III_V族化合物半導(dǎo)體整體多結(jié)級(jí)連太陽電池_光伏技術(shù)的新突

1、作者簡介:陳文浚(1945,男,北京市人?，F(xiàn)為中國電子科技集團(tuán)第十八研究所(天津電源研究所研究員級(jí)高級(jí)工程師。1968年畢業(yè)于清華大學(xué)半導(dǎo)體材料與器件專業(yè)。三十七年來一直在第一線從事太陽電池的基礎(chǔ)研究與生產(chǎn),曾獲得八項(xiàng)國家及部市級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)。從1992年起享受政府特殊津貼,1994年國家勞動(dòng)人事部授予有突出貢獻(xiàn)中、青年專家稱號(hào)。在過去的十年里,領(lǐng)導(dǎo)組建了國內(nèi)第一條砷化鎵太陽電池金屬有機(jī)物氣相外延(MOVPE 生產(chǎn)線,專門從事基于砷化鎵的單結(jié)與多結(jié)電池研究與生產(chǎn)。第六屆全國MOCVD 學(xué)術(shù)會(huì)議以后,為歷屆此會(huì)議組織委員會(huì)委員。III-V 族化合物半導(dǎo)體整體多結(jié)級(jí)連太陽電池光伏技術(shù)的新突破陳文浚作

2、者近照從1954年第一只光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平的硅太陽電池在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生起,光伏技術(shù)已有了50多年的發(fā)展歷史。在上個(gè)世紀(jì)70年代引發(fā)的能源危機(jī)刺激下,在空間飛行器能源系統(tǒng)需求的牽引下,這一技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)不斷取得重要技術(shù)突破。晶體硅太陽電池、非晶硅薄膜太陽電池、-族化合物半導(dǎo)體太陽電池、-族化合物半導(dǎo)體多晶薄膜太陽電池等,越來越多的太陽電池技術(shù)日趨成熟。光電轉(zhuǎn)換效率的不斷提高及制造成本的持續(xù)降低,使今天的光伏技術(shù)在空間和地面都得到了越來越廣泛的應(yīng)用。而回顧和評(píng)價(jià)光伏技術(shù)在最近10年的進(jìn)展,基于砷化鎵的-族化合物半導(dǎo)體多結(jié)太陽電池技術(shù)的迅速發(fā)展應(yīng)是最引人矚目的里程碑式突破。時(shí)至今天,GaI

3、nP 2/Ga (In As/Ge 三結(jié)級(jí)連太陽電池大規(guī)模生產(chǎn)的平均AM0效率已接近30%1,使10年前占據(jù)空間能源應(yīng)用主導(dǎo)地位的硅太陽電池幾乎讓出了全部空間市場2。在高倍聚光條件下,這種多結(jié)太陽電池的實(shí)驗(yàn)室AM1.5效率已接近40%3。極高的光電轉(zhuǎn)換效率使其在未來的10年里有可能與傳統(tǒng)的平板式硅太陽電池發(fā)電系統(tǒng)在地面應(yīng)用中爭奪市場。最近的發(fā)展動(dòng)態(tài)表明,-族化合物半導(dǎo)體多結(jié)太陽電池,作為光伏領(lǐng)域內(nèi)新的技術(shù)突破,有著廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。1多結(jié)級(jí)連太陽電池的高光電轉(zhuǎn)換效率機(jī)理和發(fā)展背景基于只有能量高于半導(dǎo)體帶隙寬度的個(gè)光子才能且只能激發(fā)產(chǎn)生一對(duì)光生載流子的原理,由單一半導(dǎo)體材料構(gòu)成的單結(jié)太陽電池

4、只能將太陽光譜中的某一部分有效地轉(zhuǎn)化為電能。能量低于半導(dǎo)體帶隙寬度的光子無法將價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶,不能對(duì)光生電流產(chǎn)生貢獻(xiàn),這構(gòu)成了光電轉(zhuǎn)換中的電流損失。而能量高于半導(dǎo)體帶隙寬度的光子只能將一個(gè)電子激發(fā)到導(dǎo)帶,把與帶隙寬度相當(dāng)?shù)哪芰總鹘o光生載流子,多余的能量則將以聲子的形式傳給晶格,變成熱能,構(gòu)成光電轉(zhuǎn)換中所謂的電壓損失。因此,若選擇窄帶隙半導(dǎo)體,則太陽電池的短路電流密度高而開路電壓低;若選擇寬帶隙半導(dǎo)體,則太陽電池的開路電壓高而短路電流密度低。顧此而失彼,除非引入新的機(jī)理4,其光電轉(zhuǎn)換效率為固有的帶隙寬度所限制,非聚光條件下的理論上限為30%。即使是帶隙寬度與太陽光譜較為匹配的GaAs 單結(jié)電

