熱壁外延HWE在導(dǎo)電玻璃上生長(zhǎng)GaAs薄膜

1、熱壁外延HWE在導(dǎo)電玻璃上生長(zhǎng) GaAs薄膜引言目前，太陽(yáng)電池應(yīng)用最大的障礙就是成本高，世界商品 化生產(chǎn)的太陽(yáng)電池主要是單晶硅、多晶硅和非晶硅電池。其 中非晶硅電池成本較低，但功率衰減嚴(yán)重，性能不夠穩(wěn)定， 至今未能很好解決。單晶硅和多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率高、性 能穩(wěn)定、工藝比較成熟，但因所用的單晶硅和多晶硅均為間 接帶隙材料，對(duì)光的吸收系數(shù)較低，需要較大的厚度才能有 效吸收太陽(yáng)光， 材料的費(fèi)用相對(duì)較高， 成本難以大幅度降低。以國(guó)產(chǎn)單晶硅太陽(yáng)電池在昆明地區(qū) （太陽(yáng)能輻射資源中偏上）發(fā)電為例，按系統(tǒng)價(jià)45元/Wp計(jì)算，壽命20年，其發(fā)電成本為1.45元/kWh，與昆明市電價(jià) 0.4元/kWh相比，

2、成本仍然過(guò)高，加之建成太陽(yáng)能發(fā)電站的初期投資大，這便 成為地面推廣應(yīng)用的巨大障礙。本文主要闡述 GaAs薄膜太陽(yáng)電池的利用前景和利用HWE方法在導(dǎo)電玻璃上生長(zhǎng) GaAs薄膜取得的成果。1 薄膜太陽(yáng)電池的現(xiàn)狀國(guó)際上目前相 對(duì)成熟的 多晶薄膜太 陽(yáng) 電池主要有CdS/CulnSe2和CdS/CdTe薄膜太陽(yáng)電池。其中前者的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率達(dá) 18%，后者的轉(zhuǎn)換效率達(dá) 16%1 。目前均有 小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)。 商品太陽(yáng)電池的效率一般為 8% 1 0%。Cds/CulnSe2 薄膜太陽(yáng)電池一般采用多元真空蒸發(fā)工藝制 備，工藝較為復(fù)雜，成品率不很高。CdS/CdTe薄膜太陽(yáng)電池 效率最高的是采用近距離

3、升華 ( close-spaced sublimation ) 法制備 2 ，該太陽(yáng)電池存在的主要問(wèn)題是大規(guī)模采用后， Cd的環(huán)境污染需要解決。2 光伏電池所面臨的問(wèn)題和提出的解決方案 低成本、長(zhǎng)壽命光伏電池需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：首先 是研制能穩(wěn)定獲得高效率且低成本的半導(dǎo)體材料；其次，能 用低成本的工藝路線生產(chǎn)這種光伏電池。 經(jīng)研究， 我們認(rèn)為： 單晶和多晶薄膜 GaAs 材料加上低成本的光伏電池生產(chǎn)工藝 路線能滿(mǎn)足這兩點(diǎn)要求，這是由于：a) GaAs的禁帶寬度在 1.424ev(300k)3，能與太陽(yáng)光 較好地匹配，相應(yīng)也就有好的高溫工作特性和高的光電轉(zhuǎn)換 效率(目前單晶GaAs太陽(yáng)電池光電

4、轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到25%疊 層太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率達(dá) 30%)；b) GaAs為直接帶隙躍遷半導(dǎo)體材料，吸收系數(shù)大，5艸的厚度即可吸收 95%以上的可利用太陽(yáng)光，因而可以作為薄 膜太陽(yáng)電池，大幅度降低材料成本。與目前的GaAs電池相比，其材料成本可降低 100 倍；c) 單晶或多晶GaAs薄膜電池，其抗輻照性能好、壽命 長(zhǎng)，穩(wěn)定性有可靠的保證。雖然GaAs材料的價(jià)格昂貴，但對(duì)于GaAs薄膜太陽(yáng)電池，由于 GaAs 層很薄，所以需材料很少，價(jià)格并不高。例如制 成 GaAs/Si 疊層太陽(yáng)電池，組件成本可大幅度下降，是一種 很有希望的廉價(jià)太陽(yáng)電池。 美國(guó)能源部目前已經(jīng)將高效 GaAs 疊層太陽(yáng)電池列為地面

