Ⅲ-Ⅴ族化合物叠层太阳电池
Ⅲ-Ⅴ族太阳电池的研究和应用
１ Ｇ Ａ 基系单结太阳电池 ａｓ
１１ Ｇａ ｓＧａ ｓ同质 结 太 阳 电池 ． Ａ／ Ａ Ｇ Ａ ／ ａ ｓ同质 结 太 阳 电池 的研 究始 于 ２ ａ ｓＧ Ａ ０世 纪 ６ ０年 代 ， 研
来 的半导体材料。… ｖ族化合 物材料 的种类繁多 ， 中最主要 的 一 其
是砷化镓 （ ａ ｓ及其相 关化合 物 ， 为 Ｇ Ａ ＧＡ ） 称 ａ ｓ基 系 …一 族 化 合 Ｖ
Ｏ ９ ３年 ， ｏ ｅ 等人 提 出在 Ｈｖｌ （ ） 度 就 能 充 分 吸 收 太 阳 光 ， 外 ， ａ ｓ ｌＰ等 材 料 还 具 效率 长 时 间未 能超 过 １ ％。直 到 １ ７ ｕｍ 的厚 此 Ｇ Ａ 、ｎ
ａ ｓ表 面 生 长 一 薄层 ＡＩ ａ — Ａ ｘ ｌ ｘ ｓ窗 口层 后 ，这 一 困 难 才 得 以 Ｇ 有 良好 的抗 辐 射 性 能 和 较 小 的温 度 系数 ，因 而 Ｇ Ａ ａ ｓ基 系 材 料 特 Ｇ Ａ 。 ＝ ＡＩ １ ｘ ｓ Ｇ Ｅ 一２１ 对 ｅ 别 适合 于 制 备 高效 率 、 间 用 太 阳 电池 。 Ｇ Ａ 空 ａ ｓ太 阳 电池 ， 无论 是 克服 当 ｘ ０８时 ， ｘ ａ 一 Ａ 是 间接 带 隙材 料 ，ｇ ． Ｖ， ｘ ｌ ｘ ｓ层 进 入 到 Ｇ Ａ Ｇ ａ ｓ层 单 结 电池 还 是 多结 叠 层 电池 所 获 得 的转 换 效 率 都 是 所 有 种 类 太 光 的 吸 收 很 弱 ，大 部 分 光将 透过 ＡＩ ａ — Ａ
光伏物理与光伏材料-第四章 高效III-V族化合物太阳能电池
1 III-V族材料的特性
III-V族化合物包括 磷化铝(AlP) 砷化铝(AlAs) 锑化铝(AlSb) 磷化镓(GaP) 砷化镓(GaAs) 锑化镓(GaSb) 氮化铟(InN) 砷化铟(InAs)等化合物及化合物 组合(固溶体化合物)
1 III-V族材料的特性
硅为间接带隙半导体，几 乎所有的Ⅲ-V族化合物为直接 带隙半导体，这两者的差别在 于，当电子从价带激发到导带 时，除了能量的改变之外，具 有间接带隙的硅会同时发生晶 体动量的改变，但具有直接带 隙的Ⅲ-V族化合物不会发生晶 体动量的改变，这使得Ⅲ-V族 化合物在许多微电子的应用上 比硅具有更佳的特性。
到高效率化的目的。
1 III-V族材料的特性
III-V族化合物与Si相比的优点
硅是间接带隙材料，对于光的吸收系数较小，一般需要采用200um以上的厚度， 才能吸收到足够的太阳光，而Ⅲ-V族化合物多为直接带隙材料，对于光的吸收较 强，仅需要数微米的厚度，就能吸收到足够的太阳光。只要使用薄膜的III-V族化 合物，就可达到很高的效率。
2 III-V族材料的生长技术
III-V化合物的薄膜生长技术
液相外延法是由液态物质来长出外延层。 在生长GaAs的外延过程，它可借由添加杂质来降低液态物质的熔点（例如 GaAs+As的熔点比纯GaAs来得低），因此液态物质可以保持在比较低的温度，而 不会去把GaAs的衬底熔化掉。 慢慢降低溶液的温度，使得化合物因过饱和而在GaAs衬底上析出。 因为溶液中的杂质浓度会随着晶体的生长而递增，因此溶液的熔点会递减， 所以LPE的温度也要不断调降，以维持外延的生长。
太阳能电池比较
1、单晶硅电池
单晶硅太阳电池是当前开发最快的一种太阳电池，它的结构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为15％左右，实验室成果也有20％以上的。晶体硅仍是当前太阳能光伏电池的主流。虽然从技术上讲，晶体硅并不是最佳材料，但它易于获取，适用的技术与电子工业相同。
2、多晶硅电池
太阳电池使用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅材料和冶金级硅材料。其光电转换效率在12％左右，但其材料制造简便，电耗低，总的生产成本较低，因此得到广泛应用。3、薄膜光伏电池
薄膜光伏电池与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，成本低，重量轻，应用更为方便，它可以与房屋的屋面结合构成住户的独立电源。它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前国际先进水平为10％左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。
4、多元化合物太阳电池