5、池,已實(shí)現(xiàn)的AM1.5效率的最好結(jié)果也僅為25%5。顯然,以多種帶隙寬度不同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成級(jí)連太陽電池,用各級(jí)子電池去吸收利用與其帶隙寬度最相匹配的那部分太陽光譜,從而減小上述單結(jié)電池在光電轉(zhuǎn)換過程中的“電流損失”和“電壓損失”,是突破上述光電轉(zhuǎn)換效率限制的最好途徑。如圖1所示,當(dāng)設(shè)計(jì)方案為各級(jí)子電池相互疊加時(shí),子電池要按材料的帶隙寬度從寬到窄依次排列。太陽光首先進(jìn)入頂部帶隙最寬的第一級(jí),未被吸收的波長較長的光則逐級(jí)向下透射進(jìn)入下層各級(jí)電池,直至被全部吸收。事實(shí)上,早在硅太陽電池在貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生的第二年,即1955年,就已經(jīng)有人提出這樣的設(shè)計(jì)思想。從上個(gè)世紀(jì)70年代起,在硅和砷化鎵等單結(jié)太陽

6、電池達(dá)到較高性能水平后,為了實(shí)現(xiàn)更高的光電轉(zhuǎn)換效率,人們開始更多地注意多結(jié)級(jí)連太陽電池的研究,有越來越多的論文對(duì)理論設(shè)計(jì)和方案選擇開展探討6。實(shí)現(xiàn)多結(jié)級(jí)連太陽電池結(jié)構(gòu)最簡單易行的方法就是分別制備各級(jí)子電池,然后把它們機(jī)械地疊加起來。例如,有人曾用帶隙為1.42eV 的-族化合物半導(dǎo)體GaAs 和帶隙約為1.0eV 的-族化合物半導(dǎo)體CuInSe 2構(gòu)成的雙結(jié)電池實(shí)現(xiàn)了23.1%的AM0光電轉(zhuǎn)換效率7。由GaAs/Ge 8和GaAs/GaSb 9構(gòu)成的機(jī)械疊加雙結(jié)電池也都曾實(shí)現(xiàn)較高的性能。但即使是對(duì)于最簡單的雙結(jié)電池,機(jī)械級(jí)連的方法也具有難以克服的缺點(diǎn)。首先,頂電池對(duì)于底電池必須是“透明”的。當(dāng)

7、使用厚襯 底時(shí),攙雜濃度不能太高。另外,如圖2所示,頂層電池的下電極金屬接觸也必須象上電極一樣做成柵線構(gòu)型,而且要與兩級(jí)子電池的上電極圖形精確對(duì)準(zhǔn)。兩級(jí)子電池一般具有4個(gè)輸出端(terminal,通常要在電學(xué)上先把幾個(gè)同級(jí)子電池互連,再去與另一級(jí)子電池相連接,對(duì)外構(gòu)成一個(gè)兩端器件。如,先將4只CuInSe2電池串連實(shí)現(xiàn)與Ga(AlAs頂電池的電壓匹配,再把兩級(jí)電池并連成兩端器件7。電學(xué)上互連的復(fù)雜程度使機(jī)械級(jí)連疊層電池很難真正投入大規(guī)模的生產(chǎn)與應(yīng)用。機(jī)械級(jí)連電池的各級(jí)子電池一般都要使用各自的襯底,這也大大增加了制造成本。半導(dǎo)體材料外延生長技術(shù),特別是III-V族化合物半導(dǎo)體的金屬有機(jī)物氣相外延

