_v族太阳电池的研究和应用

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1、_V族太阳电池的研究和应用ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＦｒｏｎｔｉｅｒ技术前沿ＩＩＩ－Ｖ族太阳电池的研究和应用中国科学院半导体研究所摘向贤碧＊廖显伯要以砷化镓（ＧａＡｓ）太阳电池为代表的ＩＩＩ－Ｖ族太阳电池，具有许多突出的优点：它们的转换效率高，抗辐照性能好，太阳电池性能随温度变化较因而ＧａＡｓ太阳电池，特别是ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ／Ｇｅ三结叠层太阳电池在空间能源领域获得了越来越广泛的应用。近年来，聚光ＩＩＩ－Ｖ族太阳电池的研究进展迅慢。速，为其地面应用打下了基础。０引言周期表中ＩＩＩ族元素与Ｖ族元素形成的化合物简称为ＩＩＩ－Ｖ（Ｇｅ）和硅（Ｓｉ）材料以后发展起族化合物。ＩＩＩ－Ｖ族化

2、合物是继锗来的半导体材料。ＩＩＩ－Ｖ族化合物材料的种类繁多，其中最主要的是砷化镓（ＧａＡｓ）及其相关化合物，称为ＧａＡｓ基系ＩＩＩ－Ｖ族化合物，其次是以磷化铟（ＩｎＰ）和相关化合物组成的ＩｎＰ基系ＩＩＩ－Ｖ族化合物。但近年来在叠层电池的研制中，人们普遍采用３元和４ＡｌＧａＩｎＰ、元的ＩＩＩ－Ｖ族化合物作为各个子电池材料，比如ＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ及ＧａＩｎＮＡｓ等材料，这样就把ＧａＡｓ和ＩｎＰ两个基系的材料结合在一起了。以ＧａＡｓ为代表的ＩＩＩ－Ｖ族化合物材料有许多优点，比如它们大多具有直接带隙的能带结构，光吸收系数大，只需几微米）的厚度就能充分吸收太阳光；此外，ＧａＡｓ、ＩｎＰ等材

3、料还具（μｍ有良好的抗辐射性能和较小的温度系数，因而ＧａＡｓ基系材料特空间用太阳电池。ＧａＡｓ太阳电池，无论是别适合于制备高效率、单结电池还是多结叠层电池所获得的转换效率都是所有种类太阳电池中最高的。据最新报道，美国Ｓｐｅｃｔｒｏｌａｂ公司（光谱实验室）已研制出效率高达４０．７％的三结聚光ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ／Ｇｅ叠层太阳电池［１］，这是人类第一次突破４０％效率壁垒的太阳电池。尽管ＧａＡｓ太阳电池及其它ＩＩＩ－Ｖ族化合物太阳电池具有上述诸多优点，但由于其材料价格昂贵，制备技术复杂，导致太阳电池的成本远高于Ｓｉ太阳电池，因而除了空间应用之外，ＧａＡｓ太阳电池的地面应用很少。但近几年来

4、，随着叠层电池效率的迅速提高以及聚光太阳电池技术的发展和设备的不断改进，使聚光ＩＩＩ－Ｖ族化合物太阳电池系统的成本已大大降低，因而ＩＩＩ－Ｖ族化合物太阳电池的地面应用已成为现实可能。１ＧａＡｓ基系单结太阳电池１．１ＧａＡｓ／ＧａＡｓ同质结太阳电池ＧａＡｓ／ＧａＡｓ同质结太阳电池的研究始于２０世纪６０年代，研究方法采用液相外延（ＬＰＥ）技术。用ＬＰＥ技术研制ＧａＡｓ太阳电池时遇到的的主要问题是，ＧａＡｓ材料的表面复合速率高。因为ＧａＡｓ是直接带隙材料，对短波长光子的吸收系数高达１０５ｃｍ－１以上，高能量光子基本上被数百埃厚的表面层吸收，表面复合大大降低了ＧａＡｓ太阳电池的短路电流Ｉｓｃ；

5、加之，ＧａＡｓ没有像ＳｉＯ２／Ｓｉ那样好的表面钝化层，不能用简单的钝化技术来降低在ＧａＡｓ太阳电池研究的初期，电池ＧａＡｓ表面复合速率。因而，效率长时间未能超过１０％。直到１９７３年，Ｈｏｖｅｌ等人提出在ＧａＡｓ表面生长一薄层ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ窗口层后，这一困难才得以克服［２］。当ｘ＝０．８时，ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ是间接带隙材料，Ｅｇ≈２．１ｅＶ，对光的吸收很弱，大部分光将透过ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ层进入到ＧａＡｓ层由于ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ／ＧａＡｓ中，ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ层起到了窗口层的作用。界面晶格失配小，界面态的密度低，对光生载流子的复合较少。采用ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ／ＧａＡｓ异

6、质界面结构使ＬＰＥ－ＧａＡｓ电池的效率＊向贤碧，高级工程师地址：北京市海淀区清华东路甲３５号Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｘｉａｎｇ＠ｒｅｄ．ｓｅｍｉ．ａｃ．ｃｎ订阅本刊请拨：（０１０）８８６８１８４３转８０２７２３技术前沿ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＦｒｏｎｔｉｅｒ迅速提高，最高效率超过了２０％。近年来，俄罗斯约飞技术物理所（ＩｏｆｆｅＰｈｙｓｉｃａｌ－ＴｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅ）的Ｖ．Ｍ．Ａｎｄｒｅｅｖ等人报道，他们用ＬＰＥ技术研制的ＧａＡｓ太阳电池，在ＡＭ０光谱、１００倍的聚［３］光条件下，效率高达２４．６％（ＡＭ０，１００Ｘ）；而西班牙Ｃｕｉｄａｄ大学的ＥｓｔｉｂａｌｉｚＯｒｔｉｚ等

7、人研制的ＬＰＥ－ＧａＡｓ太阳电池，在ＡＭ１．５光谱［４］６００倍聚光条件下，效率高达２５．８％（ＡＭ１．５，６００Ｘ）。图太阳能热水、１显示了ＥｓｔｉｂａｌｉｚＯｒｔｉｚ等人研制的ＬＰＥ－ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ／ＧａＡｓ异质结构太阳电池的结构图。图２中国科学院半导体所研制的高效ＭＯＣＶＤ－ＧａＡｓ太阳电池的光Ｉ－Ｖ曲线但由于Ｓｉ成ＧａＡｓ异质结太阳电池。Ｓｉ是一种理想的衬底材料，与ＧａＡｓ的晶格常数和热膨胀系数都相差很大，在Ｓｉ上生长ＧａＡｓ存在