砷化镓基系 III-V 族 化合物半导体太阳电池的发展和应用

2012 年 Emcore 公司在反向应变 (IMM) 生 长 GaInP/GaAs/GaInAs/GaInAs 四结叠层电池 ( 图 7) 的基础上，进一步开展了六结叠层电池的研究， 其结构和生长顺序如图 13 所示 [36]。其中，前三结
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为宽带隙子电池 AlGaInP(2.1 eV)/AlGaAs(1.7 eV)/ GaAs(1.4 eV)，与 GaAs 衬底是晶格匹配的；而 后三结为窄带隙子电池 InGaAs(1.1 eV)/InGaAs(0.9 eV)/InGaAs(0.7 eV)，为晶格失配应变结构，子电 池间需有应变梯度层 ( 组分缓变层 ) 过渡。
荷载值； 2) 按照参考文献 [1]～[3] 中的规范内容进行光
伏微型钢筋混凝土灌注桩基础承载力计算，包括桩 身混凝土强度计算、单桩竖向极限承载力计算、单 桩抗拔极限承载力计算，计算结果满足规范要求；
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分布在 10.34～12.09 mA/cm2 之间，而叠层电池 的 Jsc 将受到子电池中最小电流密度的限制。原 文作者指出 ， [36] 保持已获得的总短路电流密度 不变的前提下，只要进一步改善子电池之间的 电流匹配，将子电池的电流密度分配均匀，六 结叠层电池的 Jsc 就可提高 7.4%，达到 11.1 mA/ cm2。届时，六结叠层电池在 AM 0 光谱、1 倍 太阳光强下的效率有望达到 37.12%，与预期值 37.8% 相近。
在 418 倍 AM 1.5D 光强下效率为 43.5%
匹配 GaInNAs 的带隙 (1 eV) 比 Ge(0.67 eV) 宽的 缘故，这有利于在高光强下减少焦耳损耗。
稀 N 含量的 GaInNAs 材料具有独特的优点， 其带隙宽度和晶格常数可以独自进行调节。它的 带隙宽度在 0.8～1.4 eV 范围可通过在 GaAs 中 少量加入 N 和 In 来调节。其晶格常数仍能保持 与 GaAs、Ge、GaAlAs、GaInP 和 AlGaInP 相匹配， 如图 12 所示 [35]。这些材料覆盖了从近红外到近 紫外的宽广太阳光谱范围，从而可构建晶格匹配 的多结 ( 四～六结 ) 叠层太阳电池。
光照 I-V 特性测量结果表明，这样生长的六 结叠层电池在 AM 0 光谱、1 倍太阳光强下效率 为 33.7%(4 cm2)。其中 Voc=5.15 V，FF=87.85%， 同 预 测 开 路 电 压 和 填 充 因 子 参 数 值 (5.2 V， 87.2%) 相近，只有短路电流密度 Jsc=10.07 mA/ cm2 明显低于预期值 (11.3 mA/cm2)。各子电池的 积分 Jsc 可由电池的外量子效率 (QE) 测量导出，
California，2011，810804-1 － 810804-5. [35] Friedman D J，Olson J M，Kurtz S. High-efficiency III–V
multijunction solar cells，chapter 8 in handbook of photovoltaics
NREL 和 Fraunhofer 太阳能所测量认证 ( 图 11)，
在 1000 倍 (AM 1.5D) 太阳光强下，三结电池效
率超过 43%；在 400～600 倍太阳光强下，电池
峰值效率达到 43.5%[34]。报道还指出，此三结叠
层太阳电池已可重复地规模生产。电池采用典型
的 5.5 mm×5.5 mm 几何尺寸和双边接触母线。电
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III-V 族太阳电池的发展和应用系列讲座 (8)
砷化镓基系 III-V 族 化合物半导体太阳电池的发展和应用 (8)
中国科学院半导体研究所 ■ 向贤碧 * 廖显伯
电流 /A 带隙宽度 /eV
4 III-V 族化合物电池研发的新动向
4.1 含 GaInNAs(Sb) 晶格匹配的三～五结叠层聚
光电池
位移 /mm 位移 /mm
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晶格常数
0.7 eV InGaAs MM Grade
0.9 MM Grade 1.4 eV GaAs
1.7 eV AIGaAs 2.1 eV AlGaInP
应变梯度层 应变梯度层 应变梯度层
生长衬底
图 13 反向应变 (IMM) 生长六结叠层电池结构
池效率的提升主要得益于 Voc 的提高，源于晶格
2.0
1.8
1.6
1.4 Voc=3.412 V Isc=1.869 A
Vmax=3.066 V Imax=1.854 A
1.2 填充因子 =89.17% Pmax=5.685 W
1.0 效率 =43.5±2.2%
0.8 器件温度 =25.0 ℃ 器件面积 =0.3124 cm2
( 接第 25 页 )
0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5
0 50 100 150 时间 /s
图 8 桩端竖向位移曲线
0
-5
-10
-15
-20 0 50 100 150 200 时间 /s
图 9 桩端竖向位移曲线
4 结论 1) 利用 SAP2000 支架建模后导出桩基基顶
multijunction solar cells[A]. Proceedings of 38th IEEE
PVSC[C]，Austin，Texas，2012.
