2.4.1多元化合物薄膜太阳电池

Ⅲ-V族化合物最主要的优点
适合薄膜化

由于硅是非直接能隙材料，对于光的吸收系 数较小，所以一般需要采用200um以上的厚 度，才能吸收到足够的太阳光，而Ⅲ-V族化 合物多为直接间隙的材料，所以对于光的吸 收较大，因此仅仅数微米(2um GaAs)的厚度， 就能吸收到足够的太阳光。因此只要使用薄 膜的Ⅲ-V族化合物，就可达到很高的效率。
GaInP电池

在GaAs上面生长出的GaxIn1-xP薄膜，其能 隙大小，除了跟组成有关，也与GaxIn1-xP薄 膜的生长条件及品质有关，例如生长温度、生 长速率、磷的分压及掺杂物的浓度等。
GaxIn1-xP薄膜的掺杂物



n-型掺杂物 硒（Se）是常被用在Ⅲ-V族化合物当N-掺杂 物的元素， 当硒的浓度增加到使电子浓度达到 2×1018/cm3以上时GaInP的能隙会增加，薄 膜的生长表面会变得比较平滑，但硒的浓度过 高时，薄膜的生长表面又会变得粗糙。 硅也是常用于Ⅲ-V族化合物的N-掺杂物的元素， 跟硒的特性一样，当硅的浓度高于特定临界值 时，它也会使得GaInP的能隙增加。
InP基太阳电池
InP早在1958年即被用在太阳电池上，最初的 效率只有2.5%。但直到1984年，研究发现InP 太阳电池最引人注目的特点是它的抗辐射能力 强，不但远优于Si电池，也远优于GaAs基系 电池。 所以在Ⅲ-V族太阳电池中，除了GaAs基系电 池外，InP基系电池也备受瞩目。


InP特性
不同材料之间的连接线，表示结合不同比例的这两种材料所形成的
三元或四元化合物的能隙大小。


由于太阳电池的理论转换效率，与半导体的能隙大 小有关，一般最佳的太阳电池测量的能隙为1.4～ 1.5eV之间，所以能隙为1.43eV的GaAs及1.35eV的 InP会比1.1eV的硅更适合用在高效率的太阳电池上， 利用各种Ⅲ-V族化合物所形成的多接面太阳电池可 增加被吸收波长的范围，更可达到高效率化的目的。

p-型掺杂物 GaInP薄膜中最常使用的p-掺杂物为锌（Zn）。 当载流子浓度达到1×1018/cm3 以上时，锌就 会破坏GaxIn1-xP薄膜的规则性而增加能隙大 小。而且当锌的浓度较高时，它会引起GaInP 及AlGaInP中的In含量的降低。此外，Zn在外 延层之间的扩散，会导致太阳电池效率的降低。

Ge电池


应用于太空方面的Ⅲ-V族多结太阳电池，通常 是以镉当基板。这主要是因为镉的制造成本较 低，及具有优于砷化镓的机械性能，此外其晶 格常数非常接近砷化镓（Ge=0.5657906nm， GaAs=0.565318nm），具有很好的匹配性。 但是镉也具有一些缺点，例如镉为非直接能隙 材料，使得开路电压Voc仅能达到300mV，而 且其开路电压对温度很敏感。
多结面太阳电池的设计要考虑到的重点
能隙的选择




多结面太阳电池中每层材料的能隙大小，决定了每 个太阳光子会在哪一层里面被吸收掉。 在理想状态下，每一层之间的能隙差异应该要设计 到差不多才比较好，这样每一层的太阳电池才能吸 收相等能量的太阳光谱。光线中超过该层材料的能 隙的能量，会转换成热能消耗掉，因此每层之间的 能隙差异要越小越好。 为了吸收最多的太阳光源，越上层的薄膜应具有越 大的能隙，越底层的薄膜应具有越小的能隙。 使用越多层的多结太阳电池，其对太阳光的吸收效 率越好，但这也意味着制造成本的增加。
神八采用的是高效三节 砷化镓太阳电池，发电 效率远远高于过去使用 的硅太阳电池




太阳电池的耐放射损伤特性，是太空太阳电池的重要 考量之一。 由于Ⅲ-V族化合物大多具有直接能隙，所以比具有非 直接能隙的Si基电池，更不易受到放射线照射而劣化。 但因耐放射线性也与材料的内部缺陷程度及不纯物的 浓度有关，所以如果Ⅲ-V族化合物的缺陷比硅多了 100倍以上的话，其耐放射性也会与硅相当。 由于InP中的缺陷容易因温度而移动，所以会使得其 放射劣化具有自动的回复性，这是它具有优良的耐放 射损伤的特性。
耐放射线损伤