多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池，大多数尚未工业化生产。主要有：碲化镉太阳能电池、砷化镓太阳能电池、铜铟硒太阳能电池(新型多元带隙梯度Cu(In, Ga)Se2薄膜太阳能电池)。
5、硫化镉太阳电池
无法与多晶硅太阳电池竞争。光电效率达到9％，按硫化镉材料的理论计算，其光电转换效率可达16.4％。它在制造工艺上比较简单，设备问题容易解决。
6、砷化镓太阳电池
砷化镓是一种很理想的太阳电池材料，它与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30％，特别适合做高温聚光太阳电池。砷化镓材料的制备类似硅半导体材料的制备，由于镓比较稀缺，砷有毒，制造成本高，此种太阳电池的发展受到影响。
第9章 III-V族化合物太阳电池
❖ III-V族化合物与硅相比： ❖ 1 高能量转换效率 ❖ 2 适合薄膜化 ❖ 3 耐放射线损伤：直接能隙，少数载流子扩散长度
短，耐放射性最佳，适合在太空用 ❖ 4 更适合聚光技术 ❖ 使用透镜聚焦太阳光，使之照射在太阳电池以增加
效率
5
9.3 III-V族化合物的薄膜生长技术
❖ GaAs为例 ❖ 磊晶生长法：是指在一晶体上有次序的生长另一层
28
量子井太阳电池的能隙结构，越多的量子井则太阳电池效率越高
29
9.9 III-V族太阳电池的应用
❖ 热光伏特系统 ：将红外光谱转换为电能系统， GaSb的能隙0.72eV
❖ 聚光系统: ❖ 聚光技术是使用透镜去聚焦太阳光，III-v族化合物
的太阳电池效率高，随着 温度增加而下降的程度比 硅慢，可以聚集1000-2000倍 。 ❖ 太空应用领域：高转换效率，及耐反射损伤， GaInP/GaAs/Ge太阳电池
30
21
❖ 4 薄膜厚度 ❖ 当太阳光照射到太阳电池可以产生大量的光子的话，
所需要的薄膜厚度就要薄一些，如果薄膜对光的吸 收率低的话，就要使用厚一点的薄膜
22
9.6 GaInP/GaAs/Ge太阳电池
GaInP/GaAs/Ge太阳电池 MOCVD方法，在同一基板 上一层接一层的长上这些不 同成分的薄膜而形成
第9章
III-V族化合物太阳电池
砷化镓太阳电池与Si电池、硅光电池的比较
砷化镓太阳电池与Si电池、硅光电池的比较
砷化镓太阳电池与Si电池、硅光电池的比较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，LoferskiJ.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1.2～1.6eV范围内的材料具有最高的转换效率。目前实验室GaAs电池的效率最高已经能够达到50%。
GaAs太阳电池是一种Ⅲ~Ⅴ族化合物半导体太阳电池，与Si太阳电池相比，其特点为：
(1)转换效率高。
GaAs的禁带宽度相比于Si要宽，光谱响应特性与太阳光谱的匹配度也比Si要好。所以，GaAs太阳能电池的光电转化效率要高于Si 太阳能电池。Si电池的理论效率仅为23%，而单节的GaAs电池理论效率为27%，而多节GaAs的电池理论效率更是高达50%。
(2)可以制成超薄型电池。
GaAs是直接带隙半导体，而Si是间接带隙半导体，在可见光到红外的光谱内，GaAs的吸收效率要远远高于Si。同样吸收95%的太阳光，Si需要150μm以上的厚度，但是GaAs只需要5μm~10μm，用GaAs制成的太阳能电池，在质量上可以大大减轻。
(3)耐高温
GaAs的本征载流子浓度低，GaAs太阳电池的最大功率温度系数(-2×10-3℃-1)较低比Si(-4.4×10-3℃-1)太阳电池小很多。200℃时，Si太阳电池已不能工作，而GaAs太阳电池的效率仍有约10%。这使得GaAs电池可以在聚光领域有很好的应用。
GaAs太阳电池结构
LPE技术优缺ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ点：
优点：
缺点：
LPE 设备成本较低,技术较为 异质界面生长无法进行、多层
简单,可用于单结GaAs/ GaAs 复杂结构的生长难以实现，外
太阳电池的批量生产。
延层参数难以精确控制,这限制
了GaAs 太阳电池性能的进一
步提高。
20世纪90年代初，国外已基本不再发展该技术，但欧、俄、 日等地区和国家仍保留LPE 设备,用于研制小卫星电源。
总结 GaAs属于（ Ⅲ-Ⅴ族 ）化合物半导体材料。
➢单结太阳电池，通常要选用带隙大小位于整个太阳
