的限制，这就将影响叠层电池效率的提高。因为在串联的两端器件结构中，叠层电池的开路电压Voc等于各子电池的开路电压之和。两端叠层电池器件，即单片多结叠层电池，虽然存在上述的一些限制，使它的制备工艺过程比单结电池复杂得多，但因为它能大幅度地提高太阳电池效率，而且它组成太阳电池组件的工艺过程简单，与单结太阳电池组成太阳电池组
23、件的工艺过程几乎相同，因而受到广泛重视，近十年来获得了飞速的发展，成为lll-V族太阳电池研究和应用的主流。三端和四端的叠层电池器件，虽然对子电池的限制较少，也能获得高效率，但因器件工艺复杂，而且在实际应用中需要复杂的外电路，通过各种串，并联实现电压和电流的匹配，因此实用价值较差、近年来对这类叠层电池器件的研究报道已不多。我们将重点介绍单片多结叠层电池的研究历史和发展现状。1、AIGaAs/GaAs叠层电池叠层电池 在前面已经介绍过，在GaAs单结太阳电池的研究过程中，应用 AIGaAs作为GaAs太阳电池的窗口层材料，对GaAs单结太阳电池效率的提高起到了重要作用。因而人们在开始研究叠层电池
24、时，自然首先想到应用AIGaAs作为与GaAs太阳电池相匹配的顶电池材料，因而AIGaAs/GaAs系列结构是最早进行研究的叠层电池结构。1988年，B.Chung等用MOCVD技术生长了AIGaAs/GaAs双结叠层电池，其AM0和AM1.5效率分别达到22.3%和23.9%，电池面积为0.5cm2。他们遇到的困难首先是如何生长高质量的AIGaAs层，其次是如何实现上下电池之间的电学串联连接。他们未能实现隧道结连接，而是采用了复杂的电极制作工艺。正由于这些困难的存在，以后长期没有人在这个方向取得新的进展。日本NTT电子通讯实验室采用MBE技术研制隧道结连接的AI0.4Ga0.6As/GaAs
25、叠层电池，获得了成功。1987年他们研制的AI0.4Ga0.6As/GaAs叠层电池的效率达到了20%。此后的十几年，相关报道很少。直到2001年，他们采用MOCVD技术AI0.36Ga0.64As/GaAs得了显著成果。他们采用pp-n-n结构的AI0.36Ga0.64As顶电池，和n+-Al0.15Ga0.85As/p+-GaAs隧道结连接顶电池和pn结构的GaAs底电池，研制出了效率达到27.6%的叠层电池。2005年Ken Takahashi等又报道了新的研究结果，他们在AlxGa1-xAs顶电池的生长过程中采用Se代替Si作为n型掺杂剂，提高AlxGa1-xAs层的少子寿命.因而提高
26、了AlxGa1-xAs顶电池的短路电流密度Jsc;此外，他们又采用GaAs隧道结连接顶电池和底电池，只是用C代替Zn作为p型掺杂剂，减少了隧道结内部P型杂质的扩散，提高了隧道结的峰值电流密度，因而减小了隧道结的电学损失。经过这些改进，Ken Takahashi等研制的AlxGa1-xAs/GaAs叠层电池的效率提高到28.85%(AMI.5，25)，这是迄今为止AIGaAs/GaAs叠层电池的最高效率。图4.14示出了效率为28.85%的叠层电池结构。但是Ken Takahashi等承认，与InGaP/GaAs叠层电池结构相比较而言，AIGaAs/GaAs的界面复合速率要高许多，这导致AIGa
27、AS/GaAs叠层电池的短路电流密度比InGaP/GaAs叠层电池的小。效率为2 8.85%AIGaAS/GaAs叠层电池的短路电流密度为13.34mA/cm2，而高效率InGaP/GaAs叠层电池的短路电流密度都大于14mA/cm2。这一不足是影响AIGaAS/GaAs叠层电池效率提高的主要障碍。2、GaInP/GaAs叠层电池叠层电池 美国国家可再生能源实验室(NREL)的J.M.Olson等在20世纪80年代末提出了一种新的叠层电池结构，Ga1-xInxP/GaAs叠层电池结构。Ga0.5In0.5P是另一种宽带隙的与GaAs材料晶格匹配的材料。J.M.Olson等比较了Ga0.5In0
