热壁外延HWE在导电玻璃上生长GaAs薄膜

1、热壁外延HWE在导电玻璃上生长 GaAs薄膜引言目前，太阳电池应用最大的障碍就是成本高，世界商品 化生产的太阳电池主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅电池。其 中非晶硅电池成本较低，但功率衰减严重，性能不够稳定， 至今未能很好解决。单晶硅和多晶硅电池的转换效率高、性 能稳定、工艺比较成熟，但因所用的单晶硅和多晶硅均为间 接带隙材料，对光的吸收系数较低，需要较大的厚度才能有 效吸收太阳光， 材料的费用相对较高， 成本难以大幅度降低。以国产单晶硅太阳电池在昆明地区 （太阳能辐射资源中偏上）发电为例，按系统价45元/Wp计算，寿命20年，其发电成本为1.45元/kWh，与昆明市电价 0.4元/kWh相比，

2、成本仍然过高，加之建成太阳能发电站的初期投资大，这便 成为地面推广应用的巨大障碍。本文主要阐述 GaAs薄膜太阳电池的利用前景和利用HWE方法在导电玻璃上生长 GaAs薄膜取得的成果。1 薄膜太阳电池的现状国际上目前相 对成熟的 多晶薄膜太 阳 电池主要有CdS/CulnSe2和CdS/CdTe薄膜太阳电池。其中前者的实验室光电转换效率达 18%，后者的转换效率达 16%1 。目前均有 小规模的实验生产。 商品太阳电池的效率一般为 8% 1 0%。Cds/CulnSe2 薄膜太阳电池一般采用多元真空蒸发工艺制 备，工艺较为复杂，成品率不很高。CdS/CdTe薄膜太阳电池 效率最高的是采用近距离

3、升华 ( close-spaced sublimation ) 法制备 2 ，该太阳电池存在的主要问题是大规模采用后， Cd的环境污染需要解决。2 光伏电池所面临的问题和提出的解决方案 低成本、长寿命光伏电池需解决的关键科学问题：首先 是研制能稳定获得高效率且低成本的半导体材料；其次，能 用低成本的工艺路线生产这种光伏电池。 经研究， 我们认为： 单晶和多晶薄膜 GaAs 材料加上低成本的光伏电池生产工艺 路线能满足这两点要求，这是由于：a) GaAs的禁带宽度在 1.424ev(300k)3，能与太阳光 较好地匹配，相应也就有好的高温工作特性和高的光电转换 效率(目前单晶GaAs太阳电池光电

4、转换效率已达到25%叠 层太阳电池转换效率达 30%)；b) GaAs为直接带隙跃迁半导体材料，吸收系数大，5艸的厚度即可吸收 95%以上的可利用太阳光，因而可以作为薄 膜太阳电池，大幅度降低材料成本。与目前的GaAs电池相比，其材料成本可降低 100 倍；c) 单晶或多晶GaAs薄膜电池，其抗辐照性能好、寿命 长，稳定性有可靠的保证。虽然GaAs材料的价格昂贵，但对于GaAs薄膜太阳电池，由于 GaAs 层很薄，所以需材料很少，价格并不高。例如制 成 GaAs/Si 叠层太阳电池，组件成本可大幅度下降，是一种 很有希望的廉价太阳电池。 美国能源部目前已经将高效 GaAs 叠层太阳电池列为地面

5、应用太阳电池的关键技术之一来进 行攻关。3 GaAs/Glass 的利用前景 对于空间用太阳电池，要求其具有高的效率，轻的重量 和高的抗辐射能力。为了获得高效率，川-V族材料的串连结构如在GaAs或Ge衬底上生长的外延层已经 被采用。太阳电池用这些川-V族半导体材料比用 Si半导体 材料有更好的抗辐射力。 为了进一步提高抗辐射能力使用时 必需在裸电池表面贴耐辐射的石英玻璃盖片。 但总的结果将 大大增加太阳电池的总重量。空间用太阳电池现在已经达到商业应用阶段而不是初 期的科学或军用阶段。降低空间用太阳电池的成本就成了最 重要的问题。因此空间太阳电池除了上面所提及的要求外还 应该是低成本的。然而，

6、目前的GaAs单晶半导体材料是很贵的。加之，很厚的衬底通常对于光伏效应是多余的，因为 川-V族半导体对太阳辐射波长有相对高的吸收系数，几微 米的厚度对一个太阳电池就足够了。直接在掺铈的耐辐射的石英玻璃盖片上生长川-V族半导体薄膜电池将有望实现所有的要求。 这也推进了下面的情 况：不使用造价高的半导体衬底；这种结构成减轻了所用太 阳电池的整体。此外，这种积成工艺会大大降低太阳电池板 成本。4 HWE生长GaAs薄膜的意义 目前，国外采用金属有机化学气相沉积（MOCVD、） 液相外延（LPE）和分子束外延（MBE生长技术，已经在 Si衬 底表面制成高质量单晶 GaAs薄膜，采用多层结构可以进一 步

7、提高转换效率，例如 1988 年美国研制成的高效叠层多结 太阳电池，转换效率高达 40%，德国夫朗和费实验室制作的 叠层 GaAs/Si 太阳电池光电转换效率已达到 36%（ AMO,300K）。 此外，利用化学束外延（CBE在低温条件下，已经可以在 玻璃衬底上生长 GaAs多晶薄膜材料。云南师范大学太阳能研究所则利用热壁外延（HWE的方法在导电玻璃上直接生长 GaAs薄膜。经电子探针（EPMA、 X射线衍射（XRD）、Raman散射光谱（RSS和荧光光谱（PL） 分析其结构特性、电学特性和光学特性，结果表明所制薄膜 表面致密均匀、呈绒面结构，晶粒尺寸较大。薄膜的衍射峰 符合标准光谱分布、半宽高仅为80nm为高质量结晶薄膜，因此采用HWE生长的GaAs薄膜有好的结构特征结晶质量， 适