GaAs太阳能电池的研究进展

邹永刚，李林，刘国军，万春明

(长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室，长春 130022)

太阳能电池的发现是人类能源史上的一次革命，发展前景十分广阔。III-V族半导体材料是继锗(Ge)和硅(Si)材料之后发展起来的一类重要太阳能电池材料，这类材料有许多优点，如具有直接带隙的能带结构，光吸收系数大，只需几微米的厚度就能充分吸收太阳光等。GaAs是III-V族半导体材料的典型代表，禁带宽度Eg是1.43eV，(理论计算表明，当Eg在1.2~1.6eV范围时，转换效率最高)与太阳光谱匹配，是理想的太阳能电池材料。

和硅材料太阳能电池相比，GaAs太阳能电池具有更高的光电转换效率，单结和多结GaAs太阳能电池的理论效率分别为27%和63%，远远高于Si太阳能电池的最高理论效率23%。而且GaAs材料太阳能电池具有明显的优势[1]，在可见光范围内，GaAs材料的光吸收系数远高于Si材料。同样吸收95%的太阳光，GaAs太阳能电池只需5～10m的厚度，而 Si太阳能电池则需大于150m。因此，GaAs太阳能电池能制成薄膜结构，质量大幅减小。GaAs具有良好的抗辐射性能，空间太阳能电池在地球大气层外工作，必然会受到高能带电粒子的辐照，电子或质子辐射使少数载流子的扩散长度减小，会引起电池性能的衰减，GaAs为直接禁带材料，少数载流子寿命较短，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，因此其抗高能粒子辐照的性能优于间接禁带的 Si太阳能电池。GaAs具有更好耐高温性能，其最大功率下的温度系数远小于Si太阳电池，200℃时Si太阳能电池停止工作，而GaAs太阳能电池仍可以10%的效率继续工作。GaAs还可制备成效率更高的多结叠层太阳能电池。随着金属有机气相外延(MOCVD：Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)技术的不断发展和完善。GaAs基多结叠层结构太阳能电池生长技术也取得了重大进展。而Ⅲ-Ⅴ族三元、四元化合物半导体材料(GaInP、AlGaInP、GaInAs等)的多样性，也为多结叠层太阳能电池研制提供了多种可供选择的材料。近年来，人们又将注意力集中于GaAs量子点结构太阳能电池，发现其能够扩展GaAs电池材料结的光谱带宽使其吸收更多波长的入射光，调整带隙使其吸收更长波长的光子增强电流等。这些特性使得量子点太阳能电池可大大提高光电转化率，同时能够降低昂贵的材料费用。综上，GaAs材料可研制更高转换效率、更好抗辐照性和适应空间恶劣温度变化的太阳能电池，必将成为21世纪卫星航天器的主电源。

1 GaAs基单结太阳能电池

由于太阳光谱的能量分布较宽，而半导体材料的带隙Eg都是确定的，因此只能吸收其中能量比其禁带宽度值高的光子，太阳光中能量小的光子则透过电池被背面电极金属吸收转化成热能，而高能光子超出禁带宽度的多余能量，通过光生载流子的能量热释作用传递给电池材料本身使其发热。这些能量最终都没有变成有效电能，因此对于单结太阳能电池，即使是晶体材料制成的，理论最高转换效率也只有25%左右。单结GaAs电池只能吸收特定光谱的太阳光，实验室实现的转换效率最高25.8%，高于晶体硅的23%[2]。

1.1 GaAs/GaAs同质结太阳能电池

GaAs材料太阳能电池的研究始于20世纪50年代，从发现GaAs材料具有光伏效应后就在理论和实验上对其进行了广泛深入的研究。60年代 A.Gobat等人首次采用扩散法制备出原理与硅太阳能电池相类似的GaAs太阳能电池，其转换效率只有不到10%。到了70～80年代，采用液相外延技术(LPE)制备的GaAs/GaAs太阳能电池最高效率已达到21%。当时有多家公司能够实现效率在18%左右的 GaAs/GaAs太阳能电池量产，如美国休斯公司、日本三菱公司等。当时主要采用的都是LPE技术，而LPE技术研制太阳能电池时存在GaAs材料表面复合速率高、多层复杂结构的生长难以实现和外延层参数难以精确控制等问题，限制了GaAs太阳能电池性能的进一步提高。由于GaAs同质结材料存在密度大、机械强度差、价格贵等缺点，又使GaAs太阳能电池的空间应用受到限制。这些问题促使人们寻找新的方法研制GaAs太阳能电池。