28、.5P/GaAs与另外两个晶格匹配系统Al0.4Ga0.6As/GaAs和Al0.5Ga0.5As/GaAs的界面质量，根据光致发光衰减时间常数推算，Ga0.5In0.5P/GaAs界面的复合速率最低，约为1.5cm/s;而Al0.4Ga0.6As/GaAs和Al0.5Ga0.5As/GaAs的界面复合速率(上限)分别为200cm/s和900 cm/s。显然，Ga0.5In0.5P/GaAs界面质量最好。J.M.Olson指出，这可能是由于GaInP/GaAs界面比较清洁，而AlGaAs/GaAs界面可能受到与氧有关的深能级的沾污的结果。同时，J.M.Olson等还对Ga0.5In0.5P的带
29、隙宽度与生长温度和生长速率之间的关系进行了细致的研究，指出在同样组分条件下，Ga0.5In0.5P的Eg可以在1.82ev到1.89ev之间变化，取决于结构的有序程度。在这些工作的基础之上，他们研制出了创记录的GalnP/GaAs叠层电池。1 9 90年，他们报道，在p型GaAs衬底上生长出了小面积(0.25cm2)的高效Ga0.5In0.5P/GaAs双结叠层电池，其AMI.5效率达27.3%。器件用MOCVD技术生长，上下电池之间实现了高电导的GaAs隧道结连接。MOCVD设备是他们自己组装的，lll族源采用三甲基铟(TMIn)、三甲基稼(TMGa),三甲基铝（TMAl）；V族源采用磷烷(
30、PH3)和砷烷As H3);掺杂剂是二乙基锌(DEZn)和硒化氢(H2Se)。衬底托为包SiC的石墨托，垂直向上，采用高频感应加热，反应温度大约7000C。生长磷化物时V/lll=30，生长速率为80-100nm/min;而生长GaAs隧道结时，生长速率为40nm/min。上下电池的基区均为p型，掺Zn，浓度为1017至41017cm-3，发射区和窗口层为n型，掺Se，浓度约1018cm-3，而隧道结掺杂浓度近1019cm-3。上下电极接触均为镀Au、栅线面积大约占全面积5%。抗反射层为MF2/ZnS，层厚分别为1 20 nm和60nm。他们还用白光光电流法研究了Ga0.5In0.5P层的质量
31、，发现少子扩散长度对生长温度和V/lll比不敏感，但密切依赖于Ga0.5In0.5P/GaAs晶格失配度，尤其是其伸张应力，使光电流值明显下降。上电池用AlInP层作为窗口层，改善了电池的兰光响应和短路电流。经计算分析，他们认为上电池偏厚，上下电池的电流不够匹配。1994年,J.M.Olson等报道了他们对Ga0.5In0.5P/GaAs双结叠层电池的进一步改进的结果。同样面积的Ga0.5In0.5P/GaAs双结叠层电池，其AM1.5和AM0效率分别达到29.5%和25.7%。电池的结构和AM1.5光照I-V曲线如图15所示。值得注意的是，考虑到AM0含有更多的紫外成分，AM0效率最佳的电池
32、结构与AM1.5效率最佳的电池结构的区别，仅仅是将上电池基区的厚度从0.6 m减小到0.5m。电池结构的改进，首先是采用了背场结构(BSF)。对于GaAs底电池，背场为0.07m薄层GalnP，p型掺杂浓度为31017cm-3，并且指出，如果降低此浓度将影响开路电压。对于GaInP顶电池，其背场也是采用0.5m的薄层GalnP，但具有较宽的带隙Eg=1.88ev。这一层的组分也是Ga0.5In0.5P，以保持晶格与GaAs匹配。带宽的增加是控制生长速率或生长温度的结果，这得益于Olson等对GaInP层带宽对生长速率和温度之关系的长期细致的研究。第二点改进，是有关栅线的设计，从所占面积5%降为
33、1.9%，而不影响电池的填充因子，这是由于叠层电池的光电流密度近乎减半，同时发射极的薄层电阻又减小到420/口的缘故。第三点改进是，降低了窗口层AlInP中的氧含量，将磷烷纯化或用乙硅烷取代硒化氢作掺杂剂。第四点改进是在隧道结生长过程中减少了掺杂记忆效应，用Se-C取Se-Zn，同时调整降低了砷烷分压。1997年日本能源公司的T.Takamot。等报道了更好的结果。他们在p+G aAs衬底上研制了大面积(4cm2)InGaP/GaAs双结叠层电池，其AM1.5效率达到30.28%。他们所采用的电池结构和I-V特性曲线如图16所示。同Olson等的电池结构相比较，主要的改进之点是用InGaP隧道