辐射光谱（ 中间 ）的材料，才可达到（最大
）
的理论效率。
➢多结太阳能电池，（
）选择性的吸收和转
可以
换太阳光谱的不同能量，大幅度提高电池的转换效率。
最大/最小
可以/不可以
总结
➢多结太阳能电池中，越上层的电池带隙越 （ 大 ）。
➢多结太阳能电池中，越下层的电池带隙越 （ 小 ）。
大/小
总结
➢为了克服GaAs太阳电池机械强度差、易碎的 缺点，常用( Ge )为衬底。
➢GaAs太阳电池有两种制造技术，( LPE ) 和( MOCVD )。
知识回顾 Knowledge Review
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2、GaAs太阳电池两种制造技术
MOCVD（metal-organic chemical vapor deposition）技术 ——金属有机化学气相外延
GaAs(砷化镓)
• 2. 1 LPE技术
•
L PE 是NELSON 在1963 年提出的一种外延
• 生长技术。其原理是以低熔点的金属(如Ga 、In 等)
• 为溶剂,以待生长材料(如GaAs、Al 等) 和掺杂剂
• (如Zn、Te 、Sn 等) 为溶质,使溶质在溶剂中呈饱和
• 或过饱和状态,通过降温冷却使溶质从溶剂中析出,
砷化镓成为超高速、超高频器件和集成电路的必需品。它
还被广泛使用于军事领域，是激光制导导弹的重要材料，
曾在海湾战争中大显神威，赢得“砷化镓打败钢铁”的美
名。 据悉，砷化镓单晶片的价格大约相当于同尺寸硅单
砷化镓太阳电池
由于认识到其优异性能及其战略意义人们不断地对砷化镓材料器件及应用进行研究与开拓，这些工作为今天的大发展打下了基础。
➢ 电子迁移率高； ➢ 易于制成非掺杂的半绝缘体单晶材料，其电阻率可达108 兆 欧 以上； ➢ 具有良好的抗辐射能力：由于III-V族化合物是直接带隙，少 数载流子扩散长度较短，且抗辐射性能好，更适合空间能源领 域； ➢ 温度系数小：能在较高的温度下正常工作。
3、GaAs太阳电池的特点——缺 点
晶体结构：GaAs材料的晶体结构属于闪锌矿型晶格
结构。
化学键：四面体键，键角为109’28’，主要为共价成分。由于镓、砷原子 不同，吸引电子的能力不同，共价键倾向砷原子，具有负电性，导致GaAs键具有一定的离子特性，使得砷化镓材料具有独特的性质。
集成电路:微波单片集成电路(MMIC )、超高速集成电路(VHSIC)等; 85μm以下，GaAs的光吸收系数急剧升高，达到104/cm2，比硅材料要高1个数量级，而这正是太阳光谱中最强的部分。 一共两个太阳翼，每个太阳翼有四块太阳电池板，每块板的尺寸是一米五三乘两米，所以伸展出去有好几米长。
Ⅲ-Ⅴ族化合物叠层太阳电池
Ⅲ-Ⅴ族化合物叠层太阳电池
摘要
叠层太阳电池是一种重要的新概念电池。本文简要介绍了叠层太阳电池的基本概念，了解了Ⅲ-Ⅴ族化合物的特点及为何Ⅲ-Ⅴ族化合物适用于制作叠层电池。怎样实现Ⅲ-Ⅴ族化合物叠层太阳能电池的工作原理、光伏特性及影响转换效率的因素等。探讨了相关的技术发展概况和技术难点，并就未来的发展趋势进行了展望。
关键词：Ⅲ-Ⅴ族化合物；太阳电池；新概念能源
III-V compound semiconductor multi-junction
monolithic solar cell
Abstract
Multi-junction monolithic solar cells is a new important concept of battery.This paper briefly introduces the basic concept of multi-junction monolithic solar cells,to understand the characteristics of III-V compound and why III-V compound is suitable for manufacturing multi-junction monolithic solar cells.How to realize the III-V compound laminated working principle of solar cells,photovoltaic properties and Influence factors of conversion efficiency etc.The relative progress and difficulty in technology was discussed．And the future direction was prospected．