1.2 GaAs/Ge异质结太阳能电池

图1 GaAs，Ge单结太阳能电池结构示意图Fig.1 The schematic diagram of single-junction GaAs/Ge solar cell

20世纪80年代，美国的ASEC(TECSTAR)公司开始采用MOCVD技术制备GaAs/GaAs太阳能电池，并采用价格低廉的Ge代替GaAs做衬底研制出GaAs/Ge太阳能电池。基本结构的GaAs/Ge太阳能电池示意图如图1所示。其特点是保持GaAs/GaAs太阳能电池的高效率、抗辐射性和耐高温性的优点，同时又由于Ge的机械强度高不易破碎，因而增加了电池的实用性。且Ge单晶的价格只有GaAs的30%，大大降低了 GaAs太阳能电池的成本。而MOCVD技术生长的太阳能电池外延片表面平整，各层厚度均匀，浓度准确可控，制备的GaAs太阳能电池性能也有了明显改进，进一步提高了电池的效率。因此到了20世纪90年代，Ge衬底上异质外延的技术得以进一步发展成熟，很快便替代GaAs/GaAs太阳能电池。而其商品化的结果是GaAs电池得以真正开始大量应用于空间电源。

2 GaAs基多结太阳能电池

采用不同禁带宽度的 III-V族材料制备的多结叠层GaAs太阳能电池，通过禁带宽度由大到小组合，使得这些 III-V族材料可以分别吸收和转换太阳光谱中不同波长的光，能大幅提高太阳能电池的转换效率，更多地将太阳能转变成电能。叠层太阳能电池可以外延生长技术制备，在具有一定结晶取向的衬底上延伸并按一定晶体学方向生长薄膜，每一层薄膜都称为外延层。在衬底上逐层生长各级子电池，最终得到多结叠层结构电池。多结叠层电池示意图如图2所示。目前主要采用的有金属气相外延(MOCVD)和分子束外延(MBE)等外延生长技术。

图2 多结叠层太阳能电池结构示意图Fig.2 The schematic diagram of tandem multi-junction GaAs solar cell

双结叠层太阳能电池是由两种不同禁带宽度的材料制成的子电池，通过遂穿结串接而成，其研究已经比较成熟，主要的结构有 AlGaAs/GaAs，GaInP/GaAs，GaInAs/InP，GaInP/GaInAs等，其中GaInP/GaAs结构材料的研究最多，实验室研制的最高效率达到26.9%(AM0)，90年代初批量生产的效率达22%。

在GaInP/GaAs结构双结太阳能电池基础上，又进一步研制了效率更高的三结太阳能电池，主要结构是GaInP/GaAs/Ge。由于三结GaAs太阳能电池有很好的高温特性(工作温度每升高1℃性能仅下降0.2%，可在200℃情况下正常工作)，通过聚光将显著提高电池电流输出，特别在实现高倍聚光后，可获得更高的功率输出(聚光倍数可达500倍以上)。

近年来，国外许多研究小组报道了具有外延生长异质结、量子阱器件结构的高效率GaAs基多结太阳能电池[3，4]。多结太阳能电池技术人为地在宽禁带半导体材料中引入中间能级，更多光子都可以被有效地吸收。目前，三结GaAs基太阳能电池的转换效率已经达到了40.8%，已经达到了理论数值水平。

研究发现，太阳能电池的结数越多，转化效率也就越高，因此四结、五结甚至更多结的太阳能电池研制成为太阳能电池研究领域的热点。理论计算结果表明，GaInP/GaAs/GaInNAs/Ge四结太阳能电池的光电效率可达41%[5]，但是由于技术条件的限制，目前仍没有实现理论预测的高转换率。其研究仍是一个非常有挑战性的课题，对于多结级联GaAs基太阳能电池的进一步发展将有重要意义。

