砷化镓太阳电池(终稿)

砷化镓太阳能电池

摘要

本文主要对砷化镓太阳电池的结构、性能、研制及生产情况作了简单介绍,分析了GaAs太阳电池的发展方向,最后根据GaAs太阳电池的研制进展和空间试用情况,提出了发展GaAs太阳电池的设想。

关键词:砷化镓太阳能电池; 技术; 进展

引言：

近年来，太阳能光伏发电在全球取得长足发展。常用光伏电池一般为多晶硅和单晶硅电池，然而由于原材料多晶硅的供应能力有限，加上国际炒家的炒作，导致国际市场上多晶硅价格一路攀升，最近一年来，由于受经济危机影响，价格有所下跌，但这种震荡的现状给光伏产业的健康发展带来困难。目前，技术上解决这一困难的途径有两条：一是采用薄膜太阳电池，二是采用聚光太阳电池，减小对原料在量上的依赖程度。常用薄膜电池转化率较低，因此新型的高倍聚光电池系统受到研究者的重视。聚光太阳电池是用凸透镜或抛物面镜把太阳光聚焦到几倍、几十倍，或几百倍甚至上千倍，然后投射到太阳电池上。这时太阳电池可能产生出相应倍数的电功率。它们具有转化率高，电池占地面积小和耗材少的优点。高倍聚光电池具有代表性的是砷化镓（GaAs）太阳电池。

1．砷化镓简介

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.发展历程

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。（GaAs材料的Eg=1.43eV，在上述高效率范围内，理论上估算，GaAs单结太阳电池的效率可达27％）。20世纪60年代，Gobat等研制了第1个掺锌GaAs太阳电池，不过转化率不高，仅为9％～10％，远低于27％的理论值。20世纪70年代，IBM公司和前苏联Ioffe技术物理所等为代表的研究单位，采用LPE（液相外延）技术引入GaAlAs异质窗口层，降低了GaAs表面的复合速率，使GaAs太阳电池的效率达16％。不久，美国的HRL （HughesResearchLab）及Spectrolab通过改进了LPE技术使得电池的平均效率达到18％，并实现了批量生产，开创了高效率砷化镓太阳电池的新时代[1]。

从上世纪80年代后，GaAs太阳电池技术经历了从LPE到MOCVD，从同质外延到异质外延，从单结到多结叠层结构的几个发展阶段，其发展速度日益加快，效率也不断提高，目前实验室最高效率已达到50％（来自IBM公司数据），产业生产转化率可达30％以上。

3.制备方法

与硅相仿，砷化镓材料也可分为体单晶和外延材料两类。体单晶可以用作外延的衬底材料，也可以采用离子注入掺杂工艺直接制造集成电路（采用高质量、大截面、半绝缘砷化镓单晶）。重点是液封直拉法（即液封乔赫拉斯基法，简称LEC法）,但水平舟生长法（即水平布里其曼法）因制出的单晶质量和均匀性较好，仍然受到一定的重视。液封直拉法的一个新发展是在高压单晶炉内用热解氮化硼 (PBN)坩埚和干燥的氧化硼液封剂直接合成和拉制不掺杂、半绝缘砷化镓单晶。另外，常压下用石英坩埚和含水氧化硼为液封剂的方法也已试验成功。不论水平舟生长法或是液封直拉法，晶体的直径均可达到100～150毫米而与硅单晶

相仿。

砷化镓的外延生长按工艺可分为气相和液相外延，所得外延层在纯度和晶体完整性方面均优于体单晶材料。通用的汽相外延工艺为Ga/AsCl3/H2法,这种方法的变通工艺有Ga/HCl/AsH3/H2和Ga/AsCl3/N2法。为了改进Ga/AsCl3/H2体系气相外延层的质量，还研究出低温和低温低压下的外延生长工艺。液相外延工艺是用 Ga/GaAs熔池覆盖衬底表面,然后通过降温以生长外延层,也可采用温度梯度生长法或施加直流电的电外延法。在器件(特别是微波器件)的制造方面,汽相外延的应用比液相外延广泛。液相外延可用来制造异质结(如GaAs/AlxGa1-xAs)，因此它是制造砷化镓双异质结激光器和太阳电池等的重要手段。

砷化镓外延技术还有分子束外延和金属有机化合物汽相沉积外延。分子束外延是在超高真空条件下，使一个或多个热分子束与晶体表面相作用而生长出外延层的方法。对入射分子或原子束流施加严格的控制，可以生长出超晶格结构，例如由交替的GaAs和AlxGa As薄层（厚度仅10埃）所组成的结构。金属有机化合物汽相沉积外延是用三甲基镓或三乙基镓与砷烷相作用而生长外延层。用这种方法也能适当地控制外延层的浓度、厚度和结构。与分子束外延相比，金属有机化合物汽相沉积外延设备和工艺均较简单，但分子束外延层的质量较高[2]。4.砷化镓中的杂质

在晶体生长过程中，会有意或无意地引入杂质。一般情况下，引入的杂质都是具有电活性的，但是有一些引进的污染会在晶体中形成空位，从而不具有电活性。规定掺入的杂质在半导体中要么是施主原子，要么是受主原子。施主原子是比其替代的原子多一个或一个以上的电子，这些多出的电子在晶体中可以自由移动从而形成电流；相反，受主原子是比其替代的原子少一个或一个以上的电子，因此，受主原子可以捕获晶体中的自由移动的电子。不管是在半导体中掺人哪一种类型的杂质，都会导致半导体材料电学性能的改变。

两种类型的杂质，即不管是浅能级杂质还是深能级杂质，通过与砷原子或镓原子的复杂结合而存在于砷化镓晶体中。硅就是目前得到最广泛研究的一种掺杂剂，这种四族元素，在低温下与砷化镓作用，可形成P型材料，在高温下与砷化镓作用，可形成n型材料。铬在砷化镓中是深受主原子，它的杂质能级接近禁带