砷化鎵基系III-V族化合物半導體太陽電池的發展和應用(6)

中國科學院半導體研究所 ■ 向賢碧 廖顯伯

1997年Olson 等提出采用Ga1-xInxN1-yAsy四元系材料來研制第三結子電池，因為這是化合物半導體材料中，唯一一種可通過調節x、y值(Ga0.93In0.07N0.023As0.977)，既能得到約1eV的帶隙，又與GaAs晶格匹配的材料[24]。但是，帶隙為1eV的窄帶隙Ga1-xInxN1-yAsy材料的質量差，與N相關的本征缺陷多，少子擴散長度小，載流子遷移率低。雖然經過多年的努力，研制出的1eV的GaInNAs太陽電池的量子效率和短路電流Isc仍不夠大。

如果放寬晶格匹配的嚴格限制，組成帶隙更好匹配的GaInP/GaAs/GaInAs/GaInAs(1.9/1.4/ 1.0/0.7eV)四結疊層電池，不知能否取得成功？2011年美國Emcore公司在這方面取得了重要進展。他們應用反向應變(Inverted Metamophic，IMM)生長加襯底剝離技術，成功解決了晶格失配外延問題，所研制的空間用GaInP/GaAs/ GaInAs/GaInAs(1.9/1.4/1.0/0.7eV)四結疊層電池，其AM 0效率達到34.24%(2×2cm2)[24]，電池的結構如圖6所示。他們認為，IMM外延工藝的關鍵是控制好兩個組分梯度層的質量。陰極熒光測量結果顯示，優化的組分梯度層表面的位錯線密度小于5×106/cm2。

3.3 聚光III-V族多結疊層太陽電池

聚光光伏系統是在1970年代與地面應用光伏系統差不多同時發展起來的。當時太陽電池的價格非常昂貴，聚光太陽電池被認為是降低太陽電池系統成本的重要途徑。之后隨著光伏工藝技術的進步、電池效率的提高和產業規模的擴大，太陽電池的成本已大幅降低，聚光電池降低成本的優勢不再突出。而且聚光系統只能對直射陽光進行有效聚光，需對太陽的移動進行動態跟蹤，這又增加了聚光光伏系統的制造和運行成本。

III-V族化合物疊層太陽電池比Si太陽電池效率高、耐高溫，因而更適用于聚光太陽電池。隨著聚光度的增加，系統的成本降低，III-V族疊層聚光太陽電池成本預計將會降至0.3美元/W[25]。這使應用III-V族太陽電池系統實現大規模地面發電成為可能。

圖6 空間用GaInP/GaAs/GaInAs/GaInAs四結疊層電池結構

早期，俄羅斯約飛技術物理所和德國弗郎和費太陽能系統研究所在III-V族聚光太陽電池的研究和應用方面做了許多工作。而后，美國國家可再生能源實驗室(NREL)和 Spectrolab 公司等開展了聚光III-V族疊層太陽電池的研究，日本Sharp公司等也開展了III-V族聚光太陽電池系統的開發和生產。他們不僅提高了III-V族聚光太陽電池的效率，還研制出了多種聚光系統，如拋物面反射鏡式聚光太陽電池系統(圖 7)和菲涅爾透鏡式聚光太陽電池系統(圖8)等。近年來，國內天津三安公司也取得了可喜的進展。

圖7 拋物面反射鏡式聚光太陽電池系統照片和原理示意圖

圖8 菲涅爾透鏡式聚光太陽電池系統照片和原理示意圖

3.3.1 晶格匹配GaInP/GaInAs/Ge三結疊層聚光電池

2007年，美國Spectrolab公司報道，他們研制的晶格匹配(LM) 三結疊層Ga0.5In0.5P/ Ga0.98In0.02As/Ge(1.86/1.39/0.67eV)聚光電池效率達到40.1%(135倍AM 1.5D太陽光強，13.5W/cm2，25℃ )[26]。2009年9月，Spectrolab公司又報道，他們研制的晶格匹配GaInP/GaInAs/Ge 三結疊層聚光電池(0.3174cm2)，由于減小了柵極擋光面積，在364倍AM 1.5D光強下效率為41.6%[27]。

3.3.2 晶格應變GaInP/GaInAs/Ge三結疊層聚光電池

在保持Ge底電池不變的條件下，改善GaInP/GaInAs/Ge 三結疊層電池能帶匹配的一條途徑是，適當增加上、中電池的電流密度。這就要適當增加上、中子電池材料GaInP/GaInAs中In的含量，降低其帶隙寬度。2009年，德國Fraunhofer太陽能研究所在Ge襯底上制備了晶格應變(MM)Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As/Ge(1.67/1.18/ 0.67eV)三結疊層電池，在454倍AM 1.5D光強下效率達到41.1%[28]，電池結構如圖9所示。在Ga0.35In0.65P上電池與Ga0.83In0.17As中電池之間晶格匹配，而Ge和Ga0.83In0.17As之間晶格失配度達1.2%，需生長一緩變層使晶格常數從Ge的5.658?緩變到Ga0.83In0.17As的5.723?，并在緩變層上生長一高In組分Ga0.77In0.23As薄層，使其上生長的外延層晶格得到充分弛豫，以免殘留的結構應力在電池有源層中形成位錯。

圖9 Fraunhofer太陽能研究所研制的晶格失配三結疊層電池結構示意圖

[24] Patel P，Aiken D，Boca A，et al. Experimental results from performance improvement and radiation hardening of inverted metamorphic multi-junction sorlar cells[A]. Proceedings of 37th IEEE PVSC[C]，Seattle，Washington，2011.

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