《太阳能电池基础与应用》GaAs电池第一讲

AM0, 30.6%
III-V族半导体多结电池
1.0带隙问题
晶格匹配电池
GaInNAs材料与N相关 的本征缺陷多，质量差， 少子扩散长度小。 短路电流小，成为限制 电池（特别是三结电池） 性能的瓶颈因素。（电流 匹配）
III-V族半导体多结电池
晶格应变电池图示
特点:
1）电池间晶格参数不再完 全匹配； 2) 解决了InGaNAs电流限 制的问题；
有隧道结
III-V族半导体多结电池
两结GaInP/GaAs电池
晶格匹配电池
第一款效率超过30%的双结电池(1 个太阳)，Japan Energy, 1997。
2013年, Alta公司将效 率提升至30.8%；柔性 电池。
目前世界纪录是31.1%，美国NREL。
III-V族半导体多结电池
晶格匹配电池
III-V族半导体应用
应用领域

GaAs及III-V族半导体基础
MOCVD
金属有机物化学气 相外延(MOCVD)， GaAs及III-V族太阳 电池的主流制备技 术。
设备原理图
商用衬底
材料制备
设备外观
多片衬底，适合大规模工业生产
GaAs及III-V族半导体基础
电学掺杂
电学掺杂
GaAs及III-V族半导体基础
EQE测量
EQE测量
Chopper EQE vs.
Monochromator equipped with more gratings
EG
单结电池只需要与标准电池(具有已知的量 子效率曲线)响应谱比较即可得到量子效率谱。
思考: 1) 双结电池的量子效率谱如何测量? 2) 三结电池呢？
Beam splitter
GaAs单结电池
GaAs单结电池结构
高掺杂层，抑制金属 接触界面处复合 高掺杂过渡层，既能 保证后续外延生长的 高质量，又能提供较 好的电连接特性
电池能带示意图
电池结构
光吸收及载流子分离
若 n+-GaAs 过 渡 层 质 量 好 ， n-AlGaAs 层 亦可去掉
电池结构示意图 AlGaAs窗口层作用： 1) 钝化GaAs表面(晶格匹配)； 2) 提供反射电场, 抑制少子界面复 合；选取原则：合理的带价，适当 的少子势垒。
晶格匹配电池
对称模式
非对称模式
III-V族半导体多结电池
两结电池
InGaP/GaAs电池
晶格匹配电池
思考: 为什么要使用隧道结?
Blue: InGaP子电池 Red: GaAs子电池
III-V族半导体多结电池
两结GaInP/GaAs电池
无隧道结
晶格匹配电池
隧道结: 1）光学透明，光损需越小越好； 2）重掺杂，电阻低，电损小； 3）隧道结峰值电流必须大于电池 光电流； 4） 连接子电池的低阻通道。
量子效率谱
I-V曲线
小结
光学 性质
结构
晶格参数-带隙
制备 方法
测量 方法
电学 性质
材 料 与 电 池 基 础
应用
效率瓶颈 结构
改进ELO工艺
GaAs单结电池
ELO电池 柔
27.5%
28.8%
性
ELO工艺 电
池
37.9%
晶格应变电池
多结电池
结构 带隙组合
基本概念 设计 34.1% 晶格匹配电池
谢 谢！
电池效率表
GaAs及III-V族半导体基础
结构及光学特性
III-V族半导体均为 闪锌矿结构, 是目前 半导体光电子学的基 础材料。 直接带隙。GaAs 带隙~1.42eV，位于 太阳电池黄金带隙附 近。
GaAs及III-V族半导体基础
带隙-晶格参数关系
结构及光学特性
Ge
GaAs及III-V族半导体基础
ELO工艺
改进ELO工艺
III-V族半导体多结电池
多结电池结构
多结电池上下串联； 电池电流由子电流 最小者决定； 电池开路电压为子 电池开路电压之和。