耐放射性佳，因此这样的太阳电池更适合太空 用途。
更适合聚光技术



所谓聚光技术是使用透镜去聚焦太阳光，使 之照射在太阳电池上已增加效率。 聚焦的太阳光会使得太阳电池的温度增加， 而就Ⅲ-V族化合物而言，太阳电池的效率随 着温度而下降的程度远比硅慢。 Ⅲ-V族化合物可以聚焦到1000倍或2000倍的 程度，而硅则只能聚焦到200～300倍左右。
聚光系统


前面提过，聚光技术是使用透镜去聚焦太阳光， 使之照射在太阳电池上以增加效率 Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池的效率，随着温度增 加而下降的程度远比硅慢，所以可以聚焦到 1000倍或2000倍的程度。利用聚光技术，使 得Ⅲ-Ⅴ族太阳电池的效率已可达到30%以上。
太空应用


由于Ⅲ-Ⅴ族太阳电池具有高转换效率及耐辐 射损伤性佳，所以GaAs电池早已取代硅而成 为最佳的太空及卫星用途上的材料。 而GaInP/GaAs/Ge多结太阳电池，更具有可 以在高电压、低电流下操作的优点，是更亮眼 的新世代太空应用的太阳电池。
GaAs电池



GaAs外延层的品质指标在于薄膜表面的粗糙度及晶 格缺陷。根据研究，如果在GaAs中添加1% In，所形 成的Ga0.99In0.01As外延的品质会优于一般的GaAs 外延。 在GaAs电池上面的窗口层，通常可采用AlxIn1-xP或 GaxIn1-xP薄膜。理论上而言AlxIn1-xP比GaxIn1xP更适合当窗口层，因为其具有大的能隙。但由于 AlxIn1-xP对于气污染相当敏感，所以比较难与GaAs 形成好的接合品质。因此GaxIn1-xP薄膜反而比较常 用来当窗口层。 此外在GaAs电池下面的GaxIn1-xP薄膜，是作为背 面效场层的目的。
多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括III-V族化 合物（GaAs,InP等）、Ⅱ－Ⅵ族化合物（Cds系)、和磷化锌及 铜铟硒(CuIn(S/Se)2, 简称CIS)薄膜电池等.

Ⅲ-V族化合物太阳电池与硅比较具有的特性有哪
些？

多结太阳电池的设计应考虑哪些因素
了解多结GaInP/GaAs/Ge太阳电池的结构，及各层 的作用。 InP基太阳电池有哪些特性？
4、薄膜厚度



前面提到的两项影响光电流的因素，也决定了 太阳电池需要如何的薄膜厚度才足够。 例如当太阳光照射到太阳电池可以产生大量的 光子话，所需的薄膜厚度就可以薄一些。如果 薄膜层对光的吸收率低的话，就要使用厚一点 的薄膜。 以GaInP/GaAs/Ge多结太阳电池为例，由于 Ge对于光吸收系数最低，所以需要比较厚的 Ge薄膜层。比较常见的应用是采用150um厚 的Ge层。
GaAs多接面太阳电池



在单晶硅基板上，以化学气相淀积法生长GaAs薄膜所制成 的薄膜太阳电池，因为具有30%以上的高转换效率，很早 就被应用于人造卫星的太阳电池板上。 而新一代的GaAs多接面太阳电池，例如GaAs、Ge和 GaInP2的三接面太阳电池因可吸收光谱范围非常广，所以 转换效率可高达39%以上，是目前转换效率最高的太阳电 池种类，而且性质稳定，寿命也相当长 此种太阳电池的价格也极为昂贵，平均每瓦价格可高出多 晶硅太阳电池数十倍以上，因此除了太空等特殊用途之外， 预期并不会成为民用太阳电池的主流。
Ⅲ-Ⅴ族太阳电池的应用

GaAs及其它Ⅲ-Ⅴ族太阳电池，因为具有直接 能隙及高吸光系数，wenku.baidu.com且耐放射损伤佳且对温 度变化不敏感，所以这使得Ⅲ-Ⅴ族太阳电池 特别适合用在热光伏系统、聚光系统及太空等 三个主要应用领域里
热光伏系统



热光伏系统是指将红外光谱转换为电能的系统， 主要是利用低能隙（0.4～0.7eV）的Ⅲ-Ⅴ族 材料来制造。 GaSb锑化镓的能隙宽度为0.72eV，是适合这 方面用途的材料。 GaSb也可应用在多结太阳电池中，搭配聚光 系统去吸收更多的红外光。。


