光伏物理与光伏材料课件-第四章 高效III-V族化合物太阳能电池

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1、光伏物理与光伏材料 山东大学光学高等研究中心李永富2014 4 10 第四章高效III V族化合物太阳能电池 光伏的能源应用 课号课序号0123312910 100 III V族材料的特性 1 III V族材料的生长技术 2 III V族太阳能电池的发展历程 3 III V族太阳能电池研究热点 4 III V族太阳能电池设计考虑因素 5 III V族化合物包括磷化铝 AlP 砷化铝 AlAs 锑化铝 AlSb 磷化镓 GaP 砷化镓 GaAs 锑化镓 GaSb 氮化铟 InN 砷化铟 InAs 等化合物及化合物组合 固溶体化合物 III V族化合物优点 硅为间接带隙半导体 几乎所有的 V族化合

2、物为直接带隙半导体 这两者的差别在于 当电子从价带激发到导带时 除了能量的改变之外 具有间接带隙的硅会同时发生晶体动量的改变 但具有直接带隙的 V族化合物不会发生晶体动量的改变 这使得 V族化合物在许多微电子的应用上比硅具有更佳的特性 III V族化合物优点 III V族化合物的带隙宽 而且使用三元或四元的混合III V族化合物 如InGaP AlGaAs GaInNAs GaNAs等 更能使带隙的设计的变化更大一些常见半导体材料的晶格常数与带隙 在不同材料之间的连接线 表示结合不同比例的这两种材料所形成的三元或四元化合物的带隙大小 III V族化合物与Si相比的优点 太阳电池的理论转换效率与

3、半导体的能隙大小有关 一般最佳的太阳电池测量的能隙为1 4 1 5eV之间 所以能隙为1 43eV的GaAs及1 35eV的InP会比1 1eV的硅更适合用在高效率的太阳电池上 利用各种 V族化合物所形成的多结太阳电池可增加被吸收波长的范围 更可达到高效率化的目的 III V族化合物与Si相比的优点 硅是间接带隙材料 对于光的吸收系数较小 一般需要采用200um以上的厚度 才能吸收到足够的太阳光 而 V族化合物多为直接带隙材料 对于光的吸收较强 仅需要数微米的厚度 就能吸收到足够的太阳光 只要使用薄膜的III V族化合物 就可达到很高的效率 III V族化合物与Si相比的优点 GaAs太阳电池

4、的温度系数较小 能在较高的温度下正常工作 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 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 III V族化合物与Si相比的优点 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1 1015cm 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 以低地球轨道的商业卫星为例 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

5、率之比为1 1 3 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 可制成效率更高的多结叠层太阳电池随着外延技术的日益完善 族三元 四元化合物半导体材料 GaInP AlGaInP GaInAs 的生长技术取得重大突破 为多结叠层太阳电池研制提供了多种可供选择的材料 III V族化合物与Si相比的优点 各种太阳能电池抗辐照特性 III V族太阳电池也有其固有的缺点 主要有以下几方面 GaAs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 易解理 易碎

6、 GaAs材料价格昂贵 约为Si材料价格的10倍 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 材料表面易氧化而形成复合中心 钝化困难 材料生长对设备要求高 制作成本高 III V族化合物材料的缺点 多应用于空间领域 III V族材料的生长技术 2 III V化合物的薄膜生长技术 III V族化合物的薄膜生长技术 主要是利用外延生长法 又可细分为液相外延 有机金属化学气相淀积法 分子束外延等 所谓的外延是指在一晶体上有次序的生长另一层晶体如果衬底与所长的外延层材料相同的话 就叫做同质外延 如果衬底与所长的外延层材料不相同的话

