砷化镓基系 III-V 族 化合物半导体太阳电池的发展和应用 (9)

4.3 半导体键合技术(SBT)制备的四～五结叠层聚光电池
2014年9月，德国Fraunhofer 太阳能系统研究所等单位报道，他们采用SBT 研制的四结叠层GaInP/GaAs//GaInPAs/GaInAs 聚光电池在324倍AM 1.5D 光强下，达到了当前国际最高电池效率46.5%(5.42 mm 2)[2]。

四结电池分两步制备。

首先在GaAs(晶格常数为5.65 Å)衬底上反向生长与之晶格匹配的高质量的Ga 0.51In 0.49P/GaAs 宽带隙(1.88/1.42 eV)两结叠层电池，在InP(晶格常数5.87 Å)衬底上正向生长与之晶格匹配的高质量的Ga 0.15In 0.85P 0.65As 0.35/Ga 0.47In 0.53As 窄带隙(1.09/0.74 eV)两结叠层电池，然后将GaAs 电池表面与GaInPAs 电池表面进行键合，剥离GaAs 衬底，形成图14所示的四结叠层电池结构，其中键合面用//表示。

电池表面形成欧姆接触，正表面有栅电极和MgF 2/Ta 2O 5减反射层。

为实现异质半导体//半导体表面高质量的键合，需进行适当的表面修饰。

要求两个表面必须具备很低的表面粗糙度、无微粒沾污、无自然氧化层，且表面态可控，以获得高电导率和适当的后退火处理。

为了降低成本和提高成品率，Fraunhofer 等单位利用一种异质衬底，将超薄InP 单晶层置于异质衬底表面，以制备叠层电池。

在此之前，2014年6月美国光谱实验室(SPL)报道，他们采用SBT 研制了五结叠层电池。

其中，在GaAs 衬底上生长三结宽带隙(2.2/1.7/1.4 eV)电池，InP 衬底上生长两结窄带隙(1.05/0.73 eV)电池，然后进行直接键合和剥离GaAs 衬底，完成五结叠层电池的制作。

在AM 1.5G 、AM 0光谱和1倍太阳光强下，其电池效率分别达到38.8%(1 cm 2)和35.8%(4 cm 2)，这是迄今报道的在非聚光条件下太阳电池的最高效率[37]。

预计采用SBT 制备的五结叠层高倍聚光电池AlGaInP/AlGaInAs/GaAs//GaInPAs/GaInAs ，其效率将可望达到52%[38]。

4.4 GaAs 基系柔性薄膜电池
前文介绍到，在GaAs 衬底上，用反向应变
(IMM)外延生长和衬底剥离技术制备了三结或四结叠层电池。

这样制备的叠层电池可以是超薄型的，因为电池的有源层厚度只有几个μm。

只要适当选择支撑衬底片，所构成的电池不仅重量轻，而且可以是柔性的。

GaAs 衬底也可在外延工艺中多次反复使用，这就大幅降低了电
砷化镓基系III-V 族
化合物半导体太阳电池的发展和应用(9)
中国科学院半导体研究所 ■ 向贤碧*
廖显伯
图14 直接键合GaInP /GaAs //GaInPAs /GaInAs
四结叠层电池结构
阳电池领域中最活跃、最富成果的电池种类。

由于MOCVD 技术的应用，对GaInP 宽带隙和GaInAs 窄带隙材料体系的深入研究，以及晶格失配外延和反向生长等技术的发展，使III-V 族太阳电池的效率有了很大的提高。

如以空间应用为目标，采用IMM 生长加衬底剥离技术制备的四结叠层电池，其AM 0效率达到了34.2% ，正在尝试相关六结叠层电池的研制，预测AM 0效率将超过37%；而以地面应用为背景，采用SBT 制备的四结叠层聚光电池效率已达到46.5%(AM 1.5D ，324倍太阳光强)，且正通过多条途径向50%效率目标迈进。

包括在Ge 衬底上正向生长的、晶格匹配的五结叠层电池AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge ，在高倍聚光下预测效率可达47.4%；反向应变生长加衬底剥离技术制备的六结叠层电池AlGaInP/AlGaAs/GaAs/InGaAs/InGaAs/InGaAs ，在500倍AM 1.5D 太阳光强下，预期效率可达50.9%；采用SBT 制备的五结叠层高倍聚光电池AlGaInP/AlGaInAs/GaAs//GaInPAs/GaInAs ，其转换效率可望达到52%。

值得注意的是，这里50%以上的电池效率
是指预测值而非理论计算值，它更接近电池器件实际工艺水平。

我们看到，目前正在探索的诸多第三代新概念电池中，唯有III-V 族叠层聚光电池才实在地扩大了对太阳光谱的吸收范围，提高了吸收光子的利用效率，为>50%高效率、低成本太阳电池带来了真切的希望。

参考文献
[37] Chiu P T ，Law D C ，Woo R L ，et al. 35.8% space and 38.8% terrestrial 5J direct bonded cells[A]. 2014 IEEE 40th Photovoltaic Specialist Conference (PVSC)[C]，Denver ，CO ，2014.
[38] Karam N. Advancements in high efficiency multi-junction solar cells for low-cost power generation[A]. WCPEC-6[C]，Kyoto ，Japan ，2014.
[39]朱忻. 高效柔性薄膜砷化镓太阳能电池产业化[A]. 中国化学与物理电源行业协会太阳能光伏分会第三届学术研讨会[C]，上海，2014.池器件的成本。

这种超薄型高效叠层电池在空间科学和技术，以及其他一些特殊地面场合必将有广阔的应用前景。

2011年美国Alta Devices 公司报道，他们采用反向外延生长和衬底剥离技术研制的GaAs 单结薄膜电池AM 1.5G 效率达到27.6%，随后又提高到28.8%，这是迄今为止所有单结电池效率的最高纪录。

GaAs 单结薄膜电池的制造工艺与上文介绍的IMM 超薄型高效叠层电池相似，只是单结电池的外延工艺简单得多。

图15描述了GaAs 单结薄膜电池的工艺过程。

首先在可重复使用的GaAs 衬底上MOCVD 生长AlAs 剥离层和反向器件外延结构(图15a)，在外延层上淀积金属电极后粘合到一块柔性衬底上(图15b)，经AlAs 层腐蚀剥离GaAs 衬底(图15c)，最后淀积前电极和减反射层完成器件工艺制造(图15d)。

图15 GaAs
单结薄膜电池器件工艺过程
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国内苏州矩阵光电公司报道(2014年)，他们采用反向生长加衬底剥离技术成功研发了柔性薄膜GaAs 单结电池，效率达到28%；柔性薄膜二结和三结叠层电池效率达到31%和35%；而且GaAs 衬底可重复使用100次[39]。

5 结语
自上世纪90年代以来，以GaAs 为代表的III-V 族化合物半导体太阳电池就成为光伏太。