GaAs太阳能电池要点

福 建 三 安 是 目 前 国 内 GaAs 基 太 阳 能 电 池 生 产 的 领 跑 者 ， 其 聚 光 光 伏 发 电 系 统 采 用
公司网站产品 ]。
表 1. 美国 Spectralab、 Emcore公司及德国 Azurspace公司三结 GaInP/GaAs/Ge 太阳能电池相关参数
[ 注 ] GaInP2 为三元化合物 Ga0.51In 0.49P的简称
厂商名称 Spectralab
Emcore Azurspace
产品规格
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。
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。 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。
具有长期稳定性
GaAs 是典型的 III-V 族化合物半导体材料，具有直接能带隙，带隙宽度为
1.42eV（ 300K ），可
以良好的吸收太阳光，因此，是很理想的太阳能电池材料。
GaAs 材料的主要特点：
光吸收系数高。 GaAs 太阳能电池的有源区厚度多选取 中最强的部分。
5um 左右，就可以吸收 95%的太阳光谱
晶片 厚度
尺寸
重量
140 μｍ
2
31cm
2
84mg/cm
140 μｍ
32cm2
84mg/cm 2
140 μｍ
60cm2
84mg/cm 2
140 μｍ
≈ 32 cm2 84mg/cm 2
150 ±20 μｍ 30.18cm2 ≤86mg/cm 2 150 ±20 μｍ 30.18cm2 ≤86mg/cm 2 150 ±20 μｍ 30.18cm2 ≤86mg/cm 2
图 1 GaAs 基太阳能电池分类
图 2 机械叠层式多结电池 ( 左)和单片式多结电池 (右 )
叠层太阳能电池的制备可以通过两种方式得到，图
2所示。一种是机械堆叠法，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，
这种方式需要分别制备多个子电池，然后再进行堆叠，体积受到限制，但
GaAs 太阳能电池
李永富
太阳光辐射主要是以可见光为中心，分布于
0.3 微米至几微米光谱范围，对应光子能量
wk.baidu.com
0.4eV~4eV 之间，总体来说，理想太阳能电池材料需要具备： 能带在 1.1eV~1.7eV 之间 (对应光波长范围 0.73~1.13 μ m)
直接能带半导体 组成材料无毒性
可利用薄膜沉积技术且可大面积制备 有良好的光电转换效率
GaInP2/GaAs/Ge Improved Triple
Junction
GaInP2/GaAs/Ge
Ultra
Triple
Junction
GaInP2/GaAs/Ge
Next
Triple
Junction
InGaP/GaAs/Ge
3rd Generation
Triple-Junction
GaInP2/GaAs/Ge 30% class
电池，衬底可选用 GaAs或Ge，不过 GaAs是直接带隙材料，光吸收系数大，有源层厚度只需
3微米左
右，所以原则上在生长好 GaAs电池后，可以选择把衬底完全腐蚀掉，只剩下
5 微米左右的有源层，
从而制成超薄 GaAs电池， 这样就可以获得很高的单位质量比功率输出。 目前超薄 (UT)GaAs 电池的比
机械叠层 GaAs/Ge多结太阳能电池，据称其机械叠层的 GaAs/Ge多结太阳能电池转换率直指 40% 以
上，电池制备过程中， 首先制造锗电池以及单独的引出端， 然后将 GaAs子电池集成在该锗电池之上，
各自分离的引出端可以用来单独提取某个子电池的电流，降低了对电流匹配的需求，由于不同材料
并非依次生长在底层材料之上，因此也无需进行晶格匹配。目前对于这种机械叠层多结太阳能电池
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。
GaAs 基太阳能电池基本上可分为单结和多结叠层式太阳能电池两类，如图
1 所示。
对于单结 GaAs太阳能电池， 根据其生长方式的不同又可以分为 LPE GaAs 及 MOVPE GaAs 太阳能
功率可达 670W/kg ，而 100微米高效 Si电池的比功率仅为 330W/kg 。 但是，无论如何，单结也只能吸收和转换特定波长范围内的太阳光，其理论效率也只有
27% ，为提
高能量转换效率， 可以将太阳光光谱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，并按带隙的不同从大到小的顺序从上到下叠合起来，选择性吸收和转换太阳光光谱的不 同子区域，这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样的电池结构就是叠层电池。
是无需进行电流匹配，也不
再需要考虑晶格匹配 ；另一种是单片式多结电池， 先制备出一个完整的太阳能电池， 再在第一层电池
上生长或直接沉积在第一层电池上面，这种电池结构紧凑，便于集成，但是对衬底材料质量要求高，
且必须要考虑各外延层的晶格失配问题。
多结 GaAs太阳能电池技术已经成为国内外研究的主流，
2009年，比利时 IMEC 展示了其最新的
GaInP2/GaAs/Ge
28% class
GaInP2/GaAs/Ge
27% class
寿命 初期 转换 效率 26.8%
28.3%
29.9%
29.5%
30% 28% 27%
寿命 衬 末期 底 转换 效率 22.5% Ge
24.3% Ge
26.6% Ge
Ge
Ge Ge Ge
外延 技术
MOVPE MOVPE MOVPE MOCVD MOVPE MOVPE MOVPE
的研究还较少，主要还是采用单片叠层式，如德国
Azurspace公司已经具有了单片式 GaInP/GaAs/Ge
三结太阳能电池的批量生产能力，产品级别
(27% ， 28%， 30%) ，产品采用 Ge衬底。美国 Spectralab
及 Emcore等公司的三结 GaInP/GaAs/Ge 也具有了批量生产能力。 其部分最新产品的参数如表 1所示 [ 各