超薄Ga InP/Ga InAs/Ge太阳电池研究

高 伟， 张 宝， 薛 超， 高 鹏， 王保民

（中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384）

现代航天工程的发展对电源系统的要求越来越高，一方面要求高功率，另一方面又要求尽量减小电源系统的质量、体积，同时要降低成本[1]。自20世纪90年代中期以来，以砷化镓电池为基础的高效率多结太阳电池得到大力发展，但是由于使用的工艺设备、原材料等原因，电池的质量比功率因刚性衬底的引入难以大幅度地降低。鉴于Ⅲ-Ⅴ族太阳电池的光电转换效率高、抗辐照性能好、温度特性优越等优点，各国科研人员都在现有技术的基础上进行着超薄或柔性Ⅲ-Ⅴ族太阳电池研究。

近年来，GaInP/GaInAs/Ge结构的砷化镓太阳电池作为主要的电源被广泛地应用于各种航天器。这种结构的太阳电池是在Ge衬底上通过MOCVD工艺进行生长GaInP结的顶电池和GaInAs结的中间电池与扩散形成的Ge结的底电池串联成三结太阳电池，其中Ge材料既是衬底又是电池的重要组成部分。三结太阳电池外延层仅有6μm厚左右，电池的质量主要集中在Ge衬底上面，目前国内制作三结太阳电池所使用的Ge衬底一般为175μm厚，国外主要采用145μm厚。虽然衬底厚度超过140μm，但是作为Ge结使用仅仅为10μm左右。在保持光电转换效率不变的情况下，使衬底变薄或使用超薄衬底制作三结太阳电池就可大幅度减轻电池的质量，从而使卫星可搭载更多的设备，降低发射成本。

1 实验

实验采用德国生产的AIXTRON 2800型行星方式旋转反应室的MOCVD设备进行外延生长。采用三级纯化的H2作为载气。原材料使用高纯度的金属有机物为III族源，包含三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMA l)、三甲基铟(TMIn)等。气体V族氢化物为AsH3、PH3，n型掺杂源为H2稀释的硅烷 (SiH4)，p型掺杂源为金属有机物二甲基锌(DMZn)。生长温度为600～700℃之间。采用双晶衍射仪进行测试，确定外延层的晶格匹配。电池性能参数测试设备为微机控制光谱响应测试仪、太阳模拟器及数字化数据采集系统。外延结构如图1所示。

图1 三结太阳电池

实验使用175和80μm两种厚度的衬底进行生长外延结构。由于80μm的衬底很薄，在生长前装衬底的过程中要格外小心，以免造成碎裂。在外延的生长过程中，由于在高温的环境下进行生长，生长材料的热膨胀系数不同，会使得衬底发生变形，造成外延片破裂。我们通过延长升降温的时间，避免温度的突变，使材料的之间应力慢慢地释放。在生长关键外延薄层的过程中，改变生长速率实现晶体质量最优，一般情况下，GaAs的生长温度低于700℃，在650～700℃间，能获得性能优异的GaAs晶体材料。采用间断等生长方法，使得层与层之间具有非常陡峭的界面，使载流子浓度应有利于形成较高接触电势差的突变pn结，以提高电池开路电压，也实现了组分稳定。减少外延片的破裂。

三结电池约10%的光电转换来自由Ge结构成的底电池的贡献，由于考虑到后续要对厚的衬底进行减薄，在减薄的过程中可能会对Ge结造成影响，从而影响到整体电池的性能，所以在外延生长过程中，通过控制外延层的施主杂质向p型Ge衬底内的扩散占主导地位，在Ge衬底上表面内形成具有良好特性的p-n结。

在三结太阳电池中隧穿结是极为关键的，隧穿结用于相邻两级电池之间的“无压降”欧姆连接，是两端式整体级联电池的关键技术之一。通常制作隧穿结要生长十几纳米高掺杂的外延层。通过优化隧穿结减少衬底减薄对电池的影响。大部分采用两个异质材料结构的隧穿结，隧穿结外层由较里层低掺杂浓度的高禁带宽度的化合物材料组成，隧穿结内部高掺杂低禁带宽度的材料组成，原理在于，外隧穿结稍低的掺杂浓度可使隧穿电流得到保证，同时作为WINDOWS层和背场阻止高掺杂浓度层向低浓度层扩散，减少复合的发生。

因此在设计生长隧穿结，要考虑材料、高掺杂、p/n的掺杂、外延条件等。可以提高隧穿结的电流、无电压降的有效方法是高掺杂、减少厚度。一般，制作几十纳米厚的隧穿结。较宽的禁带宽度材料（AlGaAs、GaInP等）隧穿结，少吸收光，因此各子电池更好地吸收光。三种GaAs/GaAs AlGaAs/GaAs A l-GaAs/GaInP制作的隧穿结做比较，A lGaAs/GaInP有更大的隧穿电流，可以使电流顺利通过。为了进一步降低隧穿结结构给GaInAs电池带来的影响，需要尽可能提高隧穿结结构的禁带宽度，以减少隧穿结材料对有效光子的吸收，使用GaInP结构来代替原有的GaAs，可实现这样的目的。由于GaInP材料对有效光子的吸收远低于GaAs，因此这种结构的隧穿结能够更好地透射光子进入GaInAs子电池，能够提高GaInAs子电池的光电转换效率，进而提高级联太阳电池的光电转换效率。经过大量的实验研究，采用了特殊的生长工艺，实现了GaInP材料的n型高掺杂，浓度达到1×1019/cm3以上。