34、结取代GaAs隧道结;并且隧道结处于在高掺杂的AlInP层之间，对下电池起窗口层作用，对上电池起背场作用，其结果是提高了开路电压和短路电流;填充因子虽略有下降，而总的效率却有所提高，效率达到30.28%。Olson等在研究提高GaInP/GaAs叠层太阳电池效率的同时，还对GaInP/GaAs叠层太阳电池的抗辐照性能进行了研究。他们发现，GalnP/GaAS叠层太阳电池具有.很好的抗辐照性能，适合于用作空间能源。Kurzt等的实验结果表明，效率为25.7%(AM0)的高效GaInP/GaAs叠层太阳电池，在经过能量为1 Mev，剂量为1015cm-2的电子辐照后，太阳电池仍然具有很高的效率，达
35、到19.6%。这个效率值高于Si太阳电池未经辐照的初始效率(BOL效率)。3、GaInP/GaAs/Ge三结叠层电池的发展三结叠层电池的发展 J.Olson和他的同事们在GalnP/GaAs叠层太阳电池领域所获得的重大成果吸引了空间科学部门和产业界的注意力，这些成果很快被产业化。在产业化的过程中，GaAs衬底被Ge衬底取代。Ge衬底不仅比GaAs衬底便宜，而且因为Ge衬底的机械强度比GaAs衬底强许多，因而Ge衬底的厚度可以大大减薄。生产上使用的Ge衬底的厚度通常为140m。从此以后，GaInP/GaAs/Ge叠层太阳电池结构成为lll一V族太阳电池领域研究和应用的主流。美国能源部光伏中心在1
36、995年9月提出了发展GaInP/GaAs/Ge太阳电池的产业计划。该计划的要点是:到1997年底试生产出16000cm2的GaInP/GaAs/Ge叠层电池组件;电池的批量平均效率为24%(AM0,1个太阳光强)，单块电池面积1 6cm2，电池厚度140m;电池的抗辐照性能与单结GaAs/Ge电池相当，即经过1 Mev剂量为11015/cm2的电子辐照后，其转换效率仍保持原值的75%以上;而叠层电池的生产成本不超过单结GaAs/Ge电池生产成本的15%。这一计划，主要由TECSTAR和Spectrolab两家公司承担。前者主要采用pn/pn/n(Ge)双结叠层电池结构，Ge为无源衬底;后者采
37、用np/np/nP(Ge)三结叠层电池结构，Ge衬底中包含第三个有源np结。小批量试生产的结果，TECSTAR生产的双结叠层电池的批量平均效率为22.4%，最高效率为24.1%;而Spectrolab试生产的三结叠层电池的批量平均效率为24.2%，最高效率为25.5%。前者生产的Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge叠层电池的抗辐照性能和温度系数均与GaAs/Ge电池相当或略优于后者。1998年，美国Spectrolab公司和日本JE公司研制的GaInP/InGaAs/Ge三结叠层电池AM1.5效率达到31.5%。在GaAs中引人1%的In后。使其晶格与Ge衬底更好地匹配。2002年，美国Sp
38、ectrolab公司利用无序GaInP提高了顶电池带隙到1.8 9ev，将GaInP/InGaAs/Ge结叠层电池AM1.5效率提高到32%。计算表明，如果利用更宽带隙的AlInGaP(1.95ev)作为顶电池，可望将AlInGaP/InGaAs/Ge三结叠层电池的效率提高到33%。表4。4列举了近年来GaInP/InGaAs/Ge三结叠层电池的研究和生产的最新进展。国内上海空间电源所和信息产业部天津18所等几家单位从2000年以后开始研制GaInP/GaAs/Ge结叠层电池，最高效率达到28%(AM0，2cm x 4cm)，已开始应用于空间能源系统。4、GaAs/GaSb机械叠层电池机械叠层
39、电池 GaAs/GaSb机械叠层电池是另一类叠层电池。它是由美国的L.M.Fraas首先提出的。这种电池是由GaAs电池和Gasb电池用机械的方法相叠合而成。GaAs顶电池和Gasb底电池在光学上是串联的，而在电学上是相互独立的，用外电路的串并联实现子电池的电压匹配。这类机械叠层电池是四端器件，如图17所示。它们对于子电池的极性不要求相同，也不要求子电池材料的晶格常数匹配。叠层电池的效率简单地等于GaAs顶电池的效率和Gasb底电池的效率之和，因而容易获得高效率。GaAS顶电池是用MOCVD技术生长的，而GaSb底电池是用扩散方法制备的。1990年，L.M.Fraas报道，他们研制的GaAs/
