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1、Si衬底上(In)GaAs外延生长技术及相关太阳电池制作一、(In)GaAs太阳能电池基本知识1、(In)GaAs基本性质InGaAs在整个组分范围内均为直接带隙材料，半导体稳定性好，有效质量小，电子迁移率和峰值速度高，以及高的光吸收系数，禁带宽度随组分可以在InAs的0.35 eV到GaAs的1.43 eV之间变化，是制备多结叠层太阳能电池的理想材料。2、(In)GaAs太阳能电池的优点：1). 光电转换效率高；2). 可制成薄膜和超薄型太阳电池；3). 耐高温性能好；4). 抗辐射性能好；5). 可制成效率更高的多结叠层太阳电池。而Si单晶具有成本低廉，圆晶面积大的优点。在Si基上外延(I
2、n)GaAs薄膜多结太阳能电池，可以充分发挥二者的优势，早日实现低成本光伏器件的大规模应用。3、(In)GaAs多结太阳能电池光谱吸收原理及其简化结构示意图图1 多结叠层太阳能电池光谱吸收原理双结GaAs 太阳电池的极限效率为30%, 三结GaAs 太阳电池的极限效率为38%, 四结GaAs 太阳电池的极限效率为41%。图2 多结叠层太阳能电池效率极限的理论计算结果理论计算表明，基于细致平衡原理(Detailed balance)的多结电池中，以带隙1.70eV/0.97eV组成的双结叠层电池效率可达42.5%，而以带隙1.95 eV /1.30 eV/0.82 eV组成的三结叠层电池效率可达
3、48.6%。在此基础上，A Shah提出的理想Pin结电池模型中，以带隙1.72eV/1.09eV组成的双结叠层电池效率可达33.4%，而以带隙1.87 eV /1.39 eV /0.91 eV组成的三结叠层电池效率可达37.7 %，如图2 所示1。图3 (a)双结GaInP/GaAs、(b)三结GaInP/GaAs/Ge级联电池的简化结构示意图图4 典型的GaInP/Ga(In)As/Ge三结太阳能电池结构示意图图5 由3J演变而来的5J、6J级联结构二、Si基 (In)GaAs太阳能电池的发展现状1、(In)GaAs薄膜的外延生长在Si衬底上制备(In)GaAs的方法主要有两种：一、以低能
4、等离子体增强CVD先沉积Ge/GeSi/Si 虚拟衬底(virtual substrate)，然后在使用MOCVD沉积(In)GaAs 及其量子阱(2005年)；2010年，Richard Beeler2采用新的氢化物在低温CVD下沉积Ge/Si 虚拟衬底，与Ge圆晶相比，前者使用MOCVD沉积的InGaAs质量更好，可在低成本光伏器件中大量使用。二、LP-MOCVD 法 a) (冯建友)低压金属有机化学气相沉积(LP-MOCVD)技术，采用基于低温缓冲层的两步生长方法，生长GaAs/Si(100)：有偏角的衬底有较大的晶格弛豫度，有效的抑制了异质外延中的反相无序问题，并减少了H类位错的产生；
5、B的并入，会使晶格变小，而In的并入，会使晶格变大，调节B和In在BlnGaAS中的组分便可抵消二者对材料晶格的影响。b)(孙览江)通过探索有偏角衬底、AIGaAs低温缓冲层和循环热退火等技术的最优条件，在Si衬底上外延生长出了高质量的GaAS材料，并摸索出了一种GaAs层分两个阶段生长、中间插入刻槽工序(mid-Pattem)的 Si/GaAs无裂纹外延方法。c)(吕吉贺)通过探索有偏角衬底、Al(GaAs)As低温缓冲层和循环热退火等技术的最优条件，在Si衬底上外延生长出了高质量的GaAS材料。对于 1.2m厚GaAs外延层，其XRD-2扫描的FWHM仅为 192.3arcsec，透射电子
6、显微镜 (TEM)图像显示外延材料层中位错能被有效弯曲、合并，测试结果表明在距GaAs/Si界面处0.5m的位错密度为107cm-2量级。(以上三人均为北京邮电大学) 2、(In)GaAs太阳能电池的研究现状到目前为止，GaAs材料太阳电池的最高转换效率仍为25.8%，InP材料太阳电池仍为21.9%。通过GaAs及-合金制备量子阱太阳电池是当前一个新的研究热点。利用MOCVD 得到的50个周期的量子阱太阳电池的转换效率高于PN结GaAs电池。如Spectrolab公司于2007年上半年开发出一种多结太阳电池，采用的是晶格失配多重半导体结构层(GaInP/GaInAs/Ge)，该电池的光电转换
7、效率可达创纪录的40.7%，是普通屋顶太阳能板的两倍多3。T. Sugaya 4对InGaAs多结叠层量子点太阳能电池进行了研究，PL谱测试显示电池效率随着量子点叠层数目的增加而急剧上升。三、InGaAs太阳能电池技术发展前景展望1、AlInGaP/GaAs /? (新材料)/Ge 四结电池中第三结子电池材料是关键。对四结电池中的第三结子电池带隙宽度对电池效率的贡献进行的理论计算表明, 当第三结子电池材料带隙宽度在0.951.05 eV 之间时, 四结电池将获得大于40%的效率。因此, 1.0 eV 的电池材料备受关注, 对多结级联GaAs 系列太阳电池效率的提高起着关键的作用。2、AlGaI
8、nP/GaInP/AlGaInAs /GaInAs /Ge 五结级联太阳电池效率有望实现突破：有望实现AM0 效率超过50%这一突破性的研究方向。3、新材料体系的技术研究有望实现效率突破4、GaInP2/GaAs /Ge 多结级联太阳电池有望在聚光系统中获得应用5、InGaAs多结叠层量子点太阳能电池有望实现产业化。四、主要参考文献1耿新华. 硅基薄膜太阳电池技术的发展J. SOLAR ENERGY (太阳能)16/2011, 32-35.2Richard Beeler, JayMathews, ChangeWeng, JohnTolle, RadekRoucka, A.V.G.Chizmes
9、hya, Reid Juday, SampritiBagchi, Jose Menendez, JohnKouvetakis. Comparative study of InGaAs integration on bulk Ge and virtual Ge/Si(100) substrates for low-cost photovoltaic applicationsJ. Solar Energy Materials & Solar Cells 94 (2010) 236223703冯瑞华，马廷灿，万勇，姜山，黄可，黄健. 太阳能材料国际发展态势分析J. 科学观察，2008，3(6): 1
10、1-254T. Sugaya, Y.Kamikawa, S.Furue,T.Amano,M.Mori,S.Niki. Multi-stacked quantum dot solar cells fabricated by intermittent deposition of InGaAsJ. Solar Energy Materials & Solar Cells 95 (2011) 163166郭爱萍, 孙强。基于GaAs 半导体太阳电池技术发展概况J. 电源技术，2007，31(9): 757-758Masafumi Yamaguchi. Japanese R&D Activities of High Efficiency III-V Compound Multi-Junction and Concentrator Solar CellsJ. Energy Procedia 15 (2012) 265 274
