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1、-族半导体材料的光伏应用（太阳能电池材料及应用综述论文）学 生：谭凯议（2011059090013） 陈 帅（2011059090002） 指导老师：李伟教授 学 院：光电信息学院电子科技大学2014年 5 月摘 要随着技术的不断发展，传统的太阳能电池已经无法满足人类日益增长的需求。再不断地探索中，人类发现了以InP，GaAs为代表的III-V族化合物。令人惊异的是，这类III-V族化合物太阳能电池材料具有很多老式太阳能电池所不具备的优点，如：它们大多具有直接带隙能带结构，光吸收系数大，且具有良好的抗辐射性能和较小的温度系数。这使得它们可以被广泛地应用于太空电源。本文则简要地介绍了InP，Ga
2、As太阳能电池的材料及基本特性，并着著阐述了单结、多结以及量子点GaAs 太阳能电池的结构、性能、研究现状以及发展空间的情况。关键词：GaAs; InP; III-V族化合物; 太阳能电池AbstractWith the development of technology, the traditional solar cell has been unable to meet the growing needs of people. To nstantly explore, humans disvered by InP, GaAs as the representative of the III
3、-V mpound. Amazingly, this kind of III-V mpound solar cell materials have advantages, many old solar cells do not have such as: most of them have direct band gap and energy band structure, optical absorption efficient, temperature efficient and anti radiation performance and less good. Which can be
4、widely used in space power. This paper briefly introduces InP, GaAs solar cell material and basic characteristics, and the described the single junction, multi node and Study on the structure,performance,GaAs quantum dot solar battery status and development of space. Keywords: GaAs; InP; III-V mpoun
5、ds; solar cell目 录一、-族太阳能电池简介11.1 引 言11.2 -族化合物及太阳能电池特性2二、砷化镓(GaAs)太阳能电池22.1砷化镓(GaAs)太阳能电池介绍22.2 GaAs太阳能电池制备方式32.2.1 GaAs的制备-LPE生长（液相外延）32.2.2 GaAs的制备-MOCVD（金属有机化学气相沉积）42.2.3 GaAs的制备-MBE（分子束外延）42.3 GaAs基单结太阳能电池52.4 GaAs基多结太阳能电池52.4.1 GaInP2 /GaAs双结太阳电池62.4.2 GaInP2/GaAs /Ge三结太阳电池62.4.3 多结太阳能电池发展展望72.
6、5 GaAs量子点太阳能电池72.5.1 量子点太阳能电池发展92.6 GaAs基系聚光太阳能电池11三、磷化铟(InP)太阳能电池123.1 磷化铟(InP)太阳能电池介绍123.2 InP多晶合成技术123.3 InP单晶生长技术133.3.1 HPLEC法133.3.2 VGF法133.4 InP太阳能电池的发展14四、结束语15参考文献16一、-族太阳能电池简介1.1 引 言数千年来，人类一直没有停止过对地球的开发。在一步步征服地球的同时，我们的发展却也迎来了预期中的瓶颈。环境污染和能源危机便是目前人类面临的两大课题，发展和环境永远处于对立面，资源并非无限，而就目前而言，化石燃料依旧是
7、世界最主要的能量来源。然而化石燃料的存量有限且再生周期异常漫长，为了进一步地发展人类的科技，也为了应对未来的能源危机，新型能源的发展已经到了刻不容缓的地步了。而提到新型能源，太阳能正是现今社会研究的重点之一。可以说，发展和利用太阳能便是有效解决上述问题的一个重要手段，太阳无时无刻不在照耀着我们，且利用太阳能也不会产生什么有毒的排放物体，因此，就目前而言，太阳能可以说是具有无限性、普遍性、清洁性和经济性等诸多优点。而发展和利用太阳能的最直接的方法就是利用太阳能电池。目前，硅太阳能电池的光电转换效率已接近他的理论值。然而当应用于航空科技以及光伏建筑等方面的时候，笨重的硅电池显然不是我们最佳的选择。
8、所以，为了进一步得到更高效率的太阳能电池，并从电池的抗辐照能力、可靠性、柔性等方面提高太阳能电池的综合性能使其可以被应用于更多的方面，化合物太阳能电池的研究工作逐渐成为太阳能电池研究的重要分支。一般而言，太阳能电池可以简单地区分为这几类：单晶硅和多晶硅太阳电池，晶体硅薄膜(c-SiTF)太阳电池，非晶硅(a-Si)太阳电池，铜锢硒及其化合物太阳电池，有机太阳电池，III-V族化合物半导体太阳电池。这里的每一种太阳能电池都有各自不同的优点和劣势，在不同的情况下都会有各自的用途。而随着人类对航天科技的不断发展，可以说自1958年的人造卫星“先锋一号”开始，太阳能电池就已经作为空间电源而被广泛利用了
