锗在空间太阳能电池中的应用胡国元 韩兆忠北京有色金属研究总院,北京,100088)摘要：用锗作为衬底制作的 GaAs/Ge 太阳舱电池,其性能与 G.As/GaA,电池接近,机械强度更高,单片电池面积更大.在空间应用环境下,杭辐封闺值比硅电池高,性能衰退小,其应用成本接近于同样功率的硅电池板,已应用于各型军用卫星和部分商业卫星中,逐步成为主要的空间电源关键词：锗太阳能电池 应用1 引言经过 40 多年的发展,太阳能电池已被证明是各类航天器的非常有效的电源,研究和应用较多的有 Si, GaAs, GaAs 多结,I.P,CIS(C.InSe2) 和 CdTe 电池.直到 8.年代,硅太阳能电池因其技术成熟,性能稳定,一直是主要的空间电源.通过 IBM 最初的尝试和休斯公司,林肯实验室等的努力,人们逐渐认识到 GaAs 太阳能电池是空间电源的新的发展方向.从 80 年代初开始,美国空军资助的 MANTECH 计划和应用太阳能公司的研究表明,GaAs 太阳能电池具有良好的应用特性 W 进步的研究证明了在 Ge 衬底上异质外延 GaAs 制成的 GaAs/Ge 电池具备同样的特性.InP 电池具有优秀的抗辐射能力,但目前制造成本太高.CIS 和 CdTe 薄膜电池转换效率低,仅用于一些特殊要求的电池板.Si 电池技术继续发展,转换效率达 15 纬甚至接近 18%,但其抗辐射能力差使其应用受限,Si 电池将更多地应用于低温低照度条件.n GaAs or Gs 2 GaAs/Ge 电池的结构 GaAs 太阳能电池的结构如图 I 所示[z],主要包含 GaAs 缓冲层,n 型 GaAs 基极,P 型 GaAs 发射极和 AIG.A.窗口,衬底采用 GaAs 或 Ge 片.电池的制备方法早期多采用液相外延.现在基本上采用 MOCVD 法,亦称为 MOVPE 方法.因为锗比砷化稼机械强度高,解理性小,又易得到大尺寸的高质量单晶,用锗取代砷化稼作为太阳电池的衬底,可以生产出较薄的衬底片,减轻电池重量,降低生产成本,增大单片电池面积,目前已大量应用.BACK CONTACT 一一图 I GaAs 太阳电池结构Fig I GaAs solar cell structure锗衬底片选择偏向 1-60 的(100)锗单晶,厚度一般为 200.m,电阻率..005^-0. 4D cm,晶格完整性尽可能好.在 Ge 衬底上进行 GaA,异质外延有两个主要问题,一是晶格缺陷,另一个是反相畴.衬底晶向的偏离可以避免进行 GaAs 异质外延过 w 中出现反相畴现象(APBs),同时减轻由于晶格常数差异引起的外延层中的缺陷,抑制 Ga 的反扩散 C2-q.在 CVD异质外延中采用负压大流量工艺和合适的 m/V 比有助于抑制外延层中位错和层错的产生,冷却速度也对位错密度产生影响 Cs-tl.用等离子氢饨化处理衬底可以降低位错活性,减轻其对太阳电池性能的影响[s.7Bongers 等人尝试在锗衬底上外延 InGaAs 作为对GaAs 晶格失配的过度层 .of,在外延层上位错密度与衬底相比保持不变.双结和三结电池的结构示意图见图 2,底层电池的禁带宽度较窄,能吸收较长波长的光,从而提高电池效率.在电池级间采用重摇杂的隧道结进行欧姆接触,可以避免产生整流效应.3 GaAs/Ge 电池与硅电池的性能比较1991 年以前生产的 GaAs 电池尺寸为 8c.2,以后电池的尺寸逐渐增大到 16c.', 36c.',现在可生产50.60cm2 的 GaAs/Ge 电池,厚度减小到 200140mm,只有其它半导体器件衬底厚度的一半.电池转换效率从 1985 年的 17%增加到"写(AMO,25"C),比硅太阳电池效率高 20 肠-25%,而且输出《功能材料》增刊 1998 10功率随温度增加而减小的幅度只是硅电池的一半.虽发射成本,则选择 GaAs 太阳能电池更加经济.