GaAs太阳能电池要点

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 0.731.13wm）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 左右，就可

2、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效率并降

3、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

4、只能吸收和转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基太阳能电池分类聚光top cell: gallnp3t li n11 e i j u noli on双层诫反膜电层滤反膜未被ga抬吸 收的长波长光middle cell; gaastunnel junctioncontact图2机械叠层式多结电池（左）和单片式多结

5、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

6、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，首先制造铸电池以及单独的引出端，然后将gaas子电池集成在该铺电池之上，各自分离的引出端可以用来单独提取某个子电池的电流，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gai

7、np/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o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gainp2为三元化合物ga0.51in0.49p的简称j商名称产品规格寿命 初期 转换 效率寿命 末期 转换 效率衬 底外延日 日日斤厚度尺寸重量spectralabgainp2/gaas/ge improved triple junction26.8%22.5%gemovpe140 am231cm284mg/cmgainp2/gaas/ge ultratriplejunct

8、ion28.3%24.3%gemovpe140 am- 232cm2，284mg/cmgainp2/gaas/ge nexttriplejunction29.9%26.6%gemovpe140 am“ 260cmc，284mg/cmemcoreingap/gaas/ge 3rd generation triple-junction29.5%gemocvd140 am“232 cmc，284mg/cmazurspacegainp2/gaas/ge 30% class30%gemovpe150 20 amcc / c230.18cm，286mg/cmgainp2/gaas/ge 28% class

9、28%gemovpe150 20 amcc / c230.18cm，286mg/cmgainp2/gaas/ge 27% class27%gemovpe150 20 amcc / c230.18cm，2(l 86ev)p=l0 5kiii( amo)_0 jiningalnrutev)0 ol ipmgaaspsxlolvcm ic。口 1 t pegaairt-lxlocmse。lumgainp0 1 umgaasn=lxl0lcm se3 5mlgjlas|。07即1gainpznugl-asp=3xl0 em：亿n -subsuate gaasgrrjd0 sm gaasn=6xolcm

10、 (scl窗口层 发射层基区bsf层 隧道结 盲口层 发射层 基区bsf层图4. nrel公司改进型gainprgaas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jsc=16.4ma/ cm 2,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 allnp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

11、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gainp2/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 hse, dezn为掺杂剂。gainp2生长速率为2.5 m/h gaas底电池

12、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，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z勾使gain

13、p隧道结的峰值电流密度从 5ma/cm2,增加到400ma/cm 2。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%, mgf2/zns双层抗反膜在波长400-900nm范围内反射率小于2%。在室温和100mw/cm2,光强下，测得电池的短路电流密度jsc=14.22ma/cm 2,开路电压voc=2.488v ,填充因子ff=0.856,转换效率eff=30.28%，性能良好。auaige/ni/aumftf/ztlsn-ga$ 300nmmlf/zns窗口层 发射区 基区bsf层双异质结构隧道窗口层 发射区 基区 bsf层nr -allnp2 x

14、1 oticm1 (si doped)n-lngap 50nm 23locmj (s) doped)p-lngap 550nm 1 5 lokmfzn。叩cd ijf/ngap 30nm 2 x io,lcm f (zn doped)p-ahnp jonm 21 jocm1 (si doped)plngap i5hitl s x 10t:m1 (zn doped)njngap i5nm i x 10,jcmt (s doped)n*-allnp 50nm 1 10lm1 (si doped)n-gaas loonm doped)p-gaas 3000nm 1 x 10rcm1 (zn dope

15、d)pfngap looflm 2 io|4tm (zn doped)p*.gaa5 joonm 7x iccm1 (zn doped)p-gaas substrate n图7. gainprgaas/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

16、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galnp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。2 . gaas太阳能电池的工艺制备g

17、aas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

18、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

19、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 , ti/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，g甜料多采用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

20、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无氧化物的镀银配方名称含量（克/升）磺基水杨酸100-12

21、0硝酸银10-20醋酸俊20-40氢氧化钾5-10氨水ph值5.5-6.5阴极电流密度（ma/cm2 ）1-4温度（c）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

22、之间的折射率相匹配。目前 国外比较成熟的增透膜体系为tiox/al 2o3双层介质膜体系，国内也采用过mgf2/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

23、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

24、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，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， 镀馍工艺；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

25、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3 .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/cm2,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300m