5、應(yīng)用太陽(yáng)電池的關(guān)鍵技術(shù)之一來(lái)進(jìn) 行攻關(guān)。3 GaAs/Glass 的利用前景 對(duì)于空間用太陽(yáng)電池，要求其具有高的效率，輕的重量 和高的抗輻射能力。為了獲得高效率，川-V族材料的串連結(jié)構(gòu)如在GaAs或Ge襯底上生長(zhǎng)的外延層已經(jīng) 被采用。太陽(yáng)電池用這些川-V族半導(dǎo)體材料比用 Si半導(dǎo)體 材料有更好的抗輻射力。 為了進(jìn)一步提高抗輻射能力使用時(shí) 必需在裸電池表面貼耐輻射的石英玻璃蓋片。 但總的結(jié)果將 大大增加太陽(yáng)電池的總重量。空間用太陽(yáng)電池現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到商業(yè)應(yīng)用階段而不是初 期的科學(xué)或軍用階段。降低空間用太陽(yáng)電池的成本就成了最 重要的問(wèn)題。因此空間太陽(yáng)電池除了上面所提及的要求外還 應(yīng)該是低成本的。然而，

6、目前的GaAs單晶半導(dǎo)體材料是很貴的。加之，很厚的襯底通常對(duì)于光伏效應(yīng)是多余的，因?yàn)?川-V族半導(dǎo)體對(duì)太陽(yáng)輻射波長(zhǎng)有相對(duì)高的吸收系數(shù)，幾微 米的厚度對(duì)一個(gè)太陽(yáng)電池就足夠了。直接在摻鈰的耐輻射的石英玻璃蓋片上生長(zhǎng)川-V族半導(dǎo)體薄膜電池將有望實(shí)現(xiàn)所有的要求。 這也推進(jìn)了下面的情 況：不使用造價(jià)高的半導(dǎo)體襯底；這種結(jié)構(gòu)成減輕了所用太 陽(yáng)電池的整體。此外，這種積成工藝會(huì)大大降低太陽(yáng)電池板 成本。4 HWE生長(zhǎng)GaAs薄膜的意義 目前，國(guó)外采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD、） 液相外延（LPE）和分子束外延（MBE生長(zhǎng)技術(shù)，已經(jīng)在 Si襯 底表面制成高質(zhì)量單晶 GaAs薄膜，采用多層結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一 步

7、提高轉(zhuǎn)換效率，例如 1988 年美國(guó)研制成的高效疊層多結(jié) 太陽(yáng)電池，轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 40%，德國(guó)夫朗和費(fèi)實(shí)驗(yàn)室制作的 疊層 GaAs/Si 太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到 36%（ AMO,300K）。 此外，利用化學(xué)束外延（CBE在低溫條件下，已經(jīng)可以在 玻璃襯底上生長(zhǎng) GaAs多晶薄膜材料。云南師范大學(xué)太陽(yáng)能研究所則利用熱壁外延（HWE的方法在導(dǎo)電玻璃上直接生長(zhǎng) GaAs薄膜。經(jīng)電子探針（EPMA、 X射線衍射（XRD）、Raman散射光譜（RSS和熒光光譜（PL） 分析其結(jié)構(gòu)特性、電學(xué)特性和光學(xué)特性，結(jié)果表明所制薄膜 表面致密均勻、呈絨面結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸較大。薄膜的衍射峰 符合標(biāo)準(zhǔn)光譜分布、半寬高僅為80nm為高質(zhì)量結(jié)晶薄膜，因此采用HWE生長(zhǎng)的GaAs薄膜有好的結(jié)構(gòu)特征結(jié)晶質(zhì)量， 適