7、就叫做异质外延使用不同的衬底材料会影响所生长的 V族化合物薄膜的电学及光学性能 在生长这些薄膜时要注意的是晶格常数的匹配性 如果衬底与薄膜的晶格常数的差异过大的话 会导致过大的应力和晶格缺陷 例如Ge GaAs AlAs三者间的晶格常数就很接近当衬底与所要长的薄膜的晶格常数差异太大时 可以慢慢调节变化 V族化合物中元素组成比例 来逐步改变晶格常数 III V化合物的薄膜生长技术 液相外延法是由液态物质来长出外延层 在生长GaAs的外延过程 它可借由添加杂质来降低液态物质的熔点 例如GaAs As的熔点比纯GaAs来得低 因此液态物质可以保持在比较低的温度 而不会去把GaAs的衬底熔化掉 慢慢降

8、低溶液的温度 使得化合物因过饱和而在GaAs衬底上析出 因为溶液中的杂质浓度会随着晶体的生长而递增 因此溶液的熔点会递减 所以LPE的温度也要不断调降 以维持外延的生长 III V化合物的薄膜生长技术 MOCVD为有机金属化学气相沉积外延技术 它是在低压下 约60torr 利用有机金属 例如三甲基镓 TMGa 三甲基铝 TMAl 等 与特殊气体 例如砷化氢 AsH3 磷化氢 PH3 等 在反应器内进行化学反应 并使反应物沉积在被加热到600 800 的晶片上 而得到外延片的生产技术 III V化合物的薄膜生长技术 III V族有机金属的来源可为液态 如TMGa TMAl 或固态 如TMIn 它

9、一般储存在气泡室内 并借由传输气体 如H2 将之带入反应室中 利用改变气泡室的温度 可以控制有机金属材料的的气相分压 掺杂物可使用有机金属来源 例如二甲基锌 DMZn 二硅乙烷 Si2H6 DEBe TESn CCl4等 衬底置于一石墨制成的基座上 并以RF线圈或热电阻丝等加热之 使得有机金属分子进行扩散 热解等化学反应 热解后的离子团则于衬底表面进行生长薄膜的生长速率主要是由反应气体流量来控制 MOCVD的化学反应式可由下式表示 III V化合物的薄膜生长技术 III V化合物的薄膜生长技术 分子束外延技术 MBE 是在超高真空状态下 10 10torr 让热原子或热分子束自原料中分离出来

10、然后在基板表面进行反应 而沉积产生外延薄膜的一种技术 由于使用高真空及十分洁净的设备 因此可以用来产生高纯度的外延层 III V化合物的薄膜生长技术 MBE技术的特点 生长温度低 生长速度慢 可生长出极薄的单晶层 甚至可以实现单原子层生长 MBE技术很容易在异质衬底上生长外延层 实现异质结构的生长 MBE技术可严格控制外延层的层厚 组分和掺杂浓度 MBE生长出的外延片的表面形貌好 平整光洁 III V化合物的薄膜生长技术 III V族太阳能电池的发展历程 3 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基单结太阳能电池 GaAs GaAs同质结太阳电池GaAs太阳电池的研究始于20世纪60年

11、代 但初期研究并不顺利 GaAs体单晶材料的质量远比Si体单晶材料的质量差 GaAs是二元化合物 它的问题比单质Si材料的问题复杂得多 因而GaAs体单晶材料无论是纯度还是完整性都远不如Si体单晶材料好 用简单的扩散技术制成的GaAs的p n结性能很差 不能满足器件的要求 在研究初期 人们普遍采用液相外延 LPE 技术来研制GaAs太阳电池 衬底采用GaAs单晶片 生长出的电池为GaAs GaAs同质结太阳电池 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基单结太阳能电池 LPE技术研制GaAs太阳电池时的主要问题 GaAs材料的表面复合速率高GaAs是直接带隙材料 对短波长光子的吸收系数高

