……砷化镓太阳能电池研究报告 材五第三组

砷化镓太阳能电池研究报告

摘要：美国的阿尔塔设备公司使用外延层剥离技术，用砷化镓制造出了最高转化效率达28.4%的薄膜太阳能电池。这种电池不仅打破了此前的转化效率，其成本也低于其他太阳能电池。该太阳能电池效率提升的关键并非是让其吸收更多光子而是让其释放出更多光子，未来用砷化镓制造的太阳能电池有望突破能效转化记录的极限。目前效率最高的商用太阳能电池由单晶硅圆制造，最高转化效率为23%。砷化镓虽然比硅贵，但其收集光子的效率更高。就性价比而言，砷化镓是制造太阳能电池的理想材料。

1.砷化镓结构及光电性能

砷化镓属于Ⅲ－Ⅴ族化合物，是一种重要的半导体材料，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℃。在300 K 时，砷化镓材料禁带宽度为1.42 eV，如图1。

图1砷化镓能带结构简图

砷化镓在自然条件下的结晶态通常具有两种晶体结构：闪锌矿结构或正斜方晶结构。其中．正斜方晶结构的GaAs只能在高压下获得，闪锌矿结构是室温下GaAs 的最稳定构型。闪锌矿的晶体构如图2所示。

图2 砷化镓晶体闪锌矿结构

闪锌矿的GaAs晶体结构属立方晶系F43m空间群，晶格常数a=O 56535nm．配位数Z=4。如图2所示的GaAs结构是立方面心格子，Ga2+位于立方面心的结点位置．As交错地分布于立方体内的l／8小立方体的中心，每个Ga2+周围有4个As与之成键．同样，每个As2-。周围有4个Ga2+，阴阳离子的配位数都是4。如果将As2-看成是作立方紧密堆积，则Ga2+充填于l／2的四面体空隙。而正斜方晶结构在高压下才能获得，在温度为300K时，随着压强的增加，GaAs发生从闪锌矿结构GaAs 到正斜方晶GaAs．II的相变。

图3砷化镓能带结构图

砷化镓是典型的直接跃迁型能带结构，其能带结构如图3所示。砷化镓的价带极大值位于布里渊区中心k＝O处；导带极小值也位于k＝0的逊，等能面为球面。在＜111＞和（100）方向布里渊区边界L和X处还各有一个极小值。室温下，DL和X三个极小值与价带顶的能量差分别为1.424 eV，1.708 eV和1.900eV。

对于直接带隙半导体材料，当入射光子能量；hv≥Eg时，能发生强烈的本

征吸收。这就意味着进入材料内的光子很快会被吸收，电子吸收光子受到激发，直接竖直跃迁进入导带。这种电子的直接跃迁，跃迁几率相当高，因而直接带隙半导体材料具有较高的电光转换效率，适合于制作半导体发光及其他光电子器件，当然也为其成为性能优良的太阳能电池创造了条件。砷化镓的禁带宽度远大于锗的0.67 eV和硅的1.12 eV，因此，砷化镓器件可以工作在较高的温度下和承受较大的功率。

砷化镓（GaAs）材料与传统的硅半导体材料相比，它具电子迁移率高、禁带宽度大、直接带隙、消耗功率低等特性，电子迁移率约为硅材料的5.7倍。同时，也可加入其它元素改变其能带结构使其产生光电效应，从而制做砷化镓太阳能电池。此外，砷化镓的能隙与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，所以，与硅太阳电池相比，GaAs太阳电池具有较好的性能

2.砷化镓太阳能电池介绍

2.1.单多节太阳能电池介绍

2.1.1．单结GaAs 太阳电池

（1）单结GaAs/ GaAs 太阳电池

20 世纪70～80 年代,以GaAs 单晶为衬底的单结GaAs/ GaAs 太阳电池研制基本采用L PE 技术生长,最高效率达到21 %。此外,国外也用MOCVD 技术研制GaAs/ GaAs 太阳电池,美国生产的GaAs/ GaAs 太阳电池,批产的平均效率达到了17. 5 %。

（2单结GaAs/ Ge 太阳电池

为克服GaAs太阳电池单晶材料成本高、机械强度较差,不符合空间电源低成

本、高可靠要求等缺点,1983 年起逐步采用Ge 单晶替代GaAs 制备单结GaAs 电池。GaAs/ Ge 太阳电池的特点是: 具有GaAs/ GaAs 电池的高效率、抗辐照和耐高温等优点,Ge 单晶机械强度高,可制备大面积薄型电池,且单晶价格约为GaAs 的30 %。单结GaAs 电池结构:

2.1.2.多节GaAs太阳能电池

单结GaAs 电池只能吸收特定光谱的太阳光,其转换效率不高。

不同禁带宽度的Ⅲ2 Ⅴ族材料制备的多结GaAs 电池,按禁带宽度大小叠合,分别选择性吸收和转换太阳光谱的不同子域,可大幅度提高太阳电池的光电转换效率。理论计算表明:双结GaAs 太阳电池的极限效率为30 % ,三结GaAs 太阳电池的极限效率为38 % ,四结GaAs 太阳电池的极限效率为41 %。

多结太阳电池光谱吸收原理如图2 所示。

20 世纪80 年代中期,国外逐步开始研制高效率多结叠层电池。多结叠层电池效率高、温度系数低、抗辐射能力强,其空间应用更具吸引力。

（1）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光谱的短波段和长波段。

2.2.砷化镓太阳能电池特点（与硅比较）

2.2.1.优点：

a) 光电转换效率高.GaAs 的禁带宽度较Si 为宽,GaAs 的光谱响应特性和空间太阳光谱匹配能力亦比Si 好,因此, GaAs 太阳电池的光电转换效率高。目前，硅电池的理论效率大概为23%，而单结的砷化镓电池理论效率达到27%，而多结的砷化镓电池理论效率更超过50%。

b) 可制成薄膜和超薄型太阳电池GaAs 为直接跃迁型材料,而Si 为间接跃迁型材料。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 太阳电池只需5～10μm的厚度,而Si 太阳电池则需大于150μm。因此,GaAs 太阳电池能制成薄膜型,质量可大幅减小。

c) 耐高温性能好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) 比Si 太阳电池( - 4. 4 ×10 - 3℃- 1 ) 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 %。