光伏器件原理与设计(三)
硅的能带结构（间接带隙）
电子跃迁能量 E=Eg+ħ(kc-kv)
非晶硅具有较高的光吸 收系数。特别是在0.30.75μm的可见光波段， 它的吸收系数比单晶硅 要高出一个数量级。因 而它比单晶硅对太阳辐 射的吸收效率要高40倍 左右，用很薄的非晶硅 膜（约1 μm厚）就能吸 收90%有用的太阳能。
不同材料的吸收系数
• 主要用来制造微波半导体器件、半导体激光器 和高转换效率太阳电池。
• 类似于金刚石结构——闪锌矿结构 砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等
金刚石结构
闪锌矿结构
A、B两面心立方晶格套购
闪锌矿晶体的极性
<111>方向的非对称性
极性：砷化镓具有闪锌矿型结构，在[111]方向上，由一系列的Ⅲ族
元素Ga及Ⅴ族元素As组成的双原子层（也是电偶极层）依次排列。
V VAB VCD VCB V VAD
• 当且仅当I1=I2=Ist时，电池具有最大的输出功 率，此时的I-V特性为：
I Rsh1(I L1 I01) Rsh2 (I L2 I02 ) V Rs1 Rsh1 Rst Rs2 Rsh2
开路时：I=0： Voc Voc1 Voc2
禁带宽度 eV,300K
1.42
热膨胀系数 10-6/K
6.0
共价半径 nm
GaAs电池
• 英文名称:Gallium arsenide • 分子量:144.64 • 结构式:
• 半导体材料的种类繁多，从单质到化合物，从无 机物到有机物，从单晶体到非晶体，都可以作为 半导体材料。根据材料的化学组成和结构，可以 将半导体划分为：元素半导体，如硅（Si）、锗 （Ge）；二元化合物半导体，如砷化镓(GaAs)、 锑化铟（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、 GaAsP；固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP； 玻璃半导体(又称非晶态半导体），如非晶硅、玻 璃态氧化物半导体；有机半导体，如酞菁、酞菁 铜、聚丙烯腈等。
• 20世纪50年代，半导体器件的生产主要采用锗单 晶材料，到了60年代，由于硅单晶材料的性能远 远超过锗，因而半导体硅得到了广泛的应用，在 半导体材料中硅已经占据主导地位。大规模集成 电路的制造都是以硅单晶材料为主的，Ⅲ-Ⅴ族化 合物半导体如砷化镓、磷化镓、锑化铟等也越来 越受到人们的重视，特别是砷化镓具有硅、锗所 不具备的能在高温度频下工作的优良特性，它还 有更大的禁带宽度和电子迁移率，适合于制造微 波体效应器件、高效红外发光二极管和半导体激 光器，因而砷化镓是一种很有发展前途的半导体 材料。随着大规模集成电路制造工艺水平的提高， 半导体化学的研究领域和对象也将不断地扩展。
d) 抗辐射性能好 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 太阳电池。在电子 能量为1 MeV ,通量为1 ×1015 个/ cm2 辐照条件 下,辐照后与辐照前太阳电池输出功率比, GaAs 单 结太阳电池> 0. 76 ,GaAs 多结太阳电池> 0. 81 , 而 • BSFSi 太阳电池仅为0. 70 。 • • • • • • •
几种新型太阳能电池性能比较
以化合物半导体为基体制成的太阳能电池。在种类繁多的化合物半导体材料中，不乏兼备优良光电特性、高稳定性、宜于加工制造的太阳能电池材料。化合物可构成同质结太阳能电池、异质结太阳能电池和肖特基结太阳能电池。它既可制成高效或超高效太阳能电池，又可制成低成本大面积薄膜太阳能电池，从而拓宽了光电材料的研究范围，也极大地丰富了太阳能电池家族。目前，世界上光电转换效率最高的是化合物半导体太阳能电池(如砷化镓太阳能电池效率η=24%～28%)，或者是以化合物作为重要组分的太阳能电池(如砷化镓和硅叠合聚光太阳能电池效率η=32%～37%，薄膜硒铟铜/非晶硅太阳能电池效率η=14%～17%)。