( 待续 )
3) 利 用 大 型 通 用 非 线 性 有 限 元 软 件 ABAQUS，对光伏微型钢筋混凝土灌注桩基础进 行了二维建模分析，结果表明，在风荷载、自重 荷载、雪荷载作用下，该类微型灌注桩强度等参 数基本满足规范要求，一般情况下其极限承载力 状态取决于桩顶或桩端位移或沉降量。
engineering[M]. England：Chichester，John Wiley and Sons，2011.
[36] Patel P，Aiken D，Chumney D，et al. Initial results of
the monolithically grown six-junction inverted metamorphic
0.6 测量光强 =417.9 kW/m2 0.4 测量光源：ASTM G173 Direct 0.2 测量时间：2011 年 3 月16 日上午 11:28
0.0 0.0
0.5 1.0 1.5 电压 /V
2.0 2.5 3.0 3.5
图 11 NREL 测量的 Solar Junction 公司 GaInP/GaAs/ GaInNAs(Sb) 三结叠层电池的光照 I-V 特性和光伏参数，
前文介绍在研发与 GaAs 晶格匹配的 1 eV
带隙的 GaInNAs 材料时遇到了困难，这一问题
在 2011 年终于取得了突破。据 Solar Junction
公 司 报 道， 他 们 制 备 了 高 质 量 的 稀 N 含 量
GaInNAs(Sb) 分子束外延材料，并成功研制了
GaInP/GaAs/GaInNAs(Sb) 三结叠层电池。经
模拟计算表明，这样反向应变生长的六结叠 层电池，在 500 倍 AM 1.5D 太阳光强下，转换 效率将可达 50.9%。
参考文献
[34] Wiemer M，Sabnis V，Yuen H. 43.5% efficient lattice
matched solar cells[A]. Proceedings of SPIE[C]，San Diego，
以特变电工哈密柳树泉 100 MWp 光伏发电 863 创新电站项目的光伏固定支架灌注桩基础为 研究对象，基于 ABAQUS 软件对其进行了非线 性的分析。该文为光伏微型钢筋混凝土灌注桩基 础结构设计提供了依据。
参考文献 [1] GB 50007-2011， 建筑地基基础设计规范 [S]. [2] JGJ 94-2008， 建筑桩基技术规范 [S]. [3] GB 50010-2010， 混凝土结构设计规范 [S].
GaN
加N 1.4 eV 0.8 eV
GaAs 加 In
加 N 和 In
晶格常数 /Å
图 12 GaInNAs 带隙宽度与晶格常数的关系，在晶格常数 保持与 GaAs 匹配的条件下，其带隙宽度可在 0.8 ～ 1.4 eV
之间调节 ( 红线 )
根据现实的估计，在 500 倍太阳光强 (50.0 W/cm2) 下，在 Ge 衬底上正向生长的晶格匹配五 结叠层电池 AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/ Ge 转换效率可达 47.4%。 4.2 反向应变生长六结叠层电池