……砷化鎵太陽(yáng)能電池研究報(bào)告材五第三組

1、摘要：美國(guó)的阿爾塔設(shè)備公司使用外延層剝離技術(shù)，用砷化鎵制造出了最高轉(zhuǎn)化效率達(dá)28.4%的薄膜太陽(yáng)能電池。這種電池不僅打破了此前的轉(zhuǎn)化效率，其成本也低于其他太陽(yáng)能電池。該太陽(yáng)能電池效率提升的關(guān)鍵并非是讓其吸收更多光子而是讓其釋放出更多光子，未來(lái)用砷化鎵制造的太陽(yáng)能電池有望突破能效轉(zhuǎn)化記錄的極限。目前效率最高的商用太陽(yáng)能電池由單晶硅圓制造，最高轉(zhuǎn)化效率為23%。砷化鎵雖然比硅貴，但其收集光子的效率更高。就性價(jià)比而言，砷化鎵是制造太陽(yáng)能電池的理想材料。1. 砷化鎵結(jié)構(gòu)及光電性能砷化鎵屬于IIIV族化合物，是一種重要的半導(dǎo)體材料，化學(xué)式GaAs,分子量144.63,屬閃鋅礦型晶格結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)5.65

2、X10-10m,熔點(diǎn)1237C。在300K時(shí)，砷化鎵材料禁帶寬度為1.42eV，如圖1。m圖1砷化鎵能帶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖砷化鎵在自然條件下的結(jié)晶態(tài)通常具有兩種晶體結(jié)構(gòu)：閃鋅礦結(jié)構(gòu)或正斜方晶結(jié)構(gòu)。其中正斜方晶結(jié)構(gòu)的GaAs只能在高壓下獲得，閃鋅礦結(jié)構(gòu)是室溫下GaAs的最穩(wěn)定構(gòu)型。閃鋅礦的晶體構(gòu)如圖2所示。圖2砷化鎵晶體閃鋅礦結(jié)構(gòu)閃鋅礦的GaAs晶體結(jié)構(gòu)屬立方晶系F43m空間群，晶格常數(shù)a=O56535nm.配位數(shù)Z=4。如圖2所示的GaAs結(jié)構(gòu)是立方面心格子,Ga2+位于立方面心的結(jié)點(diǎn)位置.As交錯(cuò)地分布于立方體內(nèi)的1/8小立方體的中心，每個(gè)Ga2+周圍有4個(gè)As與之成鍵.同樣，每個(gè)As2-。周圍有4個(gè)

3、Ga2+，陰陽(yáng)離子的配位數(shù)都是4。如果將As2-看成是作立方緊密堆積，則Ga2+充填于1/2的四面體空隙。而正斜方晶結(jié)構(gòu)在高壓下才能獲得，在溫度為300K時(shí)，隨著壓強(qiáng)的增加，GaAs發(fā)生從閃鋅礦結(jié)構(gòu)GaAs到正斜方晶GaAs.II的相變。圖3砷化鎵能帶結(jié)構(gòu)圖砷化鎵是典型的直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)，其能帶結(jié)構(gòu)如圖3所示。砷化鎵的價(jià)帶極大值位于布里淵區(qū)中心k=O處；導(dǎo)帶極小值也位于k=0的遜，等能面為球面。在V111和（100）方向布里淵區(qū)邊界L和X處還各有一個(gè)極小值。室溫下，DL和X三個(gè)極小值與價(jià)帶頂?shù)哪芰坎罘謩e為1.424eV,1.708eV和1.900eV。對(duì)于直接帶隙半導(dǎo)體材料，當(dāng)入射光子能量；

4、hv三Eg時(shí)，能發(fā)生強(qiáng)烈的本征吸收。這就意味著進(jìn)入材料內(nèi)的光子很快會(huì)被吸收，電子吸收光子受到激發(fā)，直接豎直躍遷進(jìn)入導(dǎo)帶。這種電子的直接躍遷，躍遷幾率相當(dāng)高，因而直接帶隙半導(dǎo)體材料具有較高的電光轉(zhuǎn)換效率，適合于制作半導(dǎo)體發(fā)光及其他光電子器件當(dāng)然也為其成為性能優(yōu)良的太陽(yáng)能電池創(chuàng)造了條件。砷化鎵的禁帶寬度遠(yuǎn)大于鍺的0.67eV和硅的1.12eV，因此，砷化鎵器件可以工作在較高的溫度下和承受較大的功率。砷化鎵（GaAs）材料與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體材料相比，它具電子遷移率高、禁帶寬度大、直接帶隙、消耗功率低等特性，電子遷移率約為硅材料的5.7倍。同時(shí)，也可加入其它元素改變其能帶結(jié)構(gòu)使其產(chǎn)生光電效應(yīng)，從而制做砷