在元素周期表中的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP);Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，如硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)、碲化镉(CdTe)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、碲化锌(ZnTe)等，都具有直接禁带跃迁的能带结构，吸收系数大，结构比较稳定。若用Ⅰ-Ⅲ族元素取代Ⅱ-Ⅵ族化合物中的Ⅱ族元素，则得到Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族三元化合物，如硒铟铜(CuInSe)、硫铟铜(CuInS)等。对应地，用Ⅱ-Ⅳ族元素代替Ⅲ-Ⅴ族化合物中的Ⅲ族元素，则构成Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ族三元化合物，如锌硅砷(ZnSiAs2)等。从中可以挑选禁带宽度适合于吸收不同波长的太阳光、且可制成低电阻p型或n型基体的化合物半导体来制造太阳能电池。
具有代表性的化合物半导体太阳能电池有砷化镓太阳能电池、硫化镉太阳能电池和硒铟铜太阳能电池。
砷化镓太阳能电池Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳能电池，其主要特点是：
7-2 太阳能电池材料与器件
（1）硅半导体材料 按结晶形态分为单晶硅、多晶硅和非晶硅，按照其厚
度又可分为硅片和薄膜硅等。有关物理化学性质以及单晶 硅、多晶硅和非晶硅的制备方法复习半导体材料部分。 （2）无机化合物半导体
包括Ⅲ-Ⅴ族GaAs、InP，Ⅱ-Ⅵ族CdS、CdSe、CdTe 等，Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族CuInSe、CuInGaSe等。
太阳能照明系统一般由太阳能电池、充放电控制器、 蓄电池、照明灯具组件及电缆等组成。工作要求：① 环境温度变化范围-40~50℃。选择光源和各种电器元 件时必须考虑此环境温度下的使用与寿命问题。②由 于雨、雪、雷电冰雹的浸蚀和干扰，必须具有合理的 安全防护等级和防雷接地。③连续阴雨天需要太阳能 电池板、蓄电池具有足够的容量。④通过控制器对蓄 电池进行保护，并要保证光源在高、低电压下均能可 靠启动和稳定工作。
能电池。
染料敏化太阳能电池示意图
包含纳米晶介孔光阳极、有机染料分子敏化剂以及液 态电解质等组成部分。利用光合作用原理，将太阳能转化 为电能。如TiO2染料敏化太阳能电池首先将TiO2粒子附着在 染料敏化剂上，然后浸泡在电解液中，敏化剂受到光的照 射，生成自由电子和空穴，自由电子被TiO2吸收，从电极 流出进入外电路，再经过用电器，流入电解液，最后回到 敏化剂。电池成本低、工艺简单及性能稳定。
制备方法不同，其结构特性和禁带宽度等性质有差异。 CdTe因其自身化学计量比不同或掺杂元素不同而具有N型 和P型两种导电类型，且两种载流子都有较高的迁移率。 掺杂不仅可以改变CdTe导电类型，而且对晶体结构、光 学等物理性质产生明显影响。
GaAs光电特性的研究报告
GaAs的光电特性及GaAs太阳能电池研究报告
成都信息工程学院
材料性能学作业
材料物理092班
游富
摘要：（1）砷化镓是一种重要的半导体材料。属Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体。化学式GaAs，分子量144.63，属闪锌矿型晶格结构，晶格常数5.65×10-10m，熔点1237℃，禁带宽度1.4电子伏。砷化镓于1964年进入实用阶段。砷化镓可以制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料,用来制作集成电路衬底、红外探测器、γ光子探测器等。由于其电子迁移率比硅大5～6倍，故在制作微波器件和高速数字电路方面得到重要应用。用砷化镓制成的半导体器件具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。此外，还可以用于制作转移器件──体效应器件。砷化镓是半导体材料中,兼具多方面优点的材料,但用它制作的晶体三极管的放大倍数小，导热性差，不适宜制作大功率器件。虽然砷化镓具有优越的性能，但由于它在高温下分解，故要生长理想化学配比的高纯的单晶材料，技术上要求比较高。
（2）光电效应是指在光照照射后释放电子的效应，发射出来的电子叫做光电子。光电效应是光与材料的核外电子之间的相互作用。只有当入射光的频率高于材料的极限频率时，材料才会发射光电子，产生光电子。光电效应是瞬时效应，一经光线照射，立刻产生光电子。