40、Gosb机械叠层电池的效率已达到31%(AM0，100倍太阳光强)，这是当时太阳电池效率的世界记录。后来，俄罗斯约飞技术物理所和德国弗郎和费太阳能系统研究所(ISE)等单位的研究小组也进行了GaAs/GaSb、GaAs/Si等机械叠层电池的研究，也获得了很高的效率。最近，L.M.Fraas等报道了他们在这一领域的新的研究结果。他们把单体结构的GalnP/GaAs两结叠层电池与GaSb电池组成3结机械叠层电池，获得了34%(AM0，15倍太阳光强)的高效率。图17给出GalnP/GaAs/GaSb机械叠层电池的原理(a)和器件结构(b),图中GaSb底电池之间串联连接，GalnP/GaAs叠层顶
41、电池并联连接，以便两组电池的电压相近，可以进行并联输出。但是这类机械叠层电池的器件工艺复杂，顶电池的下电极需做成梳状电极，而且必须与底电池的上电极的图形相同，并严格对准，才能让未被顶电池吸收的红外光透过顶电池，进入底电池。在实际应用时，需通过复杂的电路进行串并联，实现电压匹配。机械叠层电池存在上述的缺点使它们不太适宜于空间应用，也许将来可应用于地面聚光电池领域。三、三、GaAs基系多结叠层太阳电池基系多结叠层太阳电池 太阳能是人类取之不尽，用之不竭的能源。因而太阳电池发电被认为是解决人类社会能源危机的重要手段之一。可是太阳能具有分散性，在地面单位面积上可接收到的太阳能密度不是很大。在标准的AM
42、1.5条件下，每平方米地面接收到的最大的太阳能量为1000W/m2，。但由于天空中总是存在云、雾等物质，太阳光在到达地面之前已被吸收了一部分，实际上在最好的天气条件下，地面上每平方米面积上接收到的太阳能只有约850W/m2。太阳能的这一特点为太阳电池的大规模应用造成了困难。解决这一困难的有一个途经是采用聚光太阳电池。本节介绍lll一V族聚光太阳电池的工作原理，研究成果和应用现状。聚光太阳电池的原理是，用凸透镜或抛物面镜把太阳光的光强聚焦到几倍，几十倍，或几百倍，甚至上千倍太阳光强，然后投射到太阳电池上。这时太阳电池因接受能量的增加产生的电功率亦会相应增加。可能产生出相应倍数的电功率吗?最终增加
43、的电功率会达到多少、它又与什么因素有关呢?已知在理想情况下，太阳电池的短路电流几应当与人射光强成正比，而开路电压Voc应当随光强的对数而增加，因此与在一个太阳光强下工作的普通平板型太阳电池相比较，聚光型太阳电池不仅能产生出高达数十倍，甚至数百倍的电能，而且，聚光太阳电池的效率也比普通平板型太阳电池的效率有所提高。实际上，近两年报道的高效率lll一V族太阳电池的效率数据，包括40.7%的最高效率都是在聚光条件下获得的。然而，实际的太阳电池器件具有一定的等效串联电阻和热效应，因此对可容许的最大聚光倍数存在着一定的限制。超过这一聚光限度，太阳电池的输出功率将不再增加，而且会过度发热，导致效率下降。与
44、普通平板型太阳电池相比较而言，它的优势是在产出相同电能情况下，聚光太阳电池所需要的半导体材料大大减少，这就使太阳电池的成本大大降低;虽然增加了聚光系统，但是采用成熟的费涅尔透镜聚光系统或抛物面镜聚光系统，其成本相对半导体材料(尤其是lll-V族化合物材料的成本，还是比较低的，因此综合比较，聚光太阳电池系统的成本比普通平板型太阳电池系统的成本在一定条件下要降低许多。lll一V族化合物太阳电池比Si太限电池耐高温，因而更适合于做成聚光太阳电池。图4.18示出了聚光太阳电池系统的价格与聚光度的关系。从图中清楚地看出，随着聚光度的增加，系统的成本不断降低，聚光度大于100以后，系统成本降低至1美元以下