8、(MOVPE技術(shù)的成熟發(fā)展使得制備整體集成式多結(jié)級(jí)連太陽電池成為可能。由圖3所示的模擬計(jì)算結(jié)果10看,雙結(jié)級(jí)連電池的材料最佳匹配選擇應(yīng)是頂電池和底電池的帶隙寬度分別為1.75eV和1.12eV左右。雖然近幾年有人報(bào)道了在Si(E g為1.1eV襯底上直接生長晶格匹配的GaNPAs四元化合物半導(dǎo)體(E g為1.61.9eV的研究結(jié)果11,但在實(shí)踐上很難找到在帶隙寬度上如此理想搭配,晶格常數(shù)又非常匹配的兩種材料來實(shí)現(xiàn)整體級(jí)連電池結(jié)構(gòu)。人們不得不在兩種相反的技術(shù)途徑之間擇其一:優(yōu)先考慮光學(xué)和電學(xué)上的要求,即對(duì)帶隙寬度的要求,努力去用晶格漸變、超晶格結(jié)構(gòu)等方法實(shí)現(xiàn)非晶格匹配材料的生長;優(yōu)先考慮晶體學(xué)上

9、的要求,即對(duì)材料晶格匹配的要求,以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量晶體材料的生長,而放寬對(duì)帶隙寬度的最佳匹配選擇。迄今為止的實(shí)踐表明,非晶格匹配材料的生長始終是個(gè)難以理想解決的課題。而后一種途徑,雖永遠(yuǎn)無法達(dá)到與太陽光譜的最佳匹配,卻更容易實(shí)現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效率的現(xiàn)實(shí)目標(biāo)。正是這后一種選擇實(shí)現(xiàn)了我們今天所看到的,以GaInP2/GaAs/Ge三結(jié)級(jí)連太陽電池為代表的光伏技術(shù)新突破。事實(shí)上,由于Al-GaAs/GaAs單結(jié)電池從上個(gè)世紀(jì)80年代初開始已通過MOVPE方法投入成熟的大規(guī)模生產(chǎn),雖然有人嘗試過InP/GaInAs等其它材料系統(tǒng),而早期的晶格匹配、兩端整體級(jí)連電池的研究主要集中于AlGaAs/GaAs雙結(jié)電池。

10、盡管早在上世紀(jì)80年代末已實(shí)現(xiàn)很高的轉(zhuǎn)換效率12,但AlGaAs/GaAs 雙結(jié)電池的進(jìn)一步發(fā)展卻受到限制。由于與GaAs底電池相搭配,AlGaAs頂電池的Al組分要足夠高,以使帶隙寬度接近1.9eV。這時(shí)AlGaAs已從直接帶隙材料轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接帶隙材料(見圖4,實(shí)現(xiàn)電流匹配則需要相當(dāng)厚的頂電池。而且, MOVPE生長時(shí),Al源對(duì)殘余氧的敏感性也為制備高質(zhì)量的高Al組分AlGaAs帶來困難13。Jerry M.Olson等于上世紀(jì)80年代中期率先開展了GaInP2/GaAs晶格匹配整體級(jí)連雙結(jié)電池的研究13。如圖4所示,與GaAs晶格匹配的GaInP2具有與高Al組分AlGaAs相當(dāng)?shù)膸秾挾?

11、卻不存在上面所提到的兩個(gè)問題。很可能是由于受到當(dāng)時(shí)MO源和MOVPE設(shè)備水平的限制,在早期很難生長出高質(zhì)量的GaInP2材料,因此這一方案并不被看好。但隨著MOVPE技術(shù)的發(fā)展和對(duì)GaInP2越來越深入的認(rèn)識(shí)14, GaInP2/GaAs雙結(jié)電池迅速取得超過其它任何材料系統(tǒng)所達(dá)到的轉(zhuǎn)換效率,第一次實(shí)現(xiàn)了把30%的陽光(AM1.5,非聚圖1多結(jié)疊層級(jí)連太陽電池示意圖圖2兩端GaAs/CIS雙結(jié)級(jí)連太陽電池示意圖7(a子電池電流匹配(虛線以下部分(b頂電池?zé)o窮厚圖3雙結(jié)級(jí)連太陽電池的AM1.5理論效率與子電池帶隙寬度的關(guān)系10 光轉(zhuǎn)換成電能15,成為整體多結(jié)級(jí)連太陽電池研究的關(guān)注焦點(diǎn)。與此同時(shí),以