（3）GaAs光电阴极在进行Cs2O激活前,激活层表面必须达到原子级洁净。最常用且最有效的洁净方法是高温热清洗法。然而,在热清洗过程中对处在真空系统中的光电阴极表面温度进行精确测量却是非常困难的。本文采用四极质谱仪对GaAs光电阴极激活前的热清洗过程进行分析,确定了最佳的热清洗温度及热清洗工艺,较好地解决了GaAs光电阴极激活前的热清洗工艺问题。
Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池的发展和应用系列讲座(4)砷化镓基系Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳电池的发展和应用(4)
Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池的发展和应用系列讲座(4)砷化镓基系Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳电池的发展和应用(4)
向贤碧;廖显伯
【期刊名称】《太阳能》
【年(卷),期】2015(000)009
【总页数】1页(P18)
【作者】向贤碧;廖显伯
【作者单位】中国科学院半导体研究所;中国科学院半导体研究所
【正文语种】中文
进一步提高太阳电池效率最现实、最有效的途径是形成多结叠层聚光电池。这里以三结叠层电池为例来说明叠层电池的工作原理。选取3种半导体材料，如GaInP、GaInAs和Ge，它们的带隙依次为Eg1=1.7 eV、Eg2=1.18 eV和Eg3=0.67 eV，Eg1>Eg2>Eg3，将这3种材料分别制备出3个子电池，然后按Eg的顺序，从大到小将这3个子电池串叠构成叠层电池。带隙为Eg1的子电池在最上面(称为顶电池)，带隙为Eg2的子电池在中间(称为中电池)，带隙为Eg3的子电池在最下面(称为底电池)。理想情况下，如图3所示，顶电池吸收和转换太阳光谱中hν≥Eg1部分的光子(蓝色)，中电池吸收和转换太阳光谱中Eg1≥hν≥Eg2部分的光子(绿色)，而底电池吸收和转换太阳光谱中Eg2≥hν≥Eg3部分的光子(红色)。也就是说，太
阳光谱被分成3段，分别被3个子电池吸收并转换成电能。很显然，这种三结叠
层电池对太阳光的吸收和转换比任何一个带隙为Eg1、Eg2或Eg3的单结电池有
效得多，因而它可大幅提高太阳电池的转换效率。
图3 AM 1.5太阳光谱和被三结太阳电池利用的光谱
根据叠层电池的原理，构成叠层电池的子电池的数目愈多，叠层电池可望达到的效率愈高。图4为在地面光谱、1倍太阳光强(蓝线)和最大聚光(红线)条件下，叠层
砷化镓太阳电池
军事应用 在海湾战争和科索沃战争中，电子信息技术显示出巨大
的威力，其中砷化镓起了不可磨灭的作用。在相控阵雷达、电子对 抗、激光描准、夜视、通信等方面，砷化镓器件都起了关键的作用。 现在各发达国家都在研究供军事用的砷化镓材料与器件。
2、GaAs材料的性质
多元化合物薄膜太阳能电池材
料为无机盐，其主要包括III-V
2、GaAs材料的性质
晶体结构：GaAs材料的晶体结构属于闪锌矿型晶格 结构。
化学键：四面体键，键角为109’28’，主要为共价成分。由于镓、砷原子 不同，吸引电子的能力不同，共价键倾向砷原子，具有负电性，导致GaAs键具有一定的离子特性，使得砷化镓材料具有独特的性质。
2、GaAs材料的性质
大多数Ⅲ一V族化合物半导体的晶体结构是闪锌矿型晶体结构，
这种晶体结构与金刚石型很相似，也是由两套面心立方格子沿体
对角线移动1/4长度套构而成，不过金刚石这两套格子的原子是相 同的，而闪锌矿型则一套是Ⅲ族原子，另一套是V族原子。
Ga分布于晶胞之角顶及所有 面的中心。 As位于晶胞所分成的八个小 立方体中的四个小立方体的 中心。
小结
1、GaAs属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。 2、GaAs材料的晶体结构属于闪锌矿型晶格结构。
6月16日18时49分，神舟九号飞船(下称“神九飞船”)发射12分钟 后，在浩瀚太空中成功展开位于两侧的太阳能电池帆板，犹如神九 飞船长出的一对美丽翅膀。事实上，这对太阳能电池帆板，正是神 九飞船的“翅膀”，为其遨游太空并完成空间探测任务提供着不竭 动力。
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Ⅲ-Ⅴ族化合物叠层太阳电池
摘要