3 GaAs基量子点电池

量子点是另外一类可以用于高效Ⅲ-Ⅴ太阳能电池的新材料，是第三代太阳能电池，也是目前最新、最尖端的太阳能电池之一[6]。量子点的尺度介于宏观固体与微观原子、分子之间，量子点材料生长形成一个个尺寸为1~10nm的纳米级颗粒，纳米尺度的小尺寸效应决定了量子点有许多独特优异的重要特性，如具有可变化的带隙，可调节的光谱吸收性等。这些特性使太阳能电池可大大提高光电转换率，并降低昂贵的材料费用，有望最终降低太阳能发电的成本。具有量子点结构的太阳能电池示意图如图3所示[7]。近几年，Luque等研究人员相继报道了这种具有量子点结构的太阳能电池，并通过理论计算结果表明，量子点结构太阳能电池最大的光电转换效率可以达到 63%[8]。也有实验结果表明，掺杂了量子点结构的太阳能电池能够大幅拓展材料的红外光谱响应范围[9，10]。通过调整量子点的尺寸和面密度，还可以将光谱响应拓展到更长的波长范围[11]。

图3 量子点结构太阳能电池示意图[7]Fig.3 The schematic diagram of single-junction quantum dots solar cell

尽管人们已经看到量子点太阳能电池材料的优异性，且开展了相当多的研究，然而其在实验上的量子点太阳能电池的总体效率并没有实现突破，目前最好的结果是是筑波大学利用 InAs量子点制备太阳能电池单元，可实现的光电转换效率只有8.54%，还远不如体材料太阳能电池的结果。这是由于在量子点材料生长过程中所产生的应变积累而导致的缺陷一直是材料外延技术上的一个难题，仍需要进一步的理论和实验研究。

量子点材料也可以作为多结太阳能电池的一个结，整合到多结太阳能电池中。相当于人为地在宽禁带半导体材料中引入中间能带，使量子点可以作为中间能带合并到多结太阳能电池之中，进而增加电流或光电转换效率。多结太阳能电池在宽太阳光谱吸收方面存在一个主要难题就是寻找有效带隙能量的子电池材料，常用的几种材料已覆盖了大部分光谱范围，如 GaInP(1.85eV)，GaAs(1.43eV)，Ge(0.67eV)，寻找理想的中间带隙(1.1eV左右)能量材料仍是一个难点，主要原因是可选择性较少，而外延技术又很难生长较好的半导体材料，使其成为限制高效率多结太阳能电池发展的瓶颈。最近研究发现，通过控制量子点结构的InGaAs材料尺寸，调节其能带大小在1.1eV附近，能够作为多结太阳能电池中间带隙能量的子电池材料，这为研制高效率多结太阳能电池提供了重要思路。

图4 不同尺寸的叠层量子点结构示意图Fig.4 The schematic diagram of different size tandem quantum dots

本实验室利用MOCVD技术开展了InGaAs量子点材料生长研究，通过调节 InGaAs量子点的生长温度、生长速率和量子点层厚度等工艺参数，能够制备出不同尺寸、高密度、低缺陷的 InGaAs量子点材料。不同尺寸的叠层量子点材料的结构如图4所示，发现通过改变量子点的尺寸可以拓展光材料的光谱响应范围，其中尺寸小的量子点可以吸收高能量范围的太阳光，而尺寸大的量子点可以吸收低能量范围的太阳光。因此，具有量子点结构的太阳能电池可以进一步提高太阳光谱的整体匹配程度，进而提高光电转换效率。

4 结语

GaAs太阳能电池作为新一代高性能长寿命空间主电源，正在逐步取代目前广泛采用的硅电池，在空间电源领域占据主导地位。具有量子点结构的太阳能电池是研究重点，对于制备多结高效率太阳能电池具有重要意义。然而，制备量子点材料，提高其材料质量，提高多层量子点阵列的面密度和均匀性等一直是尚未完全解决的技术难题。因此，采用量子点材料外延生长技术，探索解决多层量子点阵列的面密度和均匀性等技术难题，为制备高效率GaAs基太阳能电池提供理论和技术支持，是非常重要且有意义的课题。

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