5、化鎵太陽(yáng)能電池。此外，砷化鎵的能隙與太陽(yáng)光譜的匹配較適合，且能耐高溫，所以，與硅太陽(yáng)電池相比，GaAs太陽(yáng)電池具有較好的性能2. 砷化鎵太陽(yáng)能電池介紹2.1. 單多節(jié)太陽(yáng)能電池介紹2.1.1. 單結(jié)GaAs太陽(yáng)電池（1）單結(jié)GaAs/GaAs太陽(yáng)電池20世紀(jì)7080年代，以GaAs單晶為襯底的單結(jié)GaAs/GaAs太陽(yáng)電池研制基本采用LPE技術(shù)生長(zhǎng),最高效率達(dá)到21%。此外，國(guó)外也用MOCVD技術(shù)研制GaAs/GaAs太陽(yáng)電池，美國(guó)生產(chǎn)的GaAs/GaAs太陽(yáng)電池，批產(chǎn)的平均效率達(dá)到了17.5%。（2單結(jié)GaAs/Ge太陽(yáng)電池為克服GaAs太陽(yáng)電池單晶材料成本高、機(jī)械強(qiáng)度較差,不符合空間電源低

6、成本、高可靠要求等缺點(diǎn)，1983年起逐步采用Ge單晶替代GaAs制備單結(jié)GaAs電池。GaAs/Ge太陽(yáng)電池的特點(diǎn)是：具有GaAs/GaAs電池的高效率、抗輻照和耐高溫等優(yōu)點(diǎn),Ge單晶機(jī)械強(qiáng)度高，可制備大面積薄型電池，且單晶價(jià)格約為onetionGaAs的30%。單結(jié)GaAs電池結(jié)構(gòu):P-ALhGSji酚口民0OJ2X時(shí)先曲paAs蛀粼層JumlOVm1nXjaAa番底屋32|jcn2X10口曲頁(yè)了ji-AlGaAs背坯.1pm1X1、讖cmP0.5pm1X傾心5闍：t單結(jié)心益太陽(yáng)電池錨拋Figc1The-strocrLEriscliemziccfj2.1.2. 多節(jié)GaAs太陽(yáng)能電池單結(jié)Ga

7、As電池只能吸收特定光譜的太陽(yáng)光，其轉(zhuǎn)換效率不高。不同禁帶寬度的III2V族材料制備的多結(jié)GaAs電池，按禁帶寬度大小疊合,分別選擇性吸收和轉(zhuǎn)換太陽(yáng)光譜的不同子域，可大幅度提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。理論計(jì)算表明：雙結(jié)GaAs太陽(yáng)電池的極限效率為30%，三結(jié)GaAs太陽(yáng)電池的極限效率為38%，四結(jié)GaAs太陽(yáng)電池的極限效率為41%。多結(jié)太陽(yáng)電池光譜吸收原理如圖2所示。鶴I聶電汕I.fl5eV第2誌電池eVb14SeV諾3站電址1.3&VeVS13F顯第耳站也池3E?cr6丁eV圖2卑結(jié)癡反太陽(yáng)電池光謚吸收原理Tig-The-pecKiisinalMrprifinprincipleofmulte

8、-juncticllcell20世紀(jì)80年代中期,國(guó)外逐步開(kāi)始研制高效率多結(jié)疊層電池。多結(jié)疊層電池效率高、溫度系數(shù)低、抗輻射能力強(qiáng),其空間應(yīng)用更具吸引力。(1)雙結(jié)GaAs太陽(yáng)電池雙結(jié)GaAs太陽(yáng)電池是由兩種不同禁帶寬度的材料制成的子電池，通過(guò)隧穿結(jié)串接起來(lái)。雙結(jié)電池主要吸收太陽(yáng)光譜的短波段和長(zhǎng)波段。2.2. 砷化鎵太陽(yáng)能電池特點(diǎn)(與硅比較)2.2.1. 優(yōu)點(diǎn)：a) 光電轉(zhuǎn)換效率高.GaAs的禁帶寬度較Si為寬,GaAs的光譜響應(yīng)特性和空間太陽(yáng)光譜匹配能力亦比Si好,因此，GaAs太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率高。目前，硅電池的理論效率大概為23%，而單結(jié)的砷化鎵電池理論效率達(dá)到27%，而多結(jié)的砷化鎵