26、w/cm 2。am1.5和am2 :分别指天顶角为48度和60度时的太阳光，光强是 100mw/cm 2和75mw/cm2。室内最一般的照明光源是荧光灯，其特点是大部分的辐射能量分布在波长400-700纳米的可见光范围。图9荧光灯的光谱如果能够得到与标准太阳光谱一致的并且光照强度又可以任意改变的人工光源当然是最理想的 太阳能电池的测试光源，但是目前而言还是很困难的，只能在某些方面满足要求。现在的标准照明电源主要采用 xe灯光源以及充气鸨灯泡(a光源)等。其余的所谓 b、c、d光源都是由a光源加上不同的光学滤光片组合而成，从而改变了色温度。如果要想得到在太阳光下的电池的转换效率和输出特性，特别是

27、把室外太阳光直接作为测试光 源时，必须注意取光条件以及日照的变化，周围有建筑物时，还要考虑它们的散射光的影响，因而 比较复杂。所以多采用模拟太阳来作为测量用光源。模拟太阳是xe灯和滤光镜的组合。包括短弧氤灯（ xe灯）、反射镜、空气质量滤光器、积分器、石英透镜等装置。石英透镜反射，空气质量流光器图10太阳模拟器的基本组成由氤灯发出的光经过反射镜（蒸铝的凹面镜）而聚焦，接着通过空气质量滤光镜除去氤灯特有的在800-1000nm的光谱，并使整个光谱接近于 am1或am1.5的太阳光。然后利用积分器和石英透镜 形成面分布均匀的平行光，使得在测量平面上的太阳能电池受到均匀模拟太阳光的照射。目前国内 已

28、经有多家单位可提供空气质量滤光镜。用来装置太阳模拟器的电光源通常有以下几种：卤光灯：简易型太阳模拟器常用卤光灯来装置。但卤光灯的色温值在2300k左右，它的光谱和日光相差很远，红外线含量太多，紫外线含量太少。作为廉价的太阳模拟器避免采用昂贵的滤光设 备，通常用3cm厚的水膜来滤除一部分红外线，使它近红外区的光谱适当改善，但却无法补充过少 的紫外线。冷光灯：冷光灯是由卤鸨灯和一种介质膜反射镜构成的组合装置。这种反射镜对红外线几乎是 透明的，而对其余光线却能起良好的反射作用。因此经反射后红外线大大减弱而其它光线却成倍增 加。和卤鸨灯相比，冷光灯的光谱有了大幅度改善，而且避免了非常累赘的水膜滤光装置

29、。因此目 前简易型太阳模拟器多数采用冷光灯。为了使它的色温尽可能的提高些，和冷光罩配合的卤鸨灯常 设计成高色温，可达 3400k，但使它的寿命大大缩短，额定寿命仅50小时。因此需经常更换。氤灯：氤灯的光谱分布从总的情况来看比较接近于日光，但在0.8 pnro.i科此间有红外线，比太阳光大几倍。因此必须用滤光片滤除，现代的精密太阳模拟器几乎都用氤灯作电源，主要原因是光 谱比较接近日光，只要分别加上不同的滤光片即可获得am0或am1.5等不同的太阳光谱。氤灯模拟器的缺点从光学方面来考虑是它的光斑很不均匀，需要有一套复杂的光学积分装置来使光斑均匀。从电路来考虑是它需要一套复杂而比较庞大的电源及起辉装

30、置。总的来说，氤灯模拟器的缺点是装置复杂，价格昂贵，特别是有效辐照面积很难做得很大。脉冲氤灯：脉冲式太阳模拟选用各种脉冲氤灯作为光源，这种光源的特点是能在短时间内发出 比一般光源强若干倍的强光，而且光谱特性比稳态氤灯更接近于日光。由于亮度高通常可放在离太 阳电池较远的位置进行测量，因此改善了辐照均匀性，可得到大面积的均匀光斑。4 .电学性能测试图11太阳能电池的典型电流-电压特性曲线图11所示为太阳能电池的典型电流 -电压特性曲线。太阳能电池可以处于四种状态：无光照；有光照，短路；有光照，开路；有光照，有负载。通常作为电源时，太阳电池处于第四种状态。描述太阳能电池输出特性的主要有(1)开路电压voc； (2)短路电流isc； (3)最佳工作电压vm； (4) 最佳工作电流im； (5)最大输出功率pm； (6)光电转换效率 刀；(7)填充因子ff; ( 8)伏安特 性曲线或伏安特性；(9)短路电流温度系数 %简称电流温度系数；(10)开路电压温度系数 3,简 称电压温度系数；(11)内部串联电阻rs； (12)内部并联电阻rs。通过对光照条件下，太阳能电池伏安特性的测试研究可