12、Ge單晶片為襯底的GaAs太陽電池已大量應(yīng)用于衛(wèi)星能源系統(tǒng)。Jerry M.Olson等在GaInP2/GaAs雙結(jié)電池研究中所取得的成果,在上個(gè)世紀(jì)90年代中期很快以技術(shù)轉(zhuǎn)讓的形式在美國的兩個(gè)空間電池生產(chǎn)廠家(Spectrolab 和Tecstar實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用16。1997年8月,裝備了Ge襯底GaInP2/GaAs雙結(jié)電池的第一顆商業(yè)通信衛(wèi)星被發(fā)射升空。這顆美國休斯公司的HS601電視直播衛(wèi)星,不改變太陽方陣的原有設(shè)計(jì),僅僅以平均效率為21.6%的GaInP2/GaInAs/Ge雙結(jié)電池取代Si太陽電池,方陣的輸出功率就從4.8kW提高了一倍,達(dá)到10kW,大大增加了衛(wèi)星的有效載荷,成為

13、空間能源系統(tǒng)的一個(gè)新的里程碑。從圖4可以看到,GaInP2、GaAs和Ge從上到下三點(diǎn)成一線,帶隙寬度分別為1.86、1.42eV和0.67eV,正好構(gòu)成晶格匹配的級(jí)連三結(jié)電池材料系統(tǒng),雖然并不完全理想。在外延生長GaAs中間電池和GaInP2頂電池的同時(shí),通過控制V族和III族元素向Ge襯底中的擴(kuò)散,可以在Ge襯底表面形成pn 結(jié),構(gòu)成底電池,從而形成GaInP2/GaAs/Ge整體級(jí)連三結(jié)結(jié)構(gòu)。GaInP2/GaAs/Ge雙結(jié)電池在Spectrolab和Tecstar很快演變?yōu)槿Y(jié)電池。盡管p/n(即p-on-n極性的GaInP2/GaAs/Ge 三結(jié)電池也曾實(shí)現(xiàn)了很高的轉(zhuǎn)換效率17,但相

14、反極性,即n/p (n-on-p型的GaInP2/GaAs/Ge三結(jié)電池被證明在兩個(gè)方面更具優(yōu)越性:(1相對(duì)于p/n型構(gòu)型,n/p型頂電池更易于制備成淺結(jié)卻又不影響發(fā)射區(qū)的薄層電阻,從而改進(jìn)頂電池短波響應(yīng)18;(2p-GaAs基區(qū)比n-GaAs具有高得多的遷移率19和抗輻照性能。從上個(gè)世紀(jì)90年代后期開始,隨著Spectrolab在1996年第一次報(bào)道了n/p型的GaInP2/GaAs/Ge三結(jié)電池的小批量生產(chǎn)結(jié)果20,各空間電池生產(chǎn)廠家都全力以赴投入n/p型GaInP2/GaAs/Ge三結(jié)電池的研究19。電池性能記錄被不斷刷新,新的產(chǎn)品相繼被應(yīng)用于新一代的大功率商業(yè)通信衛(wèi)星。進(jìn)入21世紀(jì)后,

15、極高的光電轉(zhuǎn)換效率使人們開始意識(shí)到,GaInP2/GaAs/Ge三結(jié)電池完全可以以聚光電池的形式去開辟地面應(yīng)用市場。很多公司和研究機(jī)構(gòu)都相繼投入了高倍聚光多結(jié)電池的研制,大部分聚光系統(tǒng)開發(fā)商也都開始積極探索用新一代的GaInP2/GaAs/Ge多結(jié)電池取代過去的高效硅太陽電池。光伏技術(shù)發(fā)展達(dá)到了新的高度,其造福于人類的應(yīng)用展現(xiàn)出新的前景。2GaInP2/GaAs/Ge三結(jié)空間電池的持續(xù)進(jìn)步當(dāng)前應(yīng)用衛(wèi)星的兩個(gè)重要發(fā)展趨勢,即大功率及超大功率通信衛(wèi)星和用于各種目的的小型及超小型衛(wèi)星,都對(duì)太陽電池性能提出了更高的要求。GaInP2/GaAs/Ge三結(jié)電池正是在這種空間應(yīng)用的需求牽引下產(chǎn)生和發(fā)展的。如

16、上所述,在最近10年里,這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步之快,光電轉(zhuǎn)換效率的上升、突破之持續(xù)和迅速,是光伏技術(shù)發(fā)展史上其它類型太陽電池所沒有經(jīng)歷過的。由于轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Si太陽電池和GaAs/Ge單結(jié)電池,GaInP2/GaAs/Ge三結(jié)電池的應(yīng)用使太陽方陣的面積比功率和質(zhì)量比功率都得到改進(jìn),且在系統(tǒng)水平上降低了單位功率的制造成本。在這一領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位的是美國波音公司下屬的子公司Spectrolab。我們可以通過解讀Spec-trolab在這一領(lǐng)域內(nèi)所解決的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)來了解這一技術(shù)最近10年來的進(jìn)展。圖5為Spectrolab的各種效率水平的太陽電池第一次應(yīng)用于空間飛行器的年代表1。從圖中可以看到,Ga