12、达105cm 1以上 高能量光子的吸收集中在表面 但许多光生载流子被表面复合中心复合 不能被收集成为太阳电池的电流 高的表面复合速率会大大降低GaAs太阳电池的短路电流Isc GaAs没有像SiO2 Si那样好的表面钝化层 不能用简单的钝化技术来降低GaAs表面复合速率 在GaAs太阳电池研究的初期 电池效率长时间未能超过10 直到1973年 Hovel等提出在GaAS表面生长一薄层AlxGa1 xAs窗口层后 这一困难才得以克服 当x 0 8时 AlxGa1 xAs是间接带隙材料 Eg 2 1ev 对光的吸收很弱 大部分光将透过AlxGa1 xAs层进入到GaAs层中 AlxGa1 xAs层

13、起到了窗口层的作用 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基单结太阳能电池 1995年 西班牙Cuidad大学研制的LPEGaAs太阳电池 在AM1 5 600倍聚光条件下 效率高达25 8 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基单结太阳能电池 LPE GaAs太阳电池在空间能源领域得到了很好的应用 苏联于1986年发射的和平号轨道空间站 上面装备了10kW的AlxGa1 xAs GaAs异质界面太阳电池 单位面积比功率达到180w m2 这些GaAs太阳电池便是用LPE技术生产的 据1994年IEEE光伏会上报道 这些GaAs太阳电池阵列在空间运行8年后输出功率总衰退不超过

14、15 我国首次GaAs电池试验是在1988年9月 当时发射的FY21A卫星的太阳方阵帆板上使用了20mm 20mm 0 3mm单结GaAs电池 2001年1月发射的 神舟3号 飞船和2002年5月发射的 海洋21 卫星上 应用单结GaAs GaAs电池 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基单结太阳能电池 GaAs Ge异质结太阳电池用LPE技术和MOCVD技术在GaAs衬底上生长的GaAs GaAs同质结太阳电池获得了大于20 的高效率 但GaAs材料存在密度大 机械强度差 价格贵等缺点 使GaAs太阳电池的空间应用受到限制 Ge的晶格常数 5 646埃 与GaAs的晶格常数 5

15、653埃 相近 热膨胀系数两者也比较接近 所以容易在Ge衬底上实现GaAs单晶外延生长 Ge衬底比GaAs衬底便宜 而且机械强度高 不易破碎 提高了电池的成品率 近年来 随着多结叠层电池研究的进展 Si衬底上生长GaAs外延层的研究开始出现 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基单结太阳能电池 采用LPE技术实现GaAs Ge异质结构的生长存在困难 而用MOCVD技术和MBE技术则容易实现GaAs Ge异质结构的生长 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基单结太阳能电池 GaAs Ge电池在空间中已获得日益广泛的应用德国的TEMPO数字通信卫星 采用80000片GaAs G

16、e电池 43 43 mm2 片 组成三块太阳电池阵列 电池效率为18 3 美国的两次火星探测发射 火星地表探测者 MGS 两翼共有四块太阳电池阵列 其中 两块用GaAs Ge电池组成 两块用高效Si电池组成 每块太阳电池阵列面积为 1 85 1 7 m2 电池效率18 8 Si电池效率15 火星探路者 1996年在火星上登陆 它的供电系统由三块GaAs Ge电池阵列与可充电银 锌电池组成 超过了预期工作寿命 30天 由于火星灰尘在电池表面的积累 使电池效率每天下降0 28 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基多结叠层太阳能电池 太阳光谱的能量范围很宽 分布在0 4 4eV 而材料的禁带宽度为固定值Eg能量小于Eg的光子无法被吸收 能量大于Eg的光子被太阳电池吸收 激发出高能光生载流子 但高能光生载流子会很快弛豫到能带边 将能量大于Eg的部分传递给晶格 转变为热能浪费掉单结太阳电池效率的提高受到限制解决途径 能充分吸收太阳光谱的电池结构 叠层电池 III V族太阳能电池的发展历程 3 GaAs基多结叠层太阳能电池 叠层电池的原理用具有不同带隙Eg的材料作成多个子太阳电池 然后