叠层太阳电池是一种重要的新概念电池。本文简要介绍了叠层太阳电池的基本概念，了解了Ⅲ-Ⅴ族化合物的特点及为何Ⅲ-Ⅴ族化合物适用于制作叠层电池。怎样实现Ⅲ-Ⅴ族化合物叠层太阳能电池的工作原理、光伏特性及影响转换效率的因素等。探讨了相关的技术发展概况和技术难点，并就未来的发展趋势进行了展望。
关键词：Ⅲ-Ⅴ族化合物；太阳电池；新概念能源
III-V compound semiconductor multi-junction
monolithic solar cell
Abstract
Multi-junction monolithic solar cells is a new important concept of battery.This paper briefly introduces the basic concept of multi-junction monolithic solar cells,to understand the characteristics of III-V compound and why III-V compound is suitable for manufacturing multi-junction monolithic solar cells.How to realize the III-V compound laminated working principle of solar cells,photovoltaic properties and Influence factors of conversion efficiency etc.The relative progress and difficulty in technology was discussed．And the future direction was prospected．
Key words：III-V compound；solar cells；new concept resource
自从20世纪50年代人类发明了硅太阳电池以来，太阳电池就成了电源的主要角色。在接下来的几十年里，太阳电池技术不断进步。由于空间恶劣的环境和空间飞行器不断对电源系统提出更高的要求，人们日益迫切需要更高转换效率、更好抗辐照性和适应空间恶劣温度变化的太阳电池出现。同时，在全球气候变暖、人类生态环境恶化、常规能源资源短缺并造成环境污染的形势下，太阳能光伏发电技术也普遍得到各国政府的重视和支持。
太阳能电池的工作原理是，太阳光照在半导体P—N结上，形成空穴一电子对，在P—N结电场的作用下，N型半导体的空穴往P型区移动，P型区中的电子往N型区移动。接通电路后就形成电流。太阳能电池发展经历了三个阶段。以硅片为基础的“第一代”太阳能电池其技术发展已经成熟．但单晶硅纯度要求在99．999％，生产成本太高使得人们不惜牺牲电池转换率为代价开发薄膜太阳能电池。第二代太阳电池是基于薄膜材料的太阳电池。薄膜技术所需材料较晶体硅太阳电池少得多．且易于实现大面积电池的生产，可有效降低成本。薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉以及铜铟硒薄膜电池，其中以多晶硅为材料的太阳能电池最优。太阳能光电转换率的卡诺上限是95％[1]，远高于标准太阳能电池的理论上限33％，表明太阳能电池的性能还有很大发展空间。Martin Green认为，第三代太阳电池必须具有如下条件：薄膜化，转换效率高，原料丰富且无毒[2]。目前第三代太阳电池还处在概念和简单的试验研究。已经提出的主要有叠层太阳电池、多带隙太阳电池和热载流子太阳电池等。其中．叠层太阳能电池是太阳能电池发展的一个重要方向。
一、叠层太阳电池简介
由于太阳光光谱的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其禁带宽度值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池被背电极金属吸收，转变成热能；而高能光子超出禁带宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，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，其转换效率的理论极限一般也只有25%左右。所以为了提高太阳能电池转换效率，叠层太阳能电池问世。
