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GaAs单晶结构与特性的研究进展 内容概要 GaAs的晶体结构 GaAs材料的性能的优缺点 GaAs太阳电池的结构 GaAs太阳电池的研究进展 1 GaAs的晶体结构 GaAs作为III-v族化台物半导体材料，晶体结构属于闪锌矿型晶格结构，砷化镓在晶体结构上不存在对称中心，在砷、镓原子之间的化学键合上，电子密度分布也不对称，这两种不对称性称为化合物的极性。 由于极性的存在，使闪锌矿结构的晶体的解理面改变。 1.一般情况下，面心立方晶体中，{111}面的面间距和面密度最大．应该是晶体的解理面。 2.但对闪锌矿结构的砷化镓来说，虽然也是面心立方结构，但由于它的{111}面间带异性电荷的砷原子和镓原子间的相互作用，有较大的库仑引力，使{111}面分离困难而变成非主要解理面。而砷化镓的{110}面的面间距虽然比{111}面小，但{110}面是数目相同的异类原子组成，从整体来说，异类原子问的引力和同类原子间的斥力抵消，分离比较容易，成为主要解理面。使得砷化镓材料具有独特的性质。 2 GaAs材料的性能的优缺点 1.高的能量转换效率：直接跃迁型能带结构，GaAs的能隙为1.43eV，处于最佳的能隙为1.4～1.5eV之间，具有较高的能量转换率； 2.电子迁移率高； 3.易于制成非掺杂的半绝缘体单晶材料，其电阻率可达108?.㎝以上； 4.抗辐射性能好：由于III-V族化合物是直接能隙，少数载流子扩散长度较短，在离结几个扩散度外产生的损伤 ,对光电流和暗电流均无影响。 5.温度系数小：能在较高的温度下正常工作。 GaAs材料的缺点 1.资源稀缺，价格昂贵，约Si材料的10倍； 2.污染环境，砷化物有毒物质，对环境会造成污染； 3.机械强度较弱，易碎； 4.制备困难，砷化镓在一定条件下容易分解，而且砷材料是一种易挥发性物质，在其制备过程中，要保证严格的化学计量比是一件困难的事。 3 GaAs太阳电池的结构 3.1 单结GaAs/Ge太阳电池 为了克服GaAs/GaAs太阳电池机械强度较差、易碎的缺点，1983年起逐步采用Ge替代GaAs制备为衬底。 单结太阳电池的缺点：只能吸收和转换特定光谱范围的太阳光，因此能量转换效率不高。 多结太阳电池，按带隙宽度大小从上至下叠合起来，选择性的吸收和转换太阳光谱的不同能量，就能大幅度提高电池的转换效率。 多结太阳电池，越上层的电池带隙越大。 3.2 双结GaAs太阳电池 双结GaAs太阳电池是由两种不同禁带宽度的材料制成的子电池 , 通过隧穿结串接起来。双结电池主要吸收太阳光谱的短波段和长波段。 4 GaAs太阳电池的研究进展 4.1 高效率多结GaAs太阳电池 改进多结GaAs太阳电池的结构和制备工艺，提高电池的光电转换效率(三结32%，四结35%)，扩大批产能力，大幅提高空间太阳电池方阵的面积比功率、质量比功率和应用寿命，降低太阳电池阵的成本。 4.2 GaAs薄膜太阳电池 GaAs电池质量大、费用高，利用GaAs材料对阳光吸收系数大的特点，可制成厚度5 -10 um)薄膜型。薄膜化可大大减轻太阳方阵质量，从而提高电池的质量比功率。 4.3 聚光太阳电池 空间聚光阵列具有更高的抗辐射性能、更低的费用和更高的效率，并可减少电池批产的资金投入。多结GaAs太阳电池因其高效率、高电压 ( 低电流) 和高温特性好等优点，而被广泛用于聚光系统。 * GaAs structure 闪锌矿结构在(110)面上的投影 GaAs/ Ge太阳电池的特点是 : 1：具有 GaAs/ GaAs电池的高效率、抗辐照和耐高温等优点；2：Ge 单晶机械强度高 ,可制备大面积薄型电池；3：:单晶价格约为GaAs的30%。单结GaAs电池结构如图： 理论计算表明： 1：双结GaAs太阳电池的极限效率为30%； 2：三结GaAs太阳电池的极限效率为38%； 3：四结GaAs太阳电池的极限效率为41%。 图为Ga0. 5In0. 5P/ GaAs( Ge) 双结太阳电池结构： 1：具有更高的性能和更长的应用寿命；2：90年代初, Ga0. 5In0. 5P/GaAs双结太阳电池从实验室研制进入批产阶段,批产的平均效率已达22%。 *