9、。然而在空间使用太阳能电池和在地面使用是两个完全不同的概念，太阳能电池在太空中会被放射线照射，同时也会受热循环的影响。特别是范艾伦辐射带来的高能量电子线和质子线，这会促使半导体内的晶格发生缺陷，导致电池的输出功率下降，因此在太空中使用的太阳能电池就要求要具有高效率和耐放射线的特性。而本文将介绍的III-V族太阳能电池，正是满足了以上几点的一种新型材料，这无疑将给未来的发展带来一个不错的选择。1.2 -族化合物及太阳能电池特性说到III-V族太阳能电池，就不得不先提到III-V族化合物。大多数III-V族化合物形成的晶体都具有闪锌矿结构。闪锌矿结构属立方晶系，空间群为F3M ，为面心立方点阵，类
10、似于IV族元素半导体的金刚石结构。同时，III-V族化合物半导体材料通常为直接跃迁型材料（如GaAs、InP等二元化合物以及它们的三元或四元化合物）1，载流子迁移率高，光吸收系数高，具有优良的光电特性和很好的抗辐射特性。可以看到，这几个特点正好吻合了我们对于航空太阳能电池的要求，因此III-V族可以说是非常适合用来制作太阳电池的，尤其是适合航天用的太阳电池。单结太阳能电池的效率很容易就可以达到20%，而多结太阳电池的效率更是可以达到30%以上（比较典型的有GaInP/GaAs/Ge）。但问题也依旧存在，III-V族化合物半导体材料价格昂贵、生产技术复杂且设备要求高，因此目前主要用于航天以及太阳
11、能赛车等特殊需要上，将之用于地面普通装置中还显得过于昂贵了。但研究者们也提出了一个降低成本的办法，可以采用集光技术将阳光强度提高100-1000倍来降低系统成本。材料中显示，集光太阳电池组件效率已可达到30%到25%。此外，在廉价的Si或其他衬底上外延III-V化合物太阳电池也可以降低成本，但需要要克服的是晶格匹配以及热胀系数的匹配等问题。二、砷化镓(GaAs)太阳能电池2.1砷化镓(GaAs)太阳能电池介绍GaAs太阳电池是一种III-V族化合物半导体太阳电池，与Si太阳电池相比，其特点如下：1、光电转换效率高GaAs的禁带宽度较Si为宽，GaAs的光谱响应特性和空间太阳光谱匹配能力亦比Si
12、好，因此，GaAs太阳电池的光电转换效率高。Si太阳电池理论效率为23%，而单结和多结GaAs太阳电池的理论效率分别为27%和50%。2、可制成薄膜和超薄型太阳电池GaAs为直接跃迁型材料，而Si为间接跃迁型材料。在可见光范围内，GaAs材料的光吸收系数远高于Si材料。同样吸收95%的太阳光，GaAs太阳电池只需510m的厚度，而Si太阳电池则需大于150m。因此，GaAs太阳电池能制成薄膜型，质量可大幅减小。3、耐高温性能好GaAs的本征载流子浓度，GaAs电池的最大功率温度系数(-210-3-1)比Si太阳电池（-4.410-3-1）小很多。200时，Si太阳电池已不能工作，而GaAs太阳
13、电池的效率仍有约10%。4、抗辐射性能好GaAs为直接禁带材料，少数载流子寿命较短，在离结几个扩散度外产生的损伤，对光电流和暗电流均无影响。因此，其抗高能粒子辐照的性能优于间接禁带的Si太阳电池。在电子能量为1MeV，通量为11015个/cm2辐照条件下，辐照后与辐照前太阳电池输出功率比，GaAs单结太阳电池0.76，GaAs多结太阳电池0.81，而BSFSi太阳电池仅为0.70。5、可制成效率更高的多结叠层太阳电池，随着MOCVD技术的日益完善，III-V族三元、四元化合物半导体材料（GaInP、AlGaInP、GaInAs等）生长技术取得的重大进展，为多结叠层太阳电池研制提供了多种可供选择
14、的材料2。当然，GaAs基太阳电池也有其缺陷：1、材料的成本高，接近硅的十倍；2、材料密度大概是硅材料的两倍左右，约5.32g/cm3；3、材料易碎，不过可以换锗单晶取代砷化镓衬底材料，其价格更便宜3。上述缺点，在一定程度上限制了其更广泛的应用，尤其是地面应用，但是就目前来看，GaAs 基电池的前景还是很乐观的，毕竟相比其它材料，其效率还是很高的。可以通过电池结构及参数的调整，以及聚光系统的不断完善，其效率有更大的提升空间。2.2 GaAs太阳能电池制备方式2.2.1 GaAs的制备-LPE生长（液相外延）图2.1 液相外延装置示意图将金属Ga与高纯GaAs多晶或单晶材料在高温下（约800）形
15、成饱和溶液，然后缓慢降温，在降温过程中母液与GaAs单晶衬底接触；由于温度降低，母液变为过饱和溶液，多余的GaAs溶质在GaAs单晶衬底上析出，沿着衬底晶格取向外延生长出的新的GaAs单晶层。如图2.1为液相外延装置示意图2.2.2 GaAs的制备-MOCVD（金属有机化学气相沉积）MOCVD又称金属有机气相外延技术，是目前研究和生产III-V族化合物电池的主要技术手段。原理是在真空腔体中用携带气体H2通入三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟等金属有机化合物气体和砷烷、磷烷等氢化物，在适当的温度下，这些气体进行多种化学反应，生成III-V族化合物，并在GaAs衬底或Ge衬底上沉积，实现外延生长。如图2.2为MOCVD装置示意图。图2.2 MOCVD装置示意图2.2.3 GaAs的制备-MBE（分子束外延）工作原理和真空蒸发镀膜技术的原理相似，只是MBE技术要求的真空度比真空蒸发技术要高很多，速度要慢很多。在一个超高真空的腔体中，用适当的