VOC = VOC1 + VOC2 + … J = min (J1 + J2 + …)
电池结构
多结电池示意图
Cell 1
Cell 2
Cell 3
3）反向生长；外延剥离。
晶格应变电池
1.0 eV
实现途径:
1) 以AsAl为牺牲层，先生长宽带隙的InGaP子电池，再生 长GaAs子电池； 2) 生长渐变过渡层，再外延带隙为1.0eV的InGaAs子电池；
3) 外延剥离，制备电池。
III-V族半导体多结电池
晶格应变电池图示
电池照片
晶格应变电池
三结太阳电池世界纪录（1 sun)，日本Sharp
III-V族半导体多结电池
电池设计
设计思路
单结电流
入射日光 反射损失
内量子效率 单结开压
多结设计思路
1）设定格子电池Eg或厚度x，计算各子电池 电流 ，求最小，设为J； 2）
3）
，求得最大功率点Jm及Vm, 求
得最大功率Pm。
光吸收 暗电流
III-V族半导体多结电池
为什么晶格匹配？
晶格匹配电池
匹配外延，界面无弛豫位错
GaAs单结电池
效率限制因素
GaAs单结电池效率瓶颈
27.5%
传统GaAs单结电池无背减反
获取高效电池，必须 提高内量效率。
GaAs单结电池
背反射与电池性能
背反射率对电池性能的影响
背面反射率越高, 电池性能越好。
GaAs单结电池
外延剥离(ELO)
牺牲层：AlAs； ELO后可制备金 属反射层； 金属反射层大幅 提高了电池效率。
粗糙表面
As局域腐蚀
改进ELO工艺
平坦表面
稳定的表 面钝化层
HF对GaAs有一定的 腐蚀作用，因而表面粗 糙； HCl 不 腐 蚀 GaAs ， 因而表面更平坦。
GaAs单结电池
改进ELO工艺
改进ELO工艺
传统ELO工艺所得衬底须经化学机械抛 光，造成一定的材料损失；否则使用效果 大打折扣； 新ELO使用所得衬底可直接使用，电池 性能重复性好；更节省材料。
ELO与高效电池
中间产物含：
反应物毒性
GaAs单结电池
改进ELO工艺
传统ELO工艺使 用HF作为腐蚀液； 衬底表面粗糙，使 用效果不好。 新ELO使用HCl 作为腐蚀液；所得 衬底表面平坦，粗 糙度有一个量级的 下降，直接使用效 果更好。
牺牲层：InAlP
改进ELO工艺
GaAs单结电池
改进ELO工艺
三结GaInP/GaAs/Ge电池
电池结构示意图
电池光谱匹配关系
III-V族半导体多结电池
晶格匹配电池
三结GaInP/GaAs/Ge电池
量子效率谱
AM1.5, 34.1%
目前世界纪录是34.1%，德国Franhofer ISE。晶格匹配电池记录(1 sun)。 问题: Ge带隙太小，Ge与(In)GaAs带隙差距过大！ 1.0带隙子电池？
ELO与高效电池
28.8%，单节电池的世界纪录！柔性电池。 大幅提高
GaAs单结电池
ELO柔性电池制备
ELO与高效电池
GaAs单结电池
ELO柔性电池应用
轻便高效， 用途广泛。
ELO与高效电池
军用电源
衬底再利用并不影响电池性 能，商用产品可靠性有保证。
消费电子 车载电池？
GaAs单结电池
ELO工艺
失配外延，界面出现弛豫位错
当外延层应变能超过位错形成能时，会在 界面处引入失配位错；晶格由共格应变状态 到无应变状态的转变称为应力弛豫；形成位 错的起始厚度称为临界厚度。 失配度越大，临界厚度越小； 位错是复合中心。
III-V族半导体多结电池
如何表征是否弛豫
通过TEM进行截 面观察； 成本高，局域 通过弹性力学经 验公式，计算临界 厚度，并与实际厚 度比较；误差大 根据x射线2θ- θ 衍射谱峰位进行判 断； 新材料往往误判 拉曼谱； 微弱弛豫时不准 测量非对称x 射 线倒空间图。 宏观，较可靠