新能源材料第12讲讲解

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1、12.1 空间环境对太阳电池的要求 12.2 砷化镓基系对太阳电池的特性 12.3 单结GaAs基系太阳电池 12.4 多结叠层GaAs基系太阳电池 12.5 InP基系太阳电池 12.6 -族化合物太阳电池的新概念 12 -族化合物太阳电池材料 12.1 空间环境对太阳电池的要求 在地球大气层外空间环境中工作的太阳电池的工 作原理与地面应用的太阳电池一样。它们都是基于 半导体pn结的光生伏特效应，将太阳能直接转化为 电能。空间环境对太阳电池的要求，大体包括以下 四个方面。 1）高的AM0能量转换效率 空间太阳电池在地球大气层外工作，在近地球轨 道上所经受的太阳辐照的平均强度基本是常数。通 常

2、称为AM0辐照，其光谱分布接近5800K黑体辐射 谱，强度为1353mW/cm2。 太阳电池面积和转换效率的关系如图： 2）抗辐射性能要好 空间太阳电池在地球大气层外受到高能荷电 粒子（主要是离化的氢原子电子荷质子）的 辐照，引起电池性能的退化。 3）要有宽的工作温度范围 在空间环境中，温度通常在 100之间变 化。在一些特定的发射中，还要求更高的工作 温度。 4）可靠性要好 空间发射任务对可靠性的要求是不言自明的 。 12.2 砷化镓基系对太阳电池的特性 砷化镓是一种典型的-族化合物半 导体材料，具有与硅相似的闪锌矿晶体结 构，不同的是Ga和As原子交替占位GaAs 具有直接能带隙，带隙宽度

3、1.42eV（300K ）。GaAs还具有很高的光发射效率和光 吸收系数，已成为当今电子领域的基础材 料，在光生伏特太阳电池领域扮演重要的 角色。 1）光吸收系数 GaAs的光吸收系数（a），在光子超过 其带隙宽度后剧升到104cm-1以上 ，下图 2）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 池材料所需的能隙范围。 3）温度系数 太阳电池的效率随温度升高而下降。主 要原因是电池的开路电压随温度的升高而 下降；电池的短路电流则对温度不敏感， 随温度升高还略有上升。下图所示： 4）抗辐照性能 GaAs电池具有较好的抗辐照性能。抗辐照性 能好是直接带隙化合物半导体材料的共同特征

4、 。下图： 5）异质衬底电池和叠层电池材料 GaAs材料的另一个特点是易于获得晶 格匹配或光谱匹配，或兼而有之的异质衬 底电池和叠层电池材料。 6）先进的工艺手段 GaAs太阳电池的研制工艺得益于光电 子技术的长足发展。 12.3 单结GaAs基系太阳电池 随着空间科学和技术的发展，对空间电源 提出了更高的要求。本节将分别介绍各类单结 GaAs基系电池的研究和发展概况。 12.3.1 LPE GaAs太阳电池 GaAs的液相外延（LPE）技术是利用Ca 的饱和母液于缓慢降温过程中在GaAs衬底上析 出饱和基质，实现材料的外延生长。这一技术 简单、毒性小，而且外延层是在近似热平衡条 件下生长的，

5、所以材料质量很好。液相外延生 长系统的结构如下图： LPE法制备GaAs太阳电池的主要问题是 GaAs的表面复合速率高。下图给出了常 规LPE GaAs电池的结构图和能带示意图 ： LEP方法的主要缺点是，难以实现多层复杂 结构的生长，也难以精确控制层厚。 12.3.2 MOVPE GaAs/Ge太阳电池 同LPE相比较，金属有机气相外延 （ MOVPE ）设备昂贵、技术复杂，但可 以实现异质外延生长，有潜力获得更高的 太阳电池转换效率。 MOVPE生长系统的结构示意图如下： 下图为GaAs/Ge电池的结构示意图： 12.3.3 超薄GaAs太阳电池 GaAs太阳电池，无论生长在GaAs 还是

6、Ge衬底上，都比Si电池重。然而， GaAs是直接间隙材料，光吸收系数打，有 源层厚度只需3m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 m左右的有源层，从而制 成超薄GaAs电池，这样可以获得很高的单 位质量比功率输出。 12.4 多结叠层GaAs基系太阳电池 材料组分单一构成的太阳电池，只能 吸收和转换特定光谱范围的阳光，利用不 同带隙宽度Eg的材料做成太阳电池，按 Eg的大小叠合起来，选择性的吸收和转化 太阳光谱的不同子域，就可能提高电池的 转换效率，如下图所示： 12.4.1 Al0.37Ga0.63As/GaAs双结叠层电池 在光电子技术领域，对A

