砷化镓太阳能光伏电池发展现状分析.doc

砷化镓太阳能光伏电池发展现状分析 来源：中华新能源网 作者：李雷 发布时间：2009.08.31 一、砷化镓电池基本介绍 近年来，太阳能光伏发电在全球取得长足发展。常用光伏电池一般为多晶硅和单晶硅电池，然而由于原材料多晶硅的供应能力有限，加上国际炒家的炒作，导致国际市场上多晶硅价格一路攀升，最近一年来，由于受经济危机影响，价格有所下跌，但这种震荡的现状给光伏产业的健康发展带来困难。目前，技术上解决这一困难的途径有两条：一是采用薄膜太阳电池，二是采用聚光太阳电池，减小对原料在量上的依赖程度。常用薄膜电池转化率较低，因此新型的高倍聚光电池系统受到研究者的重视[1]。聚光太阳电池是用凸透镜或抛物面镜把太阳光聚焦到几倍、几十倍，或几百倍甚至上千倍，然后投射到太阳电池上。这时太阳电池可能产生出相应倍数的电功率。它们具有转化率高，电池占地面积小和耗材少的优点。高倍聚光电池具有代表性的是砷化镓（GaAs）太阳电池。 GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温。与硅太阳电池相比，GaAs 太阳电池具有较好的性能[2]。 二、砷化镓电池与硅光电池的比较[3] 1、光电转化率： 砷化镓的禁带较硅为宽，使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好。目前，硅电池的理论效率大概为23%，而单结的砷化镓电池理论效率达到27%，而多结的砷化镓电池理论效率更超过50%。 2、耐温性 常规上，砷化镓电池的耐温性要好于硅光电池，有实验数据表明，砷化镓电池在250℃的条件下仍可以正常工作，但是硅光电池在200℃就已经无法正常运行。 3、机械强度和比重 砷化镓较硅质在物理性质上要更脆，这一点使得其加工时比容易碎裂，所以，目前常把其制成薄膜，并使用衬底（常为Ge [锗]），来对抗其在这一方面的不利，但是也增加了技术的复杂度。 三、砷化镓电池的技术发展现状 1、历程 GaAs 太阳电池的发展是从上世纪50年代开始的，至今已有已有50多年的历史。1954 年世界上首次发现GaAs 材料具有光伏效应。在1956 年，Loferski J. J.和他的团队探讨了制造太阳电池的最佳材料的物性，他们指出Eg 在1.2～1.6 eV 范围内的材料具有最高的转换效率。（GaAs 材料的Eg = 1.43 eV ，在上述高效率范围内，理论上估算，GaAs单结太阳电池的效率可达27%）。20世纪60 年代，Gobat等研制了第1个掺锌GaAs 太阳电池，不过转化率不高，仅为9 %～10 %，远低于27 %的理论值。20 世纪70年代，IBM公司和前苏联Ioffe 技术物理所等为代表的研究单位，采用LPE(液相外延)技术引入GaAlAs 异质窗口层，降低了GaAs 表面的复合速率，使GaAs 太阳电池的效率达16%。不久，美国的HRL(Hughes Research Lab)及Spectro lab 通过改进了LPE 技术使得电池的平均效率达到18%，并实现了批量生产，开创了高效率砷化镓太阳电池的新时代[4]。从上世纪80 年代后，GaAs 太阳电池技术经历了从LPE 到MOCVD，从同质外延到异质外延，从单结到多结叠层结构的几个发展阶段，其发展速度日益加快，效率也不断提高，目前实验室最高效率已达到50%（来自IBM公司数据），产业生产转化率可达30%以上。 2、几项基本技术介绍 GaAs生产方式有别于传统的硅晶圆生产方式，GaAs生产需要采用磊晶技术，这种磊晶圆的直径通常为4—6英寸，比硅晶圆的12英寸要小得多，因此，制备其磊晶圆需要特殊的机台。目前，常用于GaAs制备的技术有几种，主要有LPE 和MOVPE等。 2.1 LPE技术介绍 液相外延技术(Liquid Phase Epitaxy ，简称LPE)1963 年由Nelson 等人提出的，在GaAs的生产中，其以低熔点的Ga）镓）为溶剂，以待生长材料Ga、As（砷）和掺杂剂Zn（锌）、Te（碲）、Sn（锡）等为溶质，使溶质在溶剂中呈饱和或过饱和状态。通过降温冷却使石墨舟中的溶质从溶剂中析出，在单晶衬底上定向生长一层晶体结构和晶格常数与单晶衬底（常为Ga）足够相似的GaAs晶体材料，使晶体结构得以延续，实现晶体的外延生长。 2.2 MOVPE技术介绍 金属有机化学汽相淀积（MOCVD）是由美国洛克威尔公司的H.M. Manasevit等在1968年首先提出的一种制备化合物半导体薄层单晶膜的新型汽相外延生长技术。在GaAs晶片的制备中，它采用Ga元素的有机化合物和As的氢化物等作为晶体生长原料，以热分解反应方式在衬底上进行汽相外延，生长GaAs化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄膜层单晶材料。MOCVD是在常压或低压（≈10kPa）下于通H2的冷壁石英反应器中进行的，衬底温度为600-80