9、電池理論效率更超過(guò)50%。b) 可制成薄膜和超薄型太陽(yáng)電池GaAs為直接躍遷型材料，而Si為間接躍遷型材料。在可見(jiàn)光范圍內(nèi),GaAs材料的光吸收系數(shù)遠(yuǎn)高于Si材料。同樣吸收95%的太陽(yáng)光，GaAs太陽(yáng)電池只需510口m的厚度，而Si太陽(yáng)電池則需大于150口m。因此,GaAs太陽(yáng)電池能制成薄膜型，質(zhì)量可大幅減小。c) 耐高溫性能好GaAs的本征載流子濃度低，GaAs太陽(yáng)電池的最大功率溫度系數(shù)(-2X10-3C-1)比Si太陽(yáng)電池(-4.4X10-3C-1)小很多。200C時(shí),Si太陽(yáng)電池已不能工作，而GaAs太陽(yáng)電池的效率仍有約10%。d）抗輻射性能好GaAs為直接禁帶材料,少數(shù)載流子壽命較短,

10、在離結(jié)幾個(gè)擴(kuò)散度外產(chǎn)生的損傷,對(duì)光電流和暗電流均無(wú)影響。因此,其抗高能粒子輻照的性能優(yōu)于間接禁帶的Si太陽(yáng)電池。e）可制成效率更高的多結(jié)疊層太陽(yáng)電池MOCVD技術(shù)的日益完善，1112V族三元、四元化合物半導(dǎo)體材料（GaInP、AlGaInP、GaInAs等）生長(zhǎng)技術(shù)取得的重大進(jìn)展,為多結(jié)疊層太陽(yáng)電池研制提供了多種可供選擇的材料。2.2.2. 缺點(diǎn)：a）砷化鎵的光吸收限是陡的，因?yàn)槭侵苯榆S遷材料，因而光生載流子的大部分在光照表面的微米區(qū)內(nèi)并且因砷化鎵中少子擴(kuò)散長(zhǎng)度非常短。因此電池的上表面層需要非常薄，并需用網(wǎng)狀上電極來(lái)降低接觸電阻。b）砷化鎵電池的表面復(fù)合速度，高達(dá)百萬(wàn)至千萬(wàn)厘米每秒，為提高收集

11、效率帶來(lái)的復(fù)雜的工藝。c）砷化鎵的比重是5.31,而硅的比重是2.33，對(duì)同樣厚度的電池在比功率上，砷化鎵電池顯然較差d）機(jī)械強(qiáng)度和比重。砷化鎵較硅質(zhì)在物理性質(zhì)上要更脆，這一點(diǎn)使得其加工時(shí)比容易碎裂。e）砷化鎵的一個(gè)組分砷有毒，對(duì)于環(huán)境安全和生產(chǎn)工人自身身體安全都是一個(gè)不小的威脅。刼調(diào)GAs翊電耐觀財(cái)眥般lb.lThrompniisoDofptrfotimnctsmidcoshSitoCh屯whrcell朗必眥也1214E922126.弭J5血積炯點(diǎn)in*曲2S0320.邛55110.125145T1十A.J2Tf5-77-107-101015Kh叮1承：1丿110-1515-20曲曲25-3

12、0脅“芬L01*1.20.3：0.52.3砷化傢太陽(yáng)能電池的優(yōu)化a）陽(yáng)極減反射膜：用GaAs外延片作陽(yáng)極，鉑片作陰極，在一定的電解質(zhì)溶液中外加直流電壓，在樣品的表面形成一種氧化鋁和氧化砷的混合物，厚度為750780埃。它除了有減反射外，還用來(lái)鈍化表面，減少表面復(fù)合,改善光譜響應(yīng)，提高光電轉(zhuǎn)換效能。b）.針對(duì)砷化鎵表面復(fù)合速率很大，現(xiàn)多采用異質(zhì)結(jié)或異質(zhì)界面電池，在晶格界面復(fù)合速率降低，交界合金層可控制重?fù)诫s，降低接觸電阻，c）針對(duì)砷化鎵原料的相對(duì)缺乏，因砷化鎵太陽(yáng)能電池很適用于聚光型系統(tǒng)而得到彌補(bǔ)。如此一來(lái)，對(duì)于一定給定的功率輸出而言，所需的材料減少；同時(shí)砷化鎵是直接帶隙半導(dǎo)體，進(jìn)入材料的光很快