太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按禁带宽度从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄禁带宽度材料电池利用，这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样结构的电池就是叠层太阳能电池[3]。
叠层太阳能电池可以通过机械堆叠法来制备，先制备出两个独立的太阳能电池，一个是高带宽的，一个则是低带宽的，然后把高带宽的堆叠在低带宽的电池上面。黄素梅、孙卓等[4]发明了一种高效叠层太阳能电池的制备方法．顶层和底层共用同一块玻璃基板，从顶层太阳电池引出一对电极．同时从底层太阳电池引出另一对电极．构成4个终端结构的叠层太阳能电池。实现对太阳能电池的最佳匹配．极大地提高太阳能电池的光电转换效率。提高太阳能电池的质量和性能。
该方法有效地改善了单个太阳能电池光谱吸收范围窄，光吸收利用效率低的问题，有效地提高了太阳能电池对光谱的吸收转换效率，其光电转换效率可高达25％～30％。
二、叠层太阳电池的结构分类
2.1 垂直串联叠层太阳电池
这种叠层太阳电池是利用MBE或MOCVD技术从下至上连续生长具有不同禁带宽度的p-n结子电池，并在各子电池之间插入超薄垂直掺杂的隧穿结，利用光生载流子的隧穿效应实现各级子电池互联的方法。如果将各p-n结直接串联在一起，会由于它们的反向偏置而不能实现载流子运输。采用高浓度掺杂实现的隧穿结，可以恰到好处的解决这一个问题。
如此，高质量隧穿结的制备便成为高效率叠层太阳电池制作的关键。其一，
作为能够有效的互连两个子电池的隧穿结，应该具有高透光率和低阻抗的特点。其二，上电池和下电池的晶格常数和热膨胀系数也应该尽可能的相匹配。其三，为避免隧穿结对叠层太阳电池的短路电流造成损失，隧穿结的峰值隧穿电流必须远远大于叠层太阳电池的最大短路电流。因此，要求p-n结两侧应具有足够高的掺杂浓度。这就需要在适宜的掺杂剂类型和浓度选择以及隧穿结构的优化等方面进行考虑[5]。
2.2 横向并联叠层太阳电池
并联叠层太阳电池的主要结构特点是整个电池为一个p-n结。其中间为本征层，而两侧分别是n型和p型掺杂层。对于n型掺杂一侧来说，从顶电池接触电极到本征层的掺杂浓度是逐渐增大的。通过改变合金材料的组分数可以调控叠层太阳电池的禁带宽度。受光照界面的带隙最宽，越往里带隙越小。因此，将会在电池的内部造成一个连续变化的内建电场。在统一的同向电场的作用下，光生电子-空穴对的分离和抽取作用将在受到该电场的逐层加速作用，因此载流子运输畅通无阻。尤其当载流子被加载到一定程度时，还可以发生雪崩倍增效应，由此进一步产生倍增载流子，这对增加广生电流是非常有利的。
三、Ⅲ-Ⅴ族化合物的基本特性
IIIA元素：B 、Al、Ga、In。VA元素：N、P、As、Sb。组合形成的化合物有15种（BSb除外）。前得到实用的III-V族化合物半导体有GaN GaN GaP GaP GaAs GaAs InP InP GaSb GaSb InSb InSb InAs。
Ⅲ-Ⅴ族化合物与Si相比，其独特性质在于：1.带隙较大，大部分室温时＞1.1eV,因而所制造的器件耐受较大功率，工作温度更高；2.大都为直接跃迁型能带，因而其光电转换效率高，适合制作光电器件，如LED、LD、太阳电池等。GaP 虽为间接带隙，但Eg较大，掺入等电子杂质所形成的束缚激子发光仍可得到较高的发光效率。红、黄、绿光的LED 的主要材料之一；3. 电子迁移率高，很适合制备高频、高速器件。
GaAs是一种最具代表性的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。其主要物理特性为：.1.光吸收系数高。GaAs 太阳能电池的有源区厚度多选取3um 左右，就可以吸收95%的太阳光谱中最强的部分。2.带隙宽度与太阳光谱匹配。GaAs 的带隙宽度正好位于最佳太阳电池材料所需要的能隙范围，具有更高的理论转换效率。3.耐高温性能好。GaAs 太阳能电池效率随温度升高降低比较缓慢，可以工作在更高的温度范围。4.抗辐照性能强。GaAs 是直接带隙材料，少数载流子寿命较短，在离结几个扩散度外产生损伤，对光电流和暗电流均无影响，因此，GaAs 太阳能电池具有较好的抗辐照性能。5.多结叠层太阳电池的材料。由于III-V 族三、四元化合物（GaInP、AlGaInP、GaInAs 等）半导体材料生长技术日益成熟，使电池的设计更为灵活，从而大幅度提高太阳电池的效率并降低成本。
四、GaInP2/GaAs/Ge三结空间电池的持续进步
4.1 Ⅲ-Ⅴ族半导体极性材料在非极性Ge单晶衬底上的成核(nucleation)技术