12.1空間環(huán)境對(duì)太陽電池的要求12.2砷化鎵基系對(duì)太陽電池的特性12.3單結(jié)GaAs基系太陽電池12.4多結(jié)疊層GaAs基系太陽電池12.5InP基系太陽電池12.6Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池的新概念12Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池材料12.1空間環(huán)境對(duì)太陽電池的要求12Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電1新能源材料第12講課件212.1空間環(huán)境對(duì)太陽電池的要求在地球大氣層外空間環(huán)境中工作的太陽電池的工作原理與地面應(yīng)用的太陽電池一樣。它們都是基于半導(dǎo)體pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)，將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能?？臻g環(huán)境對(duì)太陽電池的要求，大體包括以下四個(gè)方面。1）高的AM0能量轉(zhuǎn)換效率空間太陽電池在地球大氣層外工作，在近地球軌道上所經(jīng)受的太陽輻照的平均強(qiáng)度基本是常數(shù)。通常稱為AM0輻照，其光譜分布接近5800K黑體輻射譜，強(qiáng)度為1353mW/cm2。12.1空間環(huán)境對(duì)太陽電池的要求3太陽電池面積和轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系如圖：太陽電池面積和轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系如圖：42）抗輻射性能要好空間太陽電池在地球大氣層外受到高能荷電粒子（主要是離化的氫原子－電子荷質(zhì)子）的輻照，引起電池性能的退化。3）要有寬的工作溫度范圍在空間環(huán)境中，溫度通常在±100℃之間變化。在一些特定的發(fā)射中，還要求更高的工作溫度。4）可靠性要好空間發(fā)射任務(wù)對(duì)可靠性的要求是不言自明的。2）抗輻射性能要好512.2砷化鎵基系對(duì)太陽電池的特性砷化鎵是一種典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料，具有與硅相似的閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，不同的是Ga和As原子交替占位GaAs具有直接能帶隙，帶隙寬度1.42eV（300K）。GaAs還具有很高的光發(fā)射效率和光吸收系數(shù)，已成為當(dāng)今電子領(lǐng)域的基礎(chǔ)材料，在光生伏特太陽電池領(lǐng)域扮演重要的角色。1）光吸收系數(shù)GaAs的光吸收系數(shù)（a），在光子超過其帶隙寬度后劇升到104cm-1以上，下圖12.2砷化鎵基系對(duì)太陽電池的特性6新能源材料第12講課件72）帶隙寬度與太陽光譜匹配GaAs的帶隙寬度正好位于最佳太陽電池材料所需的能隙范圍。3）溫度系數(shù)太陽電池的效率隨溫度升高而下降。主要原因是電池的開路電壓隨溫度的升高而下降；電池的短路電流則對(duì)溫度不敏感，隨溫度升高還略有上升。下圖所示：2）帶隙寬度與太陽光譜匹配8新能源材料第12講課件94）抗輻照性能

