GaAs单晶结构与特性的研究进展资料

GaAs structure
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。
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。
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。
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：
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。
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%。
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，
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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。
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 谱的短波段和长波段。
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%。
闪锌矿结构在(110)面上的投影
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108Ώ.㎝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
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。