表 1然 GaAs/Ge 电池的成本是硅电池的 8.8 倍,重量是对 1M (EOL )G.As/Ge 电池与硅电池制造和应用过硅电池的 2 倍,但制作同样功率的空间太阳能电他程中的各项指数作一比较,表中未考虑电池板面积减板,GaAs 电池板的面积比硅的小 35 纬,重量减少小导致发射成本的减少 27 吓,而电池板制造成本仅增加 16%[11'.如果考虑到表 1 1kW (EOL)Si,GaAs 电池板比较Table 1 Comparison of 1kW (EOL) Si, GaAs/Ge solar panels电池类型2 X 4crn'单片电池重量9/Ml单片电池成本$ /cell电池数重电池板面积 m2ftkg功率 kW(EOL)电池板成本$M发封到 LEO轨遗成本$M发射到 GEO软道成本$MSiGaAs/Ge:.:::1513312400810011.667. 63::.:::;一:::.::::.:::OAR coaun 口一一 mj 日科 51:二n"AIInP".日日】们 PP.C 日.PP 峨 fi.aT P沁"G.M咐+.G 日户吕a " GaInPn 〔a 八 sP"GaAap 右.I.PGe or GaAs Sub心.日臼 a 口r-ee 一们与.,司n"AIIrP 一n"GaInppC 创 nPPPIR,aSnPP-"GaAsn"+" Ga 户,n- Galnpn . G.A.p.勺r p.冗而护气 0 日 Ae护}"G 目月,n"AIGaA!n.白 P,心.匆 b为 d 几 n 叫Metal-Wt图 2 多结 GaAs 电池结构;T 意图Fig 3 Cross-section of multijunction GaAs cell为了进一步提高转换效率,美国再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory)等单位研制了多结电池,双结 GaInP"/GaAs/Ge 电池效率已达到24. 2 0 o (AMO, 28 "C ).三结电池的转换效率可达 26.5%. 1993 年,R.. Venkatasubramanian 等人第一次用成本较低的光学级锗多晶作衬底研制的 GaAs/Ge 电池,转换效率也达到了 15.8%(AML 5,25"C)t" ).空间太阳能电池的耐辐射能力对保证航天器顺利完成任务起着至关重要的作用,GaAs/Ge 太阳电池抗空间粒子辐射的能力明显高于硅太阳能电池 W7.二者受辐射引起性能衰退的机理都是因辐射造成晶格畸变导致少子寿命(扩散长度)缩短,从而使效率降低,GaAs 和 Ge 的抗辐射闽值较硅高 ,其受外层空间辐射引起的性能衰退比硅要小.1991 年发射的 U-oSAT 一 5 小卫星(770km, 980 偏角),稳定运行三年多以后,高效硅太阳能电池(BOL,15. 5 沁)和 GaAs/Ge太阳电池(BOL,18. 5%)输出功率的变化见图护火空间辐射换算为 1Mev 当量电子照射的影响).19"年月 31 日发射的欧洲"尤里卡"航天器,其上搭载的ASGA 项目提供了在低轨道 GaAs 太阳电池工作性能的极有价值的结果,表 2 为电池板各项参数的比较 Rs7,在 291 夭全部实验过程中无一电池失效,所有电池板性能退化情况可忽略,GaAs/Ge 电池显示出较高的工作温度.表 2 GaA,电池空间运行一年前后性能比较Table 2 Comparison of GaAs cells(pre- and post- 1 year flight)电池厚度拜 ITI发射前(1992. 3)回收后(1993.9)A 第 1.天 B 第 291 天B/A(1.(.A)Vc(mV)效率(%)(Isc(mA)v 沈(mV)效率(%)孵(mw)xh*仁 m 认)MO-GaAs/GeMO-GaAsMO-GaAsMO-GaAsLPE-GaAsLPE-GaAs200300300300100300380398383361367376102710181004101099199118.418.617.517.716.417.137939737835836337510131018984100298699418.118. 