7、lGaAs合 金材料及AlGaAs/GaAs异质结构进行深入 研究；在光伏电池领域， Al0.37Ga0.63As/GaAs层作为GaAs电池的窗 口层也已普遍被采用。如图为 Al0.37Ga0.63As/GaAs双结叠层电池的示意图 ： 12.4.2 Ga0.5In0.5P/GaAs多结叠层电池 Ga0.5In0.5P是另一种宽带隙的与GaAs晶格 匹配的系统。 1） Ga0.5In0.5P/GaAs双结叠层电池的研究 1990年，Olson等人报道在GaAs（p型）衬底 上生长了小面积（0.25cm2）Ga0.5In0.5P/GaAs双 结叠层电池，AM1.5效率达27.3。 1994年，

8、 Olson等人继续改进电池结构。同 样条件下，其AM1.5和AM0效率分别达到29.5% 和25.7%。电池结构如下图： 1997年，日本能源公司Takamoto等人 曾报道，他们在GaAs衬底上研制了大面积 （4cm2）InGaP/GaAs双结叠层电池， AM1.5效率达到30.28，电池结构如下图 ： 2） Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge叠层电池的开发 在Olson小组工作基础上，美国能源部光伏中 心在1995年提出了GaInP/GaAs电池的产业计划 。 3）GaInP/GaInNAs/Ge四结叠层电池的设计 为了获得四结叠层电池的理论效率，分别计 算各电池的I-V曲线，然后串

9、联连接如图： 作者认为，虽然四结电池的特性对温度 和太阳光谱变化颇为敏感，然而四结电池 带来的性能改进毕竟更多。 4）Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge叠层电池在空间系 统中的应用 1997年发射一颗卫星，对电池的电学性 能、抗辐照性能及力学性能进行了全面的 评价，完全达到空间质量的要求和卫星的 要求。 12.4.3 GaAs/GaSb叠层电池 GaAs同窄带隙材料GaSb构成的叠层电 池，可以扩展对太阳光谱近红外波段的吸 收和转换。最近，用Zn气相扩散制备 GaSb电池，经机械叠加后构成如图： 12.5 InP基系太阳电池 InP也是直接带隙半导体材料，对太阳 光谱最强的可见光和近红外线

10、波段也有很 大的光吸收系数，所以InP电池的有源厚 度也只需3m左右。 InP太阳电池更引人注目的特点是它的 抗辐照能力强，不仅远优于硅电池，也远 优于砷化镓电池如下图所示： 12.5.1 InP/Si异质外延单结太阳电池 图12-18显示的InP电池是生长在Si衬底 上的。 因为InP材料价格昂贵容易破碎，所以 近年来着重发展在Si、Ge或GaAs衬底上 生InP异质外延电池。 在Si上异质外延生长InP电池，无论n /p还是p/n电池结构，都采用n（100） Si衬底。下表例举了n/p结构的一些参数 。 12.5.2 InP/InGaAs叠层电池 InP与晶格匹配的窄带隙材料InGaAs

11、（Eg0.74eV）构成叠层电池，可以扩展 对太阳光谱长波的吸收和转换。 近年来NREL的Wanlass等在 InP/InGaAs单片双端叠层电池研制方面取 得较大进展。 12.6 -族化合物太阳电池的新概念 12.6.1 多量子阱太阳电池 含多量子阱的p-i(MQW)-n型太阳电 池的能带结构如图12-19所示： 电池的基质材料和垒层材料具有较宽的带隙Eb ；阱层材料具有较窄的有效带隙Ea。Ea值的大小 由阱层量子限制能级的基态决定。 光电流密度： JD=JD-JSC J=Ae-Eb/T(e e/nT1) 式中：暗电流密度JD为标准的肖克来形式； Eb 为垒层带隙，控制着暗饱和电流密度的大小

12、； 和n为理想因子，A为比例常数依赖于器件结构 。 短路电流密度为： JSC=QeN（ Ea ） 式中：Q为量子效率；N（ Ea ）为单位时 间（s）单位面积上入射的能量大于阱层 带隙Ea的光子数目。 开路电压VOC可表示为 eVOC=nEb/Tln（A/JSC） p-i（MQW）-n型电池的优化设计 p-i（MQW）-n型电池的实验研究 12.6.2 光子再循环效应 在直接带隙半导体中，当有载流子注 入时辐射复合是占支配地位的复合过程。 这种循环过程增加了表现的辐射复合寿命 ，称为光子再循环效应。 12.6.3 新窗口层材料ZnSe 近年来，Yater等人提出ZnSe作为GaAs 电池窗口材料。ZnSe的晶格常数为0.567nm 。它的带隙宽度为2.67eV，能大大降低对高 能光子的吸收，如图12-22所示： 而且ZnSe作为GaAs的能带补偿主要发生在 价带边（EV1.27eV），如图12-23所 示。 12.6.4 Ga0.5In0.5P/GaAs叠层聚光电池的地面 应用 Ga0.5In0.5P/GaAs叠层聚光电池应用 在地面上的关键因数是在于光伏系统的成 本。即Ga0.5In0.5P/GaAs电池的高效率等特 性是否导致整个光伏系统成本的下降。地 面聚光系统可能具有这种潜能。 本章完 ！