III-V 薄膜在太陽能光伏中的應(yīng)用

1、III-V 薄膜在太陽能光伏中的應(yīng)用 收藏 分享 2011-1-3 13:16| 發(fā)布者: mulucky| 查看數(shù): 37| 評論數(shù): 0|來自: 半導(dǎo)體科技摘要: 隨著近幾年來國際上對替代能源和可再生能源的興趣日益高漲，太陽能光伏市場也在迅速擴(kuò)大，當(dāng)前由晶體硅太陽能電池占據(jù)市場的主導(dǎo)地位。然而，一些基于薄膜設(shè)備的技術(shù)正不斷涌現(xiàn)且發(fā)展迅速，以致該領(lǐng)域成為增長速 .隨著近幾年來國際上對替代能源和可再生能源的興趣日益高漲，太陽能光伏市場也在迅速擴(kuò)大，當(dāng)前由晶體硅太陽能電池占據(jù)市場的主導(dǎo)地位。然而，一些基于薄膜設(shè)備的技術(shù)正不斷涌現(xiàn)且發(fā)展迅速，以致該領(lǐng)域成為增長速度最快的領(lǐng)域之一，以滿足未來太陽能光

2、伏的要求。預(yù)計到2012年，隨著薄膜生產(chǎn)技術(shù)的不斷增長，其生產(chǎn)能力將略超過現(xiàn)有總太陽能光伏生產(chǎn)的30%（見圖1）。在薄膜太陽能電池制造方面，化學(xué)浴沉積法和近空間升華法等技術(shù)正在帶動其發(fā)展，CVD（化學(xué)氣相沉積）應(yīng)用于玻璃和其他基質(zhì)的大面積處理技術(shù)也在市場上占重要部分。太陽能光伏生產(chǎn)中使用的活性薄膜的材料系統(tǒng)包括：碲化鎘（CdTe）基材料、碲銦鎵硒（CIGS）基材料和III-V材料，當(dāng)然，也包括硅，彼此相互競爭。III-V生產(chǎn)需要考慮的問題對于各種太陽能電池來說，活性區(qū)域在吸收陽光方面的效率各不相同。在III-V領(lǐng)域，光能轉(zhuǎn)換為電能的效率在照射水平非常高的情況下最好，因此，需要使用聚光器技術(shù)聚集

3、近500倍的陽光強度到活性區(qū)域上，以獲得最佳效果。在對活性組件要求較高的狀況下，整個電池的結(jié)構(gòu)必須完整，且高度純凈，不包含任何主要污染物，以避免因非發(fā)光中心和熱量過高導(dǎo)致額外的內(nèi)部損失。III-V半導(dǎo)體沉積領(lǐng)域的重要經(jīng)驗可通過高亮度LED生產(chǎn)技術(shù)得以驗證，因為，要獲得最高設(shè)備性能，純凈度和控制需達(dá)到類似的要求。最近，德國Fraunhofer太陽能系統(tǒng)研究機構(gòu)（Fraunhofer Institute for Solar Energy）通過這些方法，在使用砷化物和磷化物材料的效率水平方面創(chuàng)下新記錄。尤其是，研究發(fā)現(xiàn)氧（O）是一個多余的非發(fā)光中心：它使電池的工作效率和使用壽命大打折扣。要將沉積膜中

4、“O”的水平降到最低，必須使用質(zhì)量最好的前驅(qū)物，尤其是有機鋁源，其污染物的含量必須低于1ppm。通常情況下，必須對專有生產(chǎn)和凈化方法進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，以確保太陽能光伏應(yīng)用中的污染水平最低，從而生產(chǎn)出可靠的高性能設(shè)備。由于沉積最佳層使用的很多前驅(qū)物的引火特性導(dǎo)致很多重大問題，要達(dá)到既定的規(guī)范要求，必須使用先進(jìn)工藝水平的分析能力，以辨別觸發(fā)化學(xué)物質(zhì)的特性和準(zhǔn)確的氧氣污染程度。尤其是對于第III組金屬烷基，例如三甲基鋁（TMA）和三甲基銦（TMI），由于其本身具有高反應(yīng)率，因此，需要小心處理，避免與空氣接觸。例如，任何與液體或固體產(chǎn)品接觸的金屬管路或?qū)Ч鼙仨毻耆缓琌2/H2O。通常需要進(jìn)行長時間

5、的真空熱處理，以脫附表面上的這些物質(zhì)并消除可能存在的污染。圖2中顯示了利用長時間處理方案時，殘余氣體的排除效率，以及觀察到雜質(zhì)明顯減少。產(chǎn)品灌裝前，實驗證明進(jìn)行48小時處理的導(dǎo)管，在最重要的結(jié)構(gòu)的性能方面優(yōu)于經(jīng)過24小時處理的導(dǎo)管，如圖3所示。在不進(jìn)行實際增長實驗的情況下評估前驅(qū)物自身的質(zhì)量，需要依據(jù)參照值，對物理雜質(zhì)的水平進(jìn)行仔細(xì)對比。對于O類物質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品質(zhì)子核磁共振（NMR）中的醇化物峰值可直接用于標(biāo)示性能方面的提高。圖4顯示了三甲基鋁（Me3Al）樣品中探測到的O類物質(zhì)水平；圖5突出顯示了使用這些樣品時，沉積的鎵鋁砷（AlGaAs）的屬性。兩組數(shù)據(jù)之間的直接對比清楚地表明，源污染