17、InP2/GaInAs/Ge多結(jié)電池的進(jìn)步速度和趨勢與Si太陽電池及GaAs單結(jié)電池形成鮮明對(duì)比。Spectrolab的多結(jié)電池已經(jīng)歷四代更新,即雙結(jié)(DJ-Dual Junction16、三結(jié)(TJ-Triple Junction21、改進(jìn)型三結(jié)(ITJImproved Triple Junc-tion22和超高效三結(jié)(UTJUltra Triple Junction23,平均效率(AM0,28分別為21.8%、25.1%、26.8%和28%。產(chǎn)品的效率水平差不多平均每年提高一個(gè)絕對(duì)百分點(diǎn)。圖6為這四代多結(jié)電池的效率分布圖1,從中我們可以清晰地看到電池性能的持續(xù)進(jìn)步。圖4部分III-V族化合

18、物半導(dǎo)體的帶隙寬度與晶格常數(shù)圖5Spectrolab各種效率水平的太陽電池第一次上天的年代1圖6Spectrolab四代多結(jié)電池的效率分布圖1 如圖7所示,典型的GaInP2/GaAs/Ge三結(jié)電池由近20層材料結(jié)構(gòu)構(gòu)成。每一層的晶體質(zhì)量和外延生長工藝控制都會(huì)影響器件的性能。上個(gè)世紀(jì)90年代以來,MOCVD設(shè)備與技術(shù)的成熟發(fā)展,使得人們?cè)诤軐挼淖杂啥葍?nèi)優(yōu)化GaInP2/GaAs/Ge多結(jié)電池的復(fù)雜結(jié)構(gòu)成為可能。極高的外延層厚度與材料組分均勻性,超薄層結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確控制,陡峭的層間截面,材料組分和雜質(zhì)濃度的高精度控制或漸變分布控制,寬范圍的材料源選擇等等,都為GaInP2/GaAs/Ge多結(jié)電池技術(shù)

19、的發(fā)展提供了必要條件。2.1III-V族半導(dǎo)體極性材料在非極性Ge單晶襯底上的成核(nucleation技術(shù)在非極性的Ge襯底上外延生長GaAs這樣的極性材料,容易形成反相疇(APD缺陷。但這在早期的Ge襯底GaAs 太陽電池的外延生長技術(shù)中已得到較好的解決。對(duì)于多結(jié)電池來說,現(xiàn)在要解決的是,第一層外延層,即成核層的沉積,除了要為后繼外延層的高質(zhì)量生長提供基礎(chǔ)外,還要通過控制III和V族雜質(zhì)向Ge襯底內(nèi)的擴(kuò)散在Ge襯底表面形成pn結(jié),以形成性能良好的底電池。對(duì)于p/n結(jié)構(gòu),III族的擴(kuò)散應(yīng)占主導(dǎo),以在n型Ge襯底內(nèi)形成p+/n結(jié)。而對(duì)于n/p結(jié)構(gòu),則V族的擴(kuò)散應(yīng)占主導(dǎo),以在p型Ge襯底內(nèi)形成n

20、+/p 結(jié)。早期的n/p型GaInP2/GaAs/Ge三結(jié)電池仍延用GaAs/Ge 單結(jié)電池外延工藝如圖7,使用GaAs成核層。后來的工作表明,以GaInP作為成核層,通過P,而不是As的擴(kuò)散,可以更好地控制n+/pGe結(jié)的性能。控制Ge結(jié)深度,改進(jìn)發(fā)射區(qū)表面鈍化,形成性能優(yōu)良的Ge底電池是提高三結(jié)電池轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵之一21,24。2.2隧穿結(jié)整體多結(jié)級(jí)連電池的另一項(xiàng)基本關(guān)鍵技術(shù)是用隧穿結(jié)將相鄰的兩級(jí)子電池連接起來,既不能造成明顯的電壓損失(隧穿結(jié)上的壓降,也不能引起太大的電流損失(隧穿結(jié)的光吸收。最早,人們只能設(shè)法用金屬把相鄰兩級(jí)子電池之間的反級(jí)性界面短路掉25。但金屬短路法需要進(jìn)行多步光刻

