GaAs太阳能电池要点

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0.4eV~4eV之间，总体来说，理想太阳能电池材料需要具备：能带在1.1eV~1.7eV之间(对应光波长范围0.73~1.13μm)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LPEGaAs及MOVPEGaAs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。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，图1GaAs基太阳能电池分类图2机械叠层式多结电池(左)和单片式多结电池(右)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，首先制造锗电池以及单独的引出端，然后将GaAs子电池集成在该锗电池之上，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GaInP/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]。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的简称厂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技术晶片厚度尺寸重量SpectralabGaInP2/GaAs/GeImprovedTripleJunction26.8%22.5%GeMOVPE140μm31cm284mg/cm2GaInP2/GaAs/GeUltraTripleJunction28.3%24.3%GeMOVPE140μm32cm284mg/cm2GaInP2/GaAs/GeNextTripleJunction29.9%26.6%GeMOVPE140μm60cm284mg/cm2EmcoreInGaP/GaAs/Ge3rdGenerationTriple-Junction29.5%GeMOCVD140μm≈32cm284mg/cm2AzurspaceGaInP2/GaAs/Ge30%class30%GeMOVPE150±20μm30.18cm2≤86mg/cm2GaInP2/GaAs/Ge28%class28%GeMOVPE150±20μm30.18cm2≤86mg/cm2GaInP2/GaAs/Ge27%class27%GeMOVPE150±20μm30.18cm2≤86mg/cm2福建三安是目前国内GaAs基太阳能电池生产的领跑者，其聚光光伏发电系统采用GaInP/GaAs/Ge多结太阳能电池，主要采用MOCVD技术在Ge衬底上进行外延层的生长。并对GaAs/Ge多结太阳能电池外延片生长的一系列基础关键技术进行了研究，包括：解决非极性－极性外延问题,在Ge衬底上成功外延生长GaAs；抑制GaAs-Ge界面可能出现的“活性结”；外延结构设计，并探索各外延层的厚度、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关系。GaAs/Ge多结太阳能电池外延片生长的批生产技术，包括均匀性、重复性、产能、成品率等批量生产工艺研究。整个太阳电池制作过程包括电池结构的设计、各层电池材料的外延生长和电池的后续工艺制作三个最基本环节，然后是太阳能电池性能测试，并根据相关性能进行结构及生长条件的优化。一．GaAs太阳能电池的制作多结太阳能电池的结构设计以及外延材料的生长是电池制备中非常重要的环节，国内对这方面的研究单位主要有中国科学院西安光学精密机械研究所，四川大学，上海交通大学等，目前武汉光电国家实验室也在进行相关的研究，外延材料的生长主要采用MOCVD技术，多结电池结构多采用GaInP2/GaAs/Ge级联式。1．GaAs太阳能电池结构设计及外延生长以GaInP2/GaAs双结电池为例进行分析，电池由宽禁带的顶电池、隧道结和窄禁带的底电池三部分依次串联而成，如图3所示。顶电池用于吸收太阳光谱中的短波部分、低电池用于吸收太阳光谱中的长波部分，隧道结用于对各子电池进行电流匹配。图3和图4所示的是美国NREL先后开发的光电转换效率分别是27.3%(AM1.5)和29.5%(AM1.5)GaInP2/GaAs级联电池。这两种都是用MOCVD法生长，III族元素气源是TMIn，TMGa，TMAI，V族元素气源是AsH3，PH3，掺杂剂是DEZn和H2Se。图3的电池其生长温度Tg=700℃，GaInP2(AlInP2,)的生长速率是80-100nm/min,V/III是30；GaAs(AlGaAs)120-150nm/minV/III是35。GaAs隧道结生长速率40nm/min。该电池的两个子电池的基区掺杂水平是2×1017cm-3。发射层、窗口层Se掺杂水平是1018cm-3，而GaAs隧道结的掺杂浓度是1019cm-3左右。级联电池的短路电流JSC=13.6mA/cm2，开路电压VOC=2.29V，填充因子FF=0.87，电池面积是0.25cm2，顶电池带宽Eg=1.85eV。图3.NREL公司GaInP2/GaAs双结太阳能电池图4电池生长工艺与图3相似。该电池的参量JSC=16.4mA/cm2，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AlInP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H2Se,DEZn为掺杂剂。GaInP2生长速率为2.5μm/h。GaAs底电池包括p+-InGaPBSF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+-GaInPBSF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双异质结构使GaInP隧道结的峰值电流密度从5mA/cm2，增加到400mA/cm2。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图4.NREL公司改进型GaInP2/GaAs双结太阳能电池结构参数JSC=14.22mA/cm2，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。根据以上分析可知，GaAs多结太阳能电池的结构设计主要包括GaInP2顶电池、GaAs电池，以及隧道结的设计，相对于GaAs衬底材料，Ge具有更低的成本，更高的机械强度，且可以极大地提高太阳能光谱的利用率。如果采用Ge衬底，需引入Ge底电池以实现三结电池的制备，则还需要考虑Ge电池的设计以及GaAs/Ge界面的控制。图5.GaInP2/GaAs双结太阳能电池图6.三结GaAs太阳能电池对太阳光谱的利用率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