6、水平低于1ppm對獲得最高質(zhì)量的成品膜是至關(guān)重要的。傳輸系統(tǒng)開發(fā)對更大容量的前驅(qū)物的需求，以便在高產(chǎn)出、低成本情況下做到大面積沉積，導(dǎo)致大量創(chuàng)新設(shè)備開發(fā)以向增長工具散裝輸送化學(xué)品為目標(biāo)。更安全的處理更大批量，有助于通過降低工具的維修時間和小批量試產(chǎn)的要求，從而減少沉積過程的整體擁有成本。使用較大的批量和上述規(guī)模經(jīng)濟(jì)，而不影響產(chǎn)品的質(zhì)量，是使客戶獲得經(jīng)濟(jì)可行的工藝和通過一種可靠和可持續(xù)的方式滿足客戶需求的關(guān)鍵因素。對于液態(tài)前驅(qū)物，散裝運輸最理想的方法涉及到將產(chǎn)品泵入一個工具進(jìn)行汽化處理，該方法通常用于較小的批量。該方法的優(yōu)點是，僅需對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行簡單改造，無需更改工藝參數(shù)。另外，對于連續(xù)使用相同

7、工藝的生產(chǎn)工具的擁有成本方面，優(yōu)勢更加明顯。要優(yōu)化產(chǎn)出，所有沉積工具上的負(fù)載應(yīng)盡可能100%相似。在前驅(qū)物批減少而需要補充時，替換起泡器所花的維護(hù)時間，可能對工藝的經(jīng)濟(jì)性不利。利用增加通過按鍵補充工具容器并立即迅速恢復(fù)生產(chǎn)的功能，即可節(jié)省時間和金錢。明顯地，危險性很高的化學(xué)物質(zhì)在兩個點之間以一種安全堅固的方式移動，需要使用特制的設(shè)備。前驅(qū)物供應(yīng)商已經(jīng)將他們的專業(yè)知識融入系統(tǒng)設(shè)計中，例如，SAFC Hitech的EpiFillTM，如圖6所示。通常，設(shè)計中均加入了從同一個貯液器向多個容器供給的功能，以獲得最高效率。對于傳送固態(tài)前驅(qū)物或需要安裝簡化的沉積工具的另一個方法，是使用散裝汽化裝置。該裝置

8、可將前驅(qū)物蒸汽通過一種混合總管直接供應(yīng)到沉積倉內(nèi)，而不需要對每個系統(tǒng)安裝多個單獨控制的溫度環(huán)境。對于液體，停機時間縮短的成本優(yōu)勢非常有吸引力，將蒸發(fā)階段從生長試劑盒中移除后，無需利用復(fù)雜的系統(tǒng)也可對進(jìn)入沉積倉的氣體進(jìn)行控制，使工藝控制更加可靠。再者，化學(xué)品供應(yīng)商已運用他們的專業(yè)知識開發(fā)出可靠耐用的設(shè)備，可以安全、可靠地運送所需體積的前驅(qū)物蒸汽，使用戶從該技術(shù)中受益。圖7為一種可用于在汽化階段提供所需濃度源的蒸汽裝置，以滿足高輸出沉積工具的需求。太陽能電池效率的新水平受控化學(xué)前驅(qū)物規(guī)定作為使能技術(shù)的影響，通過III-V薄膜太陽能電池領(lǐng)域的發(fā)展得以顯現(xiàn)，如前所述，通過使用高純度產(chǎn)品可達(dá)到記錄新高的

9、效率。此類化學(xué)品的可靠供給使工藝和設(shè)備優(yōu)化更具信心，可以在用以確定設(shè)備改進(jìn)的實驗參數(shù)的范圍內(nèi)精確和反復(fù)地控制薄膜結(jié)構(gòu)的構(gòu)成?；谕庋覫II-V半導(dǎo)體的單塊多結(jié)太陽能電池，經(jīng)過多年的發(fā)展，其純度和結(jié)晶度已達(dá)到非常高的水平。這一點可以從這段時間內(nèi)最為成功的一些設(shè)計在效率方面的提高得以證實。最新的由磷化鎵銦（Ga0.35In0.65P）、鎵砷化銦（Ga0.83In0.17As）和鍺（Ge）構(gòu)成的三PN-結(jié)，分別可吸收300-780納米，最高達(dá)1020納米和1880納米的陽光，據(jù)預(yù)測，這種三PN-結(jié)組合對將地面太陽光譜轉(zhuǎn)換為電能特別有利。圖8為FraunhoferISE生產(chǎn)的一種新型破紀(jì)錄的太陽能電池，這種電池的電池面積為5.09mm2，在454倍太陽強度的情況下整體工作效率為41.1%。這種電池設(shè)計的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是，可以在濃度更高和同時保持高效率（37.6%C=1700）的情況下運作，但是，該功能高度取決于所有單獨層和界面的完美結(jié)構(gòu)，以避免電荷陷阱和更多的問題缺陷擴(kuò)大。該方法引起的質(zhì)量降低可能導(dǎo)致使用壽命縮短，這對于商用設(shè)備來說是不可接受的，因此沉積技術(shù)以通過多層結(jié)構(gòu)外延獲得高質(zhì)量為重點。結(jié)論最后，我們可以看出，要使太陽能電池效率獲得破紀(jì)錄的數(shù)值，并使電池性能在未來得到持續(xù)改進(jìn)，則必須完善的制備多達(dá)40個單獨層的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。因此，擁有確保前驅(qū)物高純度和高容量情況下高可