GaAs電池具有較好的抗輻照性能。抗輻照性能好是直接帶隙化合物半導(dǎo)體材料的共同特征。下圖：

4）抗輻照性能105）異質(zhì)襯底電池和疊層電池材料

GaAs材料的另一個(gè)特點(diǎn)是易于獲得晶格匹配或光譜匹配，或兼而有之的異質(zhì)襯底電池和疊層電池材料。6）先進(jìn)的工藝手段

GaAs太陽電池的研制工藝得益于光電子技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展。

5）異質(zhì)襯底電池和疊層電池材料1112.3單結(jié)GaAs基系太陽電池隨著空間科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，對(duì)空間電源提出了更高的要求。本節(jié)將分別介紹各類單結(jié)GaAs基系電池的研究和發(fā)展概況。12.3.1LPEGaAs太陽電池GaAs的液相外延（LPE）技術(shù)是利用Ca的飽和母液于緩慢降溫過程中在GaAs襯底上析出飽和基質(zhì)，實(shí)現(xiàn)材料的外延生長(zhǎng)。這一技術(shù)簡(jiǎn)單、毒性小，而且外延層是在近似熱平衡條件下生長(zhǎng)的，所以材料質(zhì)量很好。液相外延生長(zhǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖：12.3單結(jié)GaAs基系太陽電池12新能源材料第12講課件13LPE法制備GaAs太陽電池的主要問題是GaAs的表面復(fù)合速率高。下圖給出了常規(guī)LPEGaAs電池的結(jié)構(gòu)圖和能帶示意圖：LPE法制備GaAs太陽電池的主要問題是GaAs的表面復(fù)合速14LEP方法的主要缺點(diǎn)是，難以實(shí)現(xiàn)多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)，也難以精確控制層厚。12.3.2MOVPEGaAs/Ge太陽電池同LPE相比較，金屬有機(jī)氣相外延（MOVPE）設(shè)備昂貴、技術(shù)復(fù)雜，但可以實(shí)現(xiàn)異質(zhì)外延生長(zhǎng)，有潛力獲得更高的太陽電池轉(zhuǎn)換效率。LEP方法的主要缺點(diǎn)是，難以實(shí)現(xiàn)多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)，也難以精15MOVPE生長(zhǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如下：MOVPE生長(zhǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如下：16下圖為GaAs/Ge電池的結(jié)構(gòu)示意圖：下圖為GaAs/Ge電池的結(jié)構(gòu)示意圖：1712.3.3超薄GaAs太陽電池GaAs太陽電池，無論生長(zhǎng)在GaAs還是Ge襯底上，都比Si電池重。然而，GaAs是直接間隙材料，光吸收系數(shù)打，有源層厚度只需3μm左右，所以原則上在生長(zhǎng)好GaAs電池后，可以選擇把襯底完全腐蝕掉，只剩下5μm左右的有源層，從而制成超薄GaAs電池，這樣可以獲得很高的單位質(zhì)量比功率輸出。12.3.3超薄GaAs太陽電池18

新能源材料第12講課件1912.4多結(jié)疊層GaAs基系太陽電池材料組分單一構(gòu)成的太陽電池，只能吸收和轉(zhuǎn)換特定光譜范圍的陽光，利用不同帶隙寬度Eg的材料做成太陽電池，按Eg的大小疊合起來，選擇性的吸收和轉(zhuǎn)化太陽光譜的不同子域，就可能提高電池的轉(zhuǎn)換效率，如下圖所示：12.4多結(jié)疊層GaAs基系太陽電池20新能源材料第12講課件2112.4.1Al0.37Ga0.63As/GaAs雙結(jié)疊層電池在光電子技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)AlGaAs合金材料及AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究；在光伏電池領(lǐng)域，Al0.37Ga0.63As/GaAs層作為GaAs電池的窗口層也已普遍被采用。如圖為Al0.37Ga0.63As/GaAs雙結(jié)疊層電池的示意圖：12.4.1Al0.37Ga0.63As/GaAs雙結(jié)疊層22新能源材料第12講課件2312.4.2Ga0.5In0.5P/GaAs多結(jié)疊層電池Ga0.5In0.5P是另一種寬帶隙的與GaAs晶格匹配的系統(tǒng)。1）Ga0.5In0.5P/GaAs雙結(jié)疊層電池的研究1990年，Olson等人報(bào)道在GaAs（p型）襯底上生長(zhǎng)了小面積（0.25cm2）Ga0.5In0.5P/GaAs雙結(jié)疊層電池，AM1.5效率達(dá)27.3％。1994年，Olson等人繼續(xù)改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)。同樣條件下，其AM1.5和AM0效率分別達(dá)到29.5%和25.7%。電池結(jié)構(gòu)如下圖：12.4.2Ga0.5In0.5P/GaAs多結(jié)疊層電池24新能源材料第12講課件251997年，日本能源公司Takamoto等人曾報(bào)道，他們?cè)贕aAs襯底上研制了大面積（4cm2）InGaP/GaAs雙結(jié)疊層電池，AM1.5效率達(dá)到30.28％，電池結(jié)構(gòu)如下圖：1997年，日本能源公司Takamoto等人曾報(bào)26新能源材料第12講課件272）Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge疊層電池的開發(fā)在Olson小組工作基礎(chǔ)上，美國(guó)能源部光伏中心在1995年提出了GaInP/GaAs電池的產(chǎn)業(yè)計(jì)劃。3）GaInP/GaInNAs/Ge四結(jié)疊層電池的設(shè)計(jì)為了獲得四結(jié)疊層電池的理論效率，分別計(jì)算各電池的I-V曲線，然后串聯(lián)連接如圖：

