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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 0123312910-100,1,行业借鉴#,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,5,3,行业借鉴#,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),4,行业借
2、鉴#,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。,5,行业借鉴#,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
3、的三元或四元化合物的带隙大小。,6,行业借鉴#,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1.41.5eV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。,7,行业借鉴#,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
4、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。,8,行业借鉴#,III-V族化合物与Si相比的优点,GaAs太阳电池的温度系数较小，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%。,9,行业借鉴#,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11015cm-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
5、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。,10,行业借鉴#,III-V族化合物与Si相比的优点,各种
6、太阳能电池抗辐照特性,11,行业借鉴#,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; 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,12,行业借鉴#,III-V族材料的生长技术,2,13,行业借鉴#,I
7、II-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，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
8、物中元素组成比例，来逐步改变晶格常数,14,行业借鉴#,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。,15,行业借鉴#,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60t
9、orr）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600800的晶片上，而得到外延片的生产技术。,16,行业借鉴#,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
10、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：,17,行业借鉴#,III-V化合物的薄膜生长技术,18,行业借鉴#,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，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。,19,行业借鉴#,III-V化合物的薄膜生长技术,MBE技术的特点:
11、 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。,20,行业借鉴#,III-V化合物的薄膜生长技术,21,行业借鉴#,III-V族太阳能电池的发展历程,3,22,行业借鉴#,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
12、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。,23,行业借鉴#,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
13、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-x As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-x As层进入到GaAs层中，AlxGa1-xAs层起到了窗口层的作用。,24,行业借鉴#,III-V族太阳能电池的发
14、展历程,3,GaAs基单结太阳能电池,1995年，西班牙Cuidad大学研制的LPE GaAs太阳电池，在AM1.5，600倍聚光条件下，效率高达25.8%。,25,行业借鉴#,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-x As/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15%。,我国首
15、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20mm20mm0.3mm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。,26,行业借鉴#,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
16、常数(5.653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。,27,行业借鉴#,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。,28,行业借鉴#,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/Ge电池(4343)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/G