如果选择大能隙的材料将会导致较小的光电流。

在传统单结太阳电池的设计上，通常要选用能 隙大小位于整个太阳辐射光谱中间的材料，才 可达到最大的理论效率。也就是说，最佳的太 阳电池材料的能隙约为1.4～1.5eV之间。
这些单结的太阳电池材料的理论效率都在30%以下
材料的理论效率及相对的能隙及光电流、光电压之间的关系。
晶格常数

要使得最上层与最底层之间达到最大的光电流的话，最好是每 一层的材料都能具有相同的结晶构造。
当层与层之间的晶格常数差异过大时，它将会在晶体中产生缺陷
或差排，因此增加少数载流子再结合的机会，因而降低太阳电池的 效率。

根据研究，晶格常数差异达到0.01%，就已会显著影响到 光电效率，GaInP、GaAs、Ge三者的晶格常数非常的接 近，这是他们被广为采用的原因之一。
GaInP/GaAs/Ge太阳电池

因为可以达到30%左右的效率，使得GaInP/GaAs/Ge成 为目前最普遍的Ⅲ-V族多结太阳电池。

它是由GaInP、GaAs、Ge等三个太阳电池串联在一起 构成的，
它的主要优点是GaInP、GaAs、Ge等三个半导体材料 具有非常接近的晶格常数，使得异质外延的生长相对的 比较容易



InP也是具有直接能隙的半导体材料，它对太阳光谱 中最强的可见光及近红外光波段也有很大的光吸收系 数，所以InP电池的有效厚度只需要3um左右。 此外，InP的能隙宽度为1.35eV，也处在匹配太阳光 谱的最佳能隙范围内，电池的理论能量转换效率和温 度系数介于GaAs电池与Si电池之间。 InP的表面再结合速度远比GaAs的表面再结合速度还 低，所以只要使用简单的p-n接合即可得到高效率。

以目前比较常见的三结太阳电池所使用的 GaInP/GaAs/Ge太阳电池为例，GaInP的能隙为 1.8eV、GaAs的能隙为1.4eV、Ge的能隙为0.7eV， 所以在堆叠上GaInP就必须在最上层，而Ge则放在最 底层。 调整化合物中的元素的组成比例，就可变化出很广范 围的能隙。


以三元化合物GaInP为例， GaP能隙为1.85eV，而 晶格常数为5.65À，如果我们要想得到较小的能隙， 那么我们可以下降Ga的比例而增加In的比例，直到 Ga的比率降到0为止，这时得到的就是InP（能隙为 1.3Ev）。
单结太阳电池的设计

在太阳电池的设计上，要适当的调整电流与电压，才可使 产生的功率达到最大化。 如果要想使产生的电流最大化，那么太阳电池要能尽量捕 捉太阳光谱中的光子才行，因此越小能隙的材料越能达到 这目的。但是小能隙的材料却会导致比较小的光电压，而 且一些具有较高能量的光子（亦即比较短的波长），它高 出能隙的能量并不会转换成电能，而是以热的形式浪费掉
电流的匹配性


由于多结面太阳电池是种串联式的接合，电 流会由太阳电池的顶端流向底端，所以通过 每一层的电流必须是相同的。因此，太阳电 池的整体输出电流，便会受限于各别接面所 产生的最小电流。 如果要得到最大的效率，在设计上要让各接 面可以产生相同的光电流。而在半导体接面 产生的光电流，主要是与大于能隙的入射光 子数目及材料对光的吸收率有关。



Ⅲ-Ⅴ族太阳电池的应用在哪些领域？
Ⅲ-V族化合物的特性

Ⅲ-V族化合物可以包括 有磷化铝(AlP)、砷化铝 (AlAs)、锑化铝(AlSb)、 氮化锗（GeN）、磷化 镓（GaP）、砷化镓 （GaAs）、锑化镓 （GaSb）、氮化铟 （InN）、及砷化铟 （InAs）等组合。

Ⅲ-V族化合物的优点之一是，它的能隙宽，而且使用三元或四元 的混合Ⅲ-V族化合物（例如InGaP、AlGaAs、GaInNAs、 GaNAs等）更能使能隙设计的变化更大
多结太阳电池的设计



由于单结太阳电池只能吸收和转换特定光谱范围的 太阳光，因此能量转换效率不高。 利用不同能隙宽度的材料做成太阳能电池，按能隙 宽度大小从上至下叠合起来，选择性的吸收和转换 太阳光谱的不同能量，就能大幅度提高电池的转换 效率。 将多个不同能隙的太阳电池依能隙的大小串叠起来， 可以有效的吸收不同能量的太阳光，而提高电池的 转换效率