45、。这为降低lll一V族化合物太阳电池系统的成本找到了一条可行之路，使lll一V族化合物太阳电池实现大规模地面应用成为可能。俄罗斯约飞技术物理所和德国弗郎和费太阳能系统研究所(ISE)在lll一V族聚光太阳电池的研究和应用方面做了许多工作，取得了很好的成果。他们不仅提高了lll一V族聚光太阳电池的效率，还研制出了多种聚光系统，包括菲涅尔透镜点聚光式太阳电池系统、线聚光式太阳电池系统。近年来，美国NREI的科学家也开展了聚光lll一V族叠层太阳电池的研究，取得了可喜的进展，他们预言，聚光lll一V族叠层太阳电池的成本将会降至0.3美元/W。如果能达到这一目标，建立大规模的聚光Ill一V族叠层太阳电
46、池发电站将成为可能。最近一两年，不少太阳电池生产的大公司，如日本Sharp公司，也开展了lll一V族聚光太阳电池系统的开发和生产。这些大公司的加入，无疑将加快lll一V族聚光太阳电池系统的研制和应用的步伐。图4.19示出了一个抛物面镜聚光太阳电池系统，而图4.20示出了一个菲涅尔透镜聚光太阳电池系统。四、薄膜型四、薄膜型lll-V族太阳电池族太阳电池以GaAs太阳电池为代表的lll一V族太阳电池有一个共同的缺点，即材料密度大，重量重。因而它们的效率尽管很高，但功率质量比并不高，比非晶硅(a-Si)，CdTe，CulnSe等薄膜太阳电池的功率质量比要低许多。GaAs太阳电池的功率质量比大于300
47、w/kg，而生长在柔性衬底上的a-Si的功率质量比可高于1000W/kg。GaAs太阳电池的这一缺点限制了它的空间应用范围。为了克服这一缺点，从20世纪80年代开始科学家们开始研制薄膜型(超薄型)GaAs太阳电池。采用的技术多为剥离技术。这一技术的特点是，在太阳电池制备完成后，把它的正面粘贴到玻璃或塑料膜上，然后采用选择腐蚀方法把GaAs衬底剥离掉，只将约3m厚的电池有源层转移到金属膜上。这样一来便获得了柔性薄膜型(超薄型)GaAs太阳电池。剥离下来的GaAs衬底可重复使用。近年来，日本Sharp公司在这一领域获得了突破性进展。在2005年10月在上海举办的PVSEC-15(第15届国际光伏科
48、学与工程会议)会议上。Sharp公司展出了他们研制的效率高达28.5%(AM1.5)的柔性薄膜型(超薄型)GaInP/GaAs两结叠层电池，其功率质量比为2631W/Kg。这是迄今为止获得的最高功率质量比。而且，这种超薄型太阳电池的抗辐照性能好，背面金属膜可增加光反射，使电池有源层可减薄到1m。这一成果将为扩大lll-V族太阳电池的空间应用范围和减低成本开辟有效途径。美国NREL的M.Wanlass等2006年第四届WCPEC(第四届世界光伏大会)会上报道，他们在GaAs衬底上用反向生长和剥离技术研制出了超薄型的GaInP/GaAs/GaInAs三结叠层电池。其中，上、中、下三个子电池的带隙宽
49、度近似于理想值，分别为1.9ev,1.4ev和1.0ev。其子电池窗口层分别为n型的AlInP、GaInP、GaInP。为解决GaAs与GaInAs之间的晶格失配问题，采用了GaInP组分渐变缓冲层结构。在AMI.5光谱，10.1倍太阳光强下，该电池获得了37.9.%的高效率，图4.22和图4.23分别示出了这个三结叠层电池的结构图和光照I-V特性曲线。第四节第四节llll-V族化合物太阳电池的研究热点族化合物太阳电池的研究热点 近几年来国际上在份V族太阳电池领域的研究非常活跃，研究范围广泛，进展迅速。当前lll-V族化合物太阳电池的研究热点大致包括以下几个方面:更多结(三结以上)叠层电池的研
50、究;聚光型m一V族太阳电池研究;超薄型(薄膜型)lll一V族太阳电池研究;量子阱、量子点太阳电池研究;热光伏(TPV)太阳电池研究;分光谱叠层太阳电池研究等。其中有些内容已在本章前面的有关小节中论述过了，例如，聚光型m一V族太阳电池和超薄型(薄膜型)班一V族太阳电池的研究，本节就不再重复，本节着重介绍其余的4部分内容。1、更多结叠层电池的研究、更多结叠层电池的研究 在前面已经介绍了叠层电池的工作原理。三结叠层电池即是把太阳光谱分为3段分别分配给3个子电池来吸收，顶电池、中电池和底电池分别吸收太阳光谱的短波部分、中波部分和长波部分。虽然三结叠层电池对太阳光谱的吸收范围比单结电池充分得多，但由于分