Si基InGaAs太阳能电池器件

Si衬底上(In)GaAs外延生长技术及相关太阳电池制作

一、(In)GaAs太阳能电池基本知识

1、(In)GaAs基本性质

InGaAs在整个组分范围内均为直接带隙材料，半导体稳左性好，有效质量小，电子迁移率和峰值速度髙，以及髙的光吸收系数，禁带宽度随组分可以在InAs的0.35 eV到GaAs 的1.43 eV 之间变化，是制备多结叠层太阳能电池的理想材料。

2、(In)GaAs太阳能电池的优点：

1).光电转换效率髙：2).可制成薄膜和超薄型太阳电池：3).耐髙温性能好：4).抗辐射性能好；5).可制成效率更髙的多结叠层太阳电池。

而Si单晶具有成本低廉，圆晶而积大的优点。在Si基上外延(In)GaAs薄膜多结太阳能电池，可以充分发挥二者的优势，早日实现低成本光伏器件的大规模应用。

3、(In)GaAs多结太阳能电池光谱吸收原理及其简化结构示意图

图I篡结叠层太阳能电池光谱吸收原理

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%。

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20丄■•■一" ■

Shah if殂喙坊电池

图2多结叠层太阳能电池效率极限的理论汁算结果

理论讣算表明，基于细致平衡原理(Detailed balance)的多结电池中，以带隙

1.70eV/0.97eV 组成的双结叠层电池效率可达4

2.5%,而以带隙1.95 eV/1.30 eV/0.82 eV 组成 的三结叠层电池效率可达48.6%o 在此基础上，A Shah 提出的理想Pin 结电池模型中，以带 隙

1.72eV/1.09eV 组成的双结叠层电池效率可达33.4%,而以带隙1.87 eV /1.39 eV /0.91 eV 组成的三结叠层电池效率可达37.7%,如图2所示［1］。

反射层

越 反射层 GalnP 顶部电池

GalnP 顶部电池 隧穿结

隧穿结

Ga(ln)As 中间电池 I GaAs 底部电池

| 隧穿结 Gc 衬底

Ge 底部电池

(含Ge 衬底)

(a)双结 (b)H^

图3 (a)双结GalnP/GaAs. (b)三结GalnP/GaAs/Ge 级联电池的简化结构示总图

CalnP 顶部电池

宽帶建穿结

Ga(In)Afl 中间电

池

隧穿结

缓冲层

Ce 底部电池

图4典型的GaInP/Ga(In)As/Ge 三结太阳能电池结构示总图

图5由3J 演变而來的5J 、6J 级联结构

二、Si 基(In)GaAs 太阳能电池的发展现状

1、(In)GaAs 薄膜的外延生长

在Si 衬底上制备(In)GaAs 的方法主要有两种：一、以低能等禽子体增强CVD 先沉积 Ge/GeSi/Si 虚拟衬底(virtual substrate),然后在使用MOCVD 沉积(In)GaAs 及其量子阱(2005

3-j unctions GalnP

GalnAs

active Ge Higher 7)at EOL 5-j unctions 6-jun<:tions

AlGalnP

GalnP AlGalnAs GalnAs

active Ge

GalnNAs active Ge

Higher Tjat BOI J +EOL

AlGalnP GalnP AlGalnAs GalnAs

年

)；2010年，Richard Beeler ［2保用新的氢化物在低温CVD 下沉积Gc/Si 虚拟衬底，与Gc 圆晶相比，前者使用MOCVD 沉积的InGaAs 质虽:更好，可在低成本光伏器件中大量使用。 二、LP-MOCVD 法a)(冯建友)低压金属有机化学气相沉积(LP-MOCVD)技术，采用基于低 温缓冲层的两步生长方法，生长GaAs/Si(100)：有偏角的衬底有较大的晶格弛豫度，有效的 抑制了异质外延中的反相无序问题，并减少了 H 类位错的产生：B 的并入，会使晶格变小, 而In 的并入，会使晶格变大，调肖B 和In 在BlnGaAS 中的组分便可抵消二者对材料晶格 的影响。b)(孙览江)通过探索有偏角衬底、AIGaAs 低温缓冲层和循环热退火等技术的最优 条件，在Si 衬底上外延生长出了高质量的GaAS 材料，并摸索出了一种GaAs 层分两个阶 段生长、中间插入刻槽工序(mid-Pattem)的Si/GaAs 无裂纹外延方法。c)(吕吉贺)通过探索有 偏角衬底、Al(GaAs)As 低温缓冲层和循环热退火等技术的最优条件，在Si 衬底上外延生长 出了髙质量的GaAS 材料。对于1.2pm 厚GaAs 外延层，其XRD3-20扫描的FWHM 仅为 192.3arcsec,透射电子显微镜(TEM)图像显示外延材料层中位错能被有效弯曲、合并，测试 结果表明在距GaAs/Si 界而处0.5pm 的位错密度为107cnr 2M 级。(以上三人均为北京邮电大 学)

2、(In)GaAs 太阳能电池的研究现状

到目前为止，GaAs 材料太阳电池的最髙转换效率仍为25.8%, InP 材料太阳电池仍为 21.9%O 通

过GaAs 及III-V 合金制备量子阱太阳电池是当前一个新的研究热点。利用MOCVD 得到的50个周期的量子阱太阳电池的转换效率高于PN 结GaAs 电池。如Spcctrolab 公司于2007 年上半年开发岀一种多结太阳电池，采用的是晶格失配多重半导体结构层(GalnP/GalnAs/Ge), 该电池的光电转换效率可达创纪录的40.7%,是普通屋顶太阳能板的两倍多［3］。

T. Sugaya ［4］对InGaAs 多结叠层量子点太阳能电池进行了研究，PL 谱测试显示电池效 率随着量子点叠层数目的增加而急剧上升。

三. InGaAs 太阳能电池技术发展前景展望

1、 AlInGaP/GaAs /?(新材料)/Gc 四结电池中第三结了电池材料是关键对四结电池中的 第三Ti/Au

AuGe/Ni/Au

Hg. I. Schsruar Uyrr aructure of a EulmaNkrd mGaAsgaAs QD 3” ceH grown aa □ Gi/s (001) substrate MX. X STtM Irvi.X^o/^ QP ond (b) jn cwmdcd

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