21、套刻和電池結(jié)構(gòu)的逐層腐蝕,工藝復(fù)雜,而且會(huì)影響到電池的填充因數(shù)和電流密度等性能。MOVPE技術(shù)的進(jìn)步使得GaAs隧穿結(jié)的整體生長成為可能。其關(guān)鍵要求是:(1高度均勻的超薄外延層生長;(2高攙雜的n+層和p+層之間具有陡峭的界面。早期的GaAs隧穿結(jié)26應(yīng)用于GaAs中間電池和Ge底電池之間的連接雖無問題,但在用來連接GaInP頂電池和GaAs電池中間時(shí),盡管隧穿結(jié)的電學(xué)性能在后來得到了很大改進(jìn)27,隧穿結(jié)的光吸收會(huì)影響到GaAs中間電池的短路電流密度。為此,人們研制了p+-GaAlAs/n+-GaInP28,p+-GaInP/n+-GaInP29甚至p+-GaAlAs/n+-InGaAlP30

22、等寬帶隙隧穿結(jié)。但是,隨著帶隙寬度的升高,隧穿結(jié)的隧穿幾率和峰值電流會(huì)下降。實(shí)際上,作為寬帶隙隧穿結(jié),應(yīng)用得最多的還是p+-GaAlAs/n+-GaInP材料體系。2.3與Ge襯底完全晶格匹配的GaInP2/GaInAs/Ge三結(jié)電池上述兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)解決后,GaInP2/GaAs/Ge三結(jié)電池結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)已僅僅是材料外延生長程序的編制問題。因?yàn)?在這之前人們已對(duì)GaAs和GaInP單結(jié)電池有了足夠的了解。于是,在上個(gè)世紀(jì)90年代中期誕生了第一代GaInP2/GaAs/Ge三結(jié)電池21。其典型的性能參數(shù)為:U=2.54V;J=15.6mA/cm2,使電池AM0效率限制在25%左右。進(jìn)入21世紀(jì)后,

23、一項(xiàng)極其簡單,卻很有意義的技術(shù)應(yīng)用使基于GaAs的三結(jié)電池的效率水平上升到一個(gè)新的臺(tái)階。如果仔細(xì)觀察,從圖4可以看出, GaAs和Ge并不是精確的處在一條晶格匹配直線上。實(shí)際上,室溫下Ge的晶格常數(shù)為0.56578nm31,比GaAs(0.56232nm高約0.6%。第一代GaInP2/GaAs/Ge三結(jié)電池的外延層是與GaAs晶格匹配的,與Ge襯底則構(gòu)成約0.6%的晶格失配。即使如此小的晶格失配也會(huì)在GaAs外延層中引起應(yīng)力,從而影響到少數(shù)載流子壽命。在GaAs摻入約1%的In,則可以實(shí)現(xiàn)與Ge的嚴(yán)格晶格匹配,完全消除Ga(InAs外延層中的應(yīng)力,使少數(shù)載流子壽命提高達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)32。這將大

24、大改進(jìn)Ga(InAs中間電池對(duì)光生載流子的收集,提高電池的短路電流密度。而且In的摻入將使Ga(InAs的帶隙變窄。筆者測得的與Ge完全晶格匹配的Ga(InAs的帶隙寬度為1.408eV33,與文獻(xiàn)32報(bào)道的結(jié)果一致。這將使其吸收限“紅移”十幾meV,向紅外方向擴(kuò)展Ga(InAs中間電池的光吸收范圍。這成為提高中間電池的短路電流密度的另一個(gè)或許是更重要的一個(gè)因素。同時(shí),GaInP頂電池也應(yīng)調(diào)整In/Ga比及電池基區(qū)厚度,與Ge達(dá)到完全晶格匹配并與Ga(InAs中間電池實(shí)現(xiàn)電流匹配。盡管開始時(shí)Spectrolab等開發(fā)商對(duì)此避而不談,但事實(shí)上正是這一改進(jìn)使第一代三結(jié)電池的電流密度提高8%左右,升

