新能源材料第12讲ppt课件.ppt

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1、12.1空间环境对太阳电池的要求12.2砷化镓基系对太阳电池的特性12.3单结GaAs基系太阳电池12.4多结叠层GaAs基系太阳电池12.5InP基系太阳电池12.6Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池的新概念12Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池材料12.1空间环境对太阳电池的要求在地球大气层外空间环境中工作的太阳电池的工作原理与地面应用的太阳电池一样。它们都是基于半导体pn结的光生伏特效应，将太阳能直接转化为电能。空间环境对太阳电池的要求，大体包括以下四个方面。1）高的AM0能量转换效率空间太阳电池在地球大气层外工作，在近地球轨道上所经受的太阳辐照的平均强度基本是常数。通常称为AM0辐照，

2、其光谱分布接近5800K黑体辐射谱，强度为1353mW/cm2。太阳电池面积和转换效率的关系如图：2）抗辐射性能要好空间太阳电池在地球大气层外受到高能荷电粒子（主要是离化的氢原子－电子荷质子）的辐照，引起电池性能的退化。3）要有宽的工作温度范围在空间环境中，温度通常在±100℃之间变化。在一些特定的发射中，还要求更高的工作温度。4）可靠性要好空间发射任务对可靠性的要求是不言自明的。12.2砷化镓基系对太阳电池的特性砷化镓是一种典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，具有与硅相似的闪锌矿晶体结构，不同的是Ga和As原子交替占位GaAs具有直接能带隙，带隙宽度1.42eV（300K

3、）。GaAs还具有很高的光发射效率和光吸收系数，已成为当今电子领域的基础材料，在光生伏特太阳电池领域扮演重要的角色。1）光吸收系数GaAs的光吸收系数（a），在光子超过其带隙宽度后剧升到104cm-1以上，下图2）带隙宽度与太阳光谱匹配GaAs的带隙宽度正好位于最佳太阳电池材料所需的能隙范围。3）温度系数太阳电池的效率随温度升高而下降。主要原因是电池的开路电压随温度的升高而下降；电池的短路电流则对温度不敏感，随温度升高还略有上升。下图所示：4）抗辐照性能GaAs电池具有较好的抗辐照性能。抗辐照性能好是直接带隙化合物半导体材料的共同特征。下图：5）异质衬底电池和叠层电池材

4、料GaAs材料的另一个特点是易于获得晶格匹配或光谱匹配，或兼而有之的异质衬底电池和叠层电池材料。6）先进的工艺手段GaAs太阳电池的研制工艺得益于光电子技术的长足发展。12.3单结GaAs基系太阳电池随着空间科学和技术的发展，对空间电源提出了更高的要求。本节将分别介绍各类单结GaAs基系电池的研究和发展概况。12.3.1LPEGaAs太阳电池GaAs的液相外延（LPE）技术是利用Ca的饱和母液于缓慢降温过程中在GaAs衬底上析出饱和基质，实现材料的外延生长。这一技术简单、毒性小，而且外延层是在近似热平衡条件下生长的，所以材料质量很好。液相外延生长系统的结构如下图：LPE

5、法制备GaAs太阳电池的主要问题是GaAs的表面复合速率高。下图给出了常规LPEGaAs电池的结构图和能带示意图：LEP方法的主要缺点是，难以实现多层复杂结构的生长，也难以精确控制层厚。12.3.2MOVPEGaAs/Ge太阳电池同LPE相比较，金属有机气相外延（MOVPE）设备昂贵、技术复杂，但可以实现异质外延生长，有潜力获得更高的太阳电池转换效率。MOVPE生长系统的结构示意图如下：下图为GaAs/Ge电池的结构示意图：12.3.3超薄GaAs太阳电池GaAs太阳电池，无论生长在GaAs还是Ge衬底上，都比Si电池重。然而，GaAs是直接间隙材料，光吸收系数打，有源

6、层厚度只需3μm左右，所以原则上在生长好GaAs电池后，可以选择把衬底完全腐蚀掉，只剩下5μm左右的有源层，从而制成超薄GaAs电池，这样可以获得很高的单位质量比功率输出。12.4多结叠层GaAs基系太阳电池材料组分单一构成的太阳电池，只能吸收和转换特定光谱范围的阳光，利用不同带隙宽度Eg的材料做成太阳电池，按Eg的大小叠合起来，选择性的吸收和转化太阳光谱的不同子域，就可能提高电池的转换效率，如下图所示：12.4.1Al0.37Ga0.63As/GaAs双结叠层电池在光电子技术领域，对AlGaAs合金材料及AlGaAs/GaAs异质结构进行深入研究；在光伏电池领域，Al

7、0.37Ga0.63As/GaAs层作为GaAs电池的窗口层也已普遍被采用。如图为Al0.37Ga0.63As/GaAs双结叠层电池的示意图：12.4.2Ga0.5In0.5P/GaAs多结叠层电池Ga0.5In0.5P是另一种宽带隙的与GaAs晶格匹配的系统。1）Ga0.5In0.5P/GaAs双结叠层电池的研究1990年，Olson等人报道在GaAs（p型）衬底上生长了小面积（0.25cm2）Ga0.5In0.5P/GaAs双结叠层电池，AM1.5效率达27.3％。1994年，Olson等人继续改进电池结构。同样条件下，其AM1.5和