通过一系列的努力生长出来的外延片，对其进行双晶衍射仪进行测试，两种衬底的晶格匹配测试结果基本相同，见图2。

图2 双晶衍射测试图

两种厚度的外延片分别进行器件工艺制作，175μm厚的外延片首先要进行衬底的减薄，减薄的方式有两种，一种是通过机械研磨的方法进行减薄，另外一种是通过化学腐蚀的方法进行减薄。第一种方法容易对电池的外延结构产生破坏，所以我们采用第二种方法，将外延层先键合到新的衬底上，然后通过腐蚀原始衬底，实现外延片的减薄。通过腐蚀掉一定厚度的衬底，实现了对外延片的减薄，由于所用的腐蚀液具有选择性，并不会破坏外延层，用这种方法能较好地实现外延片的减薄。把衬底从175μm减薄到80μm，两种外延片经过如图3方式进行器件工艺制作，制作结果基本相同如图4。

图3 器件工艺流程图

图4 器件制作后电池

经过划片，制作了尺寸为40mm×60mm的电池，电池表面蒸镀双层减反射膜，此电池具有一定柔性，在外力下可适当弯曲，如图5。

图5 80μm三结太阳电池

2 结果与讨论

采用外延优化后的工艺和特殊的器件工艺制作的GaInP/GaInAs/Ge结构三结砷化镓太阳电池，80μm厚衬底直接生长的三结太阳电池编号为3J001，175μm衬底减薄到80μm制作的电池编号为3J002，对其进行光谱响应测试，测试结果见图6。

图6 电池光谱响应

图6中红色曲线为3J001测试结果，另外一条为3J002。从图6可见，两片电池在顶电池和中间电池的光谱响应基本相同，在Ge结的底电池有些区别。经过减薄的电池对Ge结有一定的损伤，会对电流吸收有些影响，但是由于Ge结吸收的光谱很宽，虽然有些影响，不会影响整体电池的电流匹配。

用太阳模拟器在AM0的光谱下，对两片三结太阳电池进行了电性能测试，电性能参数见表1，I-V曲线见图7、图8。

表1 两片太阳申池申性能参数

图7 3J001电池I-V曲线

图8 3J002电池I-V曲线

目前制作成功的这种超薄的三结砷化镓太阳电池质量是目前大量生产三结砷化镓太阳电池的一半。将测试样品用物理分析天平进行称重，进行功率、质量比计算，与正常厚度的三结太阳电池进行比较，不难发现其比功率大幅度提高，如表2所示。

不难算出，薄的太阳电池质量比功率分别是正常电池的2.14倍和1.99倍，其作为空间电源的优势已经明显显现出来。

表2 太阳电池的质量比功率

质量减轻主要是由于衬底变薄了造成的，这就意味着同样一根Ge单晶棒可切出更多的衬底片，节约了购买衬底的成本，同样也使得空间飞行器可携带更多的设备。不管是通过化学方法使电池减薄还是直接用80μm厚衬底直接生长的三结太阳，衬底变薄也给器件工艺带来了挑战，因为衬底变薄后与正常175μm衬底制作的正常三结太阳电池相比，电池更加易碎，提高了器件工艺的破损率。由于很薄，外延片是弯曲的，给光刻也带来不小的麻烦，使得光刻的图形不理想。在腐蚀的过程中，我们发现侧向腐蚀很严重，腐蚀液从电池的侧面进入破坏了边缘的外延层，使得表面的缺陷态增加，复合电流会增大，甚至会在边缘处出现局部微短路使电池性能下降。如果不解决这些问题衬底变薄带来的成本降低会被器件工艺上所增加成本抵消掉。通过研制合理有效的专用工具和提高工人的熟练程度来降低破损率，努力消除光刻带来的不良影响，通过改进腐蚀工艺和对晶片侧面的保护，尽可能的减少腐蚀液从侧面腐蚀外延片，从而得到满意的外延片。

目前国际上德国的AZUR SPACE公司开展了相关的研究，制作的太阳电池在AM0的光谱下，光电转换效率接近30%，按照目前我们制作电池的质量来计算，质量比功率可达到791.2W/kg。AZUR SPACE公司接下来研究20μm厚的三结太阳电池，进一步提高质量比功率。我们通过对外延工艺和器件工艺的优化和改进，实现电池性能的进一步提高。

3 结论

通过实验证明，采用优化后的外延工艺和特殊的器件工艺，可在薄的衬底和正常厚度的衬底制作出具有一定柔性的GaInP/GaInAs/Ge结构的超薄砷化镓太阳电池，在保证效率的同时，可以大幅度地减轻质量，有效地提高卫星的发射质量，节约发射成本，同时可降低衬底的成本，由于具有一定柔性，可应用得更加广泛。

[1]SENFT D C.Opportunities in photovoltaic for space power generation[C]//IEEE Photovoltaic Specialists Conference.Florida，USA：IEEEPiscataway，2005：536-541.