2）Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge疊層電池的開發(fā)28新能源材料第12講課件29作者認(rèn)為，雖然四結(jié)電池的特性對(duì)溫度和太陽光譜變化頗為敏感，然而四結(jié)電池帶來的性能改進(jìn)畢竟更多。4）Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge疊層電池在空間系統(tǒng)中的應(yīng)用1997年發(fā)射一顆衛(wèi)星，對(duì)電池的電學(xué)性能、抗輻照性能及力學(xué)性能進(jìn)行了全面的評(píng)價(jià)，完全達(dá)到空間質(zhì)量的要求和衛(wèi)星的要求。作者認(rèn)為，雖然四結(jié)電池的特性對(duì)溫度和太陽光譜變化頗為3012.4.3GaAs/GaSb疊層電池GaAs同窄帶隙材料GaSb構(gòu)成的疊層電池，可以擴(kuò)展對(duì)太陽光譜近紅外波段的吸收和轉(zhuǎn)換。最近，用Zn氣相擴(kuò)散制備GaSb電池，經(jīng)機(jī)械疊加后構(gòu)成如圖：12.4.3GaAs/GaSb疊層電池3112.5InP基系太陽電池InP也是直接帶隙半導(dǎo)體材料，對(duì)太陽光譜最強(qiáng)的可見光和近紅外線波段也有很大的光吸收系數(shù)，所以InP電池的有源厚度也只需3μm左右。InP太陽電池更引人注目的特點(diǎn)是它的抗輻照能力強(qiáng)，不僅遠(yuǎn)優(yōu)于硅電池，也遠(yuǎn)優(yōu)于砷化鎵電池如下圖所示：12.5InP基系太陽電池32新能源材料第12講課件3312.5.1InP/Si異質(zhì)外延單結(jié)太陽電池圖12-18顯示的InP電池是生長(zhǎng)在Si襯底上的。12.5.1InP/Si異質(zhì)外延單結(jié)太陽電池34因?yàn)镮nP材料價(jià)格昂貴容易破碎，所以近年來著重發(fā)展在Si、Ge或GaAs襯底上生InP異質(zhì)外延電池。在Si上異質(zhì)外延生長(zhǎng)InP電池，無論n＋/p還是p＋/n電池結(jié)構(gòu)，都采用n＋（100）Si襯底。下表例舉了n＋/p結(jié)構(gòu)的一些參數(shù)。因?yàn)镮nP材料價(jià)格昂貴容易破碎，所以近年來著重發(fā)35新能源材料第12講課件3612.5.2InP/InGaAs疊層電池InP與晶格匹配的窄帶隙材料InGaAs（Eg＝0.74eV）構(gòu)成疊層電池，可以擴(kuò)展對(duì)太陽光譜長(zhǎng)波的吸收和轉(zhuǎn)換。近年來NREL的Wanlass等在InP/InGaAs單片雙端疊層電池研制方面取得較大進(jìn)展。12.5.2InP/InGaAs疊層電池3712.6Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池的新概念12.6.1多量子阱太陽電池含多量子阱的p-i(MQW)-n型太陽電池的能帶結(jié)構(gòu)如圖12-19所示：12.6Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池的新概念38電池的基質(zhì)材料和壘層材料具有較寬的帶隙Eb；阱層材料具有較窄的有效帶隙Ea。Ea值的大小由阱層量子限制能級(jí)的基態(tài)決定。光電流密度：JD=JD-JSCJ=Ae-Eb/γκT(eeν/nκT－1)式中：暗電流密度JD為標(biāo)準(zhǔn)的肖克來形式；Eb為壘層帶隙，控制著暗飽和電流密度的大?。沪煤蚽為理想因子，A為比例常數(shù)依賴于器件結(jié)構(gòu)。電池的基質(zhì)材料和壘層材料具有較寬的帶隙Eb；阱層材39短路電流密度為：JSC=QeN（Ea）式中：Q為量子效率；N（Ea）為單位時(shí)間（s）單位面積上入射的能量大于阱層帶隙Ea的光子數(shù)目。開路電壓VOC可表示為eVOC=n[Eb/γ－κTln（A/JSC）]p-i（MQW）-n型電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)p-i（MQW）-n型電池的實(shí)驗(yàn)研究短路電流密度為：4012.6.2光子再循環(huán)效應(yīng)在直接帶隙半導(dǎo)體中，當(dāng)有載流子注入時(shí)輻射復(fù)合是占支配地位的復(fù)合過程。這種循環(huán)過程增加了表現(xiàn)的輻射復(fù)合壽命，稱為光子再循環(huán)效應(yīng)。12.6.2光子再循環(huán)效應(yīng)4112.6.3新窗口層材料ZnSe近年來，Yater等人提出ZnSe作為GaAs電池窗口材料。ZnSe的晶格常數(shù)為0.567nm。它的帶隙寬度為2.67eV，能大大降低對(duì)高能光子的吸收，如圖12-22所示：

12.6.3新窗口層材料ZnSe42而且ZnSe作為GaAs的能帶補(bǔ)償主要發(fā)