25、至17mA/cm2。從而使電池效率水平提高近兩個(gè)百分點(diǎn),升級(jí)到第二代產(chǎn)品,即所謂的ITJ。與第一代三結(jié)電池相比,ITJ的開路電壓也有近20mV的改進(jìn)。這是由于外延層中應(yīng)力的消除顯著改進(jìn)了Ga(InAs的晶體質(zhì)量28。作為晶體質(zhì)量的表征,由X光衍射測定的半峰寬(FWHM從50多弧秒下降到20弧秒以下33。2.4提高頂電池帶隙寬度晶格匹配的GaInP2/Ga(InAs/Ge三結(jié)電池對(duì)于太陽光譜圖7典型的GaInP2/GaAs/Ge三結(jié)電池結(jié)構(gòu)示意圖 來說,并不是理想的材料組合32。要實(shí)現(xiàn)頂電池與中間電池的電流匹配設(shè)計(jì),要么不得不把頂電池減到足夠薄,要么需要提高頂電池材料的帶隙寬度,以使足夠的陽光可

26、以透過GaInP 頂電池,進(jìn)入Ga(InAs中間電池。顯然,后一個(gè)途徑更可取。因?yàn)?提高頂電池的帶隙寬度將增加頂電池的開路電壓,從而提高三結(jié)電池的整體開路電壓。而前者,雖然也能達(dá)到子電池的電流匹配,卻不能使頂電池更充分地利用太陽光譜的短波部分,造成本文開始時(shí)提到的電壓損失。在三結(jié)電池由于短路電流密度的提高從第一代升級(jí)到第二代后,如何提高頂電池的帶隙寬度,改進(jìn)電池的開路電壓則成為進(jìn)一步改善電池電性能的焦點(diǎn)。一個(gè)顯而易見的方法是用AlGaInP四元合金取代GaInP。與我們前面提到的AlGaAs外延生長所碰到的問題一樣,這在一定程度上受到Al對(duì)殘余氧的敏感性的限制。另一條途徑是通過增加III族亞晶

27、格的無序排列程度來提高GaInP的帶隙寬度。實(shí)驗(yàn)表明,生長溫度、攙雜濃度等工藝條件和襯底晶向都會(huì)影響GaInP外延層中III族原子的無序排列程度14,28,使其帶隙寬度可以在約100meV的差別范圍內(nèi)變化32。正是利用完全無序的GaInP頂電池,Spectrolab在2002年創(chuàng)下了GaInP2/GaAs/Ge三結(jié)電池開路電壓超過2.7V 的記錄,使電池AM0效率也破記錄地逼近30%32。由此,約一年后,Spectrolab的GaInP2/GaAs/Ge三結(jié)電池產(chǎn)品升級(jí)到第三代,即UTJ。UTJ的電性能參數(shù)與ITJ相比,最大的改進(jìn)就是標(biāo)稱開路電壓從2.56V提高100mV,達(dá)到了2.66V。國

28、外的其他廠家也先后通過同樣的技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)了GaInP2/GaAs/Ge 三結(jié)電池的換代升級(jí)。美國Emcore公司最新一代的三結(jié)電池產(chǎn)品BTJ的平均效率達(dá)到28.5%34,德國RWE公司的第二代三結(jié)電池產(chǎn)品平均效率達(dá)到27.8%35,與Spectrolab的UTJ水平相當(dāng)。其共同的標(biāo)志就是開路電壓超過2.66V。對(duì)于基于GaAs的三結(jié)電池來說,在地面陽光下,最佳頂電池帶隙寬度約為1.9eV,可以用完全無序的GaInP實(shí)現(xiàn)。但在外層空間太陽光譜下,則需要頂電池帶隙寬度接近2.0eV32。因此,僅僅靠III族亞晶格的無續(xù)是不夠的,需要在GaInP三元化合物中加入一定量的Al,形成更寬帶隙的AlGaI

29、nP四元合金1,28。帶隙更寬且仍能有效地鈍化發(fā)射區(qū)表面的頂電池將是下一代三結(jié)電池的重要課題。Emcore已報(bào)道了高達(dá)2.76V的開路電壓34,這表明Spectrolab所宣稱的平均效率高達(dá)30%的第四代三結(jié)電池產(chǎn)品XTJ1在近期內(nèi)投產(chǎn)是完全可能的。參考文獻(xiàn):1KING R R.Advanced III-V multijunction cells for spaceA.4thWorld Conference on Photovoltaic Energy ConversionC.Hawaii, USA:IEEE Piscataway,2006.17571762.2HENRY W,BRANDHOR

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