716.617.016. 317.42642732312642622702282620.9920.9890. 9870. 9921 功能材料》增刊 1998 10|恤日日 r!r'卜.......一}一{{{}纵,「一,司币{}'粗I 州凡11}\}}\I!闷GaAs/Ge 太阳电池是一种性能优良的空间用太阳能电池.表 3 近几年通讯卫星功率豁求Tab1e3CurrentlyP1annedcommunicationsatelliteSystemS1 日 eV 当盘电子流(e 八砰)(a)高刀硅电池一}{1I,一}}},,.{"'卜率 '!}}}丫,,1 一,,一}{!l}{{l{}{IMev 当 t 电子流 (e/'mZ)(b)GaAs/Ge 电池困 3UoSAT 一 5 电池功率变化Fig5PodegradationcurvesofUoSAT 一 scells1996 年,休斯航天与通讯公司为 Measat 航天器应用,对 GaAs/Ge 电池特性进行评价,测定了辐射环境,温度,人射角对电池电性能参数的影响,并对电池反向耐压卷定性,光学和热学性能,机械强度和热循环性能进行测试,建立起完整的性能参数数据库[1e].名称卫星数童恶总功率雷求(BOL)(kw)年功率常求(kw)Iridium玩 marsatGlobalstarAriesodyesseyEI!ipsoM 一 Sat弓 6(+30)10(十 2)4848121637801030014141420103543710020060100100255510401020206104J 总 55.总:110Teledesic(器)70064001100山勺习哎,1 哎 1 卜工 N 工让 0 韶砚,卜几川 J 曰砚李 J 喊一匕 2 一比 0 户,.E'4GaAs/Ge 太阳电池的应用GaAs/Ge 太阳电池转换效率比硅太阳电池高2.%~25%,一个显著的优点就是卫星的电池板面积大大缩小(或者说同样面积电池板可获得更大的功率),电池板重量减轻,因此节省发射嫩料.电池板面积缩小可增加卫星舱拢带空间,对 LEO 轨道卫星来说,还惫味着减小拖曳力,从而减少星载火箭的燃料.过去几年中,随 GaAs/Ge 太阳电池用量的增加,电池的制造成本也降低到 1991 年的一半左右.90 年代初,GaAs/Ge 太阳电池就己应用于欧美国家的各型军用卫星,随后迅速扩展到商业用户中,需求量也急剧增加.表 3 列出了近几年通讯卫星对电源的需求[lj.1994 年发射的两颗同步转移轨道〔GTO)卫星sTRVIA 和 STRvIB,主电源采用 GaAs/Ge 太阳电池和 GaAs/GaA3 太阳电池,并对 35 种不同类型的空间太阳电池进行检测和比较.1992 年 7 月发射的 Eu-RECA 卫星,其搭载的 ASGA 项目就是对 GaAs/Ge太阳电池和 GaAs/GaA,太阳电池的性能进行评价,经过 10 个月 6000 多次热循环和 SO0km 高空 LEO 轨道辐射环境的考验,19 卯年 7 月返回测试.证明了NASA 小卫星技术启步计划(SSTD 之一的改进型小卫星"CLARK', 于 1996 年发射,星上有两块电池板主电池板采用 5.smiJGaAs/Ge 太阳电池,最小提供 350W,37V(EOL)的直流电源,完全满足卫星工作需求,副电池板采用 GaAs/Ge(116w,37v),多结电池(138w,a7v)和 cls 电池(>6ow)〔,7」.该星用反射板聚光系统,比常规的电池板减少韶%的太阳电池用量. 用于研究极光等离子物理的 FAST 卫星要求保持最小的等离子体扰动,同时要求足够的能源保证星上各种测量仪器的工。