13、會(huì)被吸收，因此，吸收層只需幾微米厚即可，進(jìn)一步減少了材料的需求。d）針對(duì)砷化鎵的脆性，目前常把其制成薄膜，并使用襯底（常為Ge鍺）,Ge單晶機(jī)械強(qiáng)度高，可制備大面積薄型電池，且單晶價(jià)格約為GaAs的30%。e）針對(duì)砷化鎵材料質(zhì)量重價(jià)格高的缺陷，基于其對(duì)陽(yáng)光吸收系數(shù)大的特點(diǎn)，可制成薄膜電池，這樣可以大大減輕太陽(yáng)方陣的重量，從而大大提高太陽(yáng)電池的重量比功率。2.4.砷化鎵太陽(yáng)能電池發(fā)展方向2.3.1. 高效率多結(jié)GaAs太陽(yáng)電池改進(jìn)多結(jié)GaAs太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)和制備工藝，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率，擴(kuò)大批產(chǎn)能力，大幅提高空間太陽(yáng)電池方陣的面積比功率、質(zhì)量比功率和應(yīng)用壽命,降低太陽(yáng)電池陣的成本。2.3.2

14、. GaAs薄膜太陽(yáng)電池GaAs電池質(zhì)量大、費(fèi)用高，利用GaAs材料對(duì)陽(yáng)光吸收系數(shù)大的特點(diǎn)，可制成薄膜型（厚度510m）?？纱蟠鬁p輕太陽(yáng)方陣質(zhì)量，從而提高電池的質(zhì)量比功率。2.3.3. 聚光太陽(yáng)電池空間聚光陣列具有更高的抗輻射性能、更低的費(fèi)用和更高的效率，并可減少電池批產(chǎn)的資金投入。多結(jié)GaAs太陽(yáng)電池因其高效率、高電壓（低電流）和高溫特性好等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛用于聚光系統(tǒng)。總之，GaAs聚光電池發(fā)展的重點(diǎn)是:提高光電轉(zhuǎn)換效率（40%）和批產(chǎn)能力（年批產(chǎn)大于300MW）,大幅降低成本;提高抗輻射能力;改善聚光器性能（研制空間實(shí)用的高效輕質(zhì)聚光太陽(yáng)電池帆板）,提高太陽(yáng)能的利用率,減小太陽(yáng)電池陣的質(zhì)量

15、;改善散熱系統(tǒng)性能,顯著提高聚光系統(tǒng)效率。未來(lái)20年預(yù)計(jì)將在航天飛行器的空間主電源中大量使用聚光砷化鎵太陽(yáng)電池。三.結(jié)論GaAs太陽(yáng)能電池作為新一代高性能長(zhǎng)壽命空間電源，必將逐步取代目前廣泛使用的硅電池，在空間光伏領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。我國(guó)航天事業(yè)的飛速發(fā)展迫切需要高性能，長(zhǎng)壽命的空間主電源。目前我國(guó)在砷化鎵電池領(lǐng)域與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，必須盡快研制，重點(diǎn)發(fā)展三節(jié)以上的高效率太陽(yáng)能電池以及聚光薄膜太陽(yáng)能電池。ThefurthestdistanceintheworldIsnotbetweenlifeanddeathButwhenIstandinfrontofyouYetyoudontknowtha

16、tIloveyou.ThefurthestdistanceintheworldIsnotwhenIstandinfrontofyouYetyoucantseemyloveButwhenundoubtedlyknowingthelovefrombothYetcannotbetogether.ThefurthestdistanceintheworldIsnotbeingapartwhilebeinginloveButwhenIplainlycannotresisttheyearningYetpretendingyouhaveneverbeeninmyheart.ThefurthestdistanceintheworldIsnotstrugglingagainstthetidesButusingonesindifferentheartTodiganuncrossableriverFortheonewholovesyou.倚窗遠(yuǎn)眺，目光目光盡處必有一座山，那影影綽綽的黛綠色的影，是春天的顏色。周遭流嵐升騰，沒(méi)露出那真實(shí)的面孔。面對(duì)那流轉(zhuǎn)的薄霧，我會(huì)幻