GaAs(砷化镓)

砷化镓太阳能电池
• 中文名称：
– 砷化镓太阳能电池
• 英文名称：
– gallium arsenide solar cell
• 定义：
– 以砷化镓为基体材料的太阳能电池。
• 砷化镓晶片发展前景 • 2010年5月，新一期英国《自然》杂志报告说，美国 研究人员研发出一种可批量生产砷化镓晶片的技术，克服 了成本上的瓶颈，从而使砷化镓这种感光性能比硅更优良 的材料有望大规模用于半导体和太阳能相关产业[2]。 • 美国伊利诺伊大学等机构研究人员报告说，他们开发 出的新技术可以生成由砷化镓和砷化铝交叠的多层晶体， 然后利用化学物质使砷化镓层分离出来，可同时生成多层 砷化镓晶片，大大降低了成本。这些砷化镓晶片可以像 “盖章”那样安装到玻璃或塑料等材料表面，然后可使用 已有技术进行蚀刻，根据需要制造半导体电路或太阳能电 池板。 • 不过，该技术目前还只能用于批量生产较小的砷化镓 晶片，如边长500微米的太阳能电池单元。下一步研究将 致力于利用新技术批量生产更大的砷化镓晶片。
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3 国外技术的进展 3. 1 单结GaAs 太阳电池 3. 1. 1 单结GaAs/ GaAs 太阳电池 20 世纪70～80 年代,以GaAs 单晶为衬底的单 结GaAs/ GaAs 太阳电池研制基本采用L PE 技术生 长,最高效率达到21 %。80 年代中期,已能大批量 生产面积为2 cm ×2 cm 或2 cm ×4 cm 的GaAs/ GaAs 电池,如美国休斯公司采用多片L PE 设备,年 产3 万多片2 cm ×2 cm 电池,最高效率达19 % ,平 均效率为17 %(AM0) ;日本三菱公司采用垂直分离 三室L PE 技术,一个外延流程可生产200 片2 cm × 2 cm GaAs 电池,最高效率达19. 3 % ,平均效率为 17. 5 %(AM0) 。此外,国外也用MOCVD 技术研制 GaAs/ GaAs 太阳电池,美国生产的GaAs/ GaAs 太阳 电池,批产的平均效率达到了17. 5 %(AM0) 。 3. 1. 2 单结GaAs/ Ge 太阳电池
• 20世纪50年代，半导体器件的生产主要采用锗单 晶材料，到了60年代，由于硅单晶材料的性能远 远超过锗，因而半导体硅得到了广泛的应用，在 半导体材料中硅已经占据主导地位。大规模集成 电路的制造都是以硅单晶材料为主的，Ⅲ-Ⅴ族化 合物半导体如砷化镓、磷化镓、锑化铟等也越来 越受到人们的重视，特别是砷化镓具有硅、锗所 不具备的能在高温度频下工作的优良特性，它还 有更大的禁带宽度和电子迁移率，适合于制造微 波体效应器件、高效红外发光二极管和半导体激 光器，因而砷化镓是一种很有发展前途的半导体 材料。随着大规模集成电路制造工艺水平的提高， 半导体化学的研究领域和对象也将不断地扩展。
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d) 抗辐射性能好 GaAs 为直接禁带材料,少数 载流子寿命较短,在离结几个扩散度外产生的损伤, 对光电流和暗电流均无影响。因此,其抗高能粒子 辐照的性能优于间接禁带的Si 太阳电池。在电子 能量为1 MeV ,通量为1 ×1015 个/ cm2 辐照条件 下,辐照后与辐照前太阳电池输出功率比, GaAs 单 结太阳电池> 0. 76 ,GaAs 多结太阳电池> 0. 81 , 而 • BSFSi 太阳电池仅为0. 70 。
• e) 可制成效率更高的多结叠层太阳电池 • MOCVD 技术的日益完善, Ⅲ2 Ⅴ族三元、 四元化合 • 物半导体材料( Ga InP、AlGa InP、Ga InAs 等) 生长技 • 术取得的重大进展,为多结叠层太阳电池研 制提供 • 了多种可供选择的材料。
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砷化镓特性
• 由于传送讯号的射频元件需要工作频率高、 低功率消耗、低杂讯等特色，而砷化镓本 身具有光电特性与高速，因此砷化镓多用 於光电元件和高频通讯用元件。砷化镓可 应用在WLAN、WLL、光纤通讯、卫星通讯、 LMDS、VSAT等微波通讯上。
砷化镓基本属性
• 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。
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c) 耐高温性能好 GaAs 的本征载流子浓度低, GaAs 太阳电池的最大功率温度系数( - 2 × 10 - 3 ℃- 1) 比Si 太阳电池( - 4. 4 ×10 - 3 ℃- 1 ) 小 很多。200 ℃时,Si 太阳电池已不能工作,而GaAs 太阳电池的效率仍有约10 %。
2. 1
LPE技术 L PE 是NELSON 在1963 年提出的一种外延 生长技术。其原理是以低熔点的金属(如Ga 、In 等) 为溶剂,以待生长材料(如GaAs、Al 等) 和掺杂剂 (如Zn、Te 、Sn 等) 为溶质,使溶质在溶剂中呈饱和 或过饱和状态,通过降温冷却使溶质从溶剂中析出, 结晶在衬底上,实现晶体的外延生长。 20 世纪70 年代初, L PE 开始用于单结GaAs 太阳电池的研制。通过在GaAs 单晶衬底上外延生 长n2GaAs、p2GaAs 和一层宽禁带Al x Ga12xAs 窗口 层,使GaAs 太阳电池效率明显提高。L PE 设备成 本较低,技术较为简单,可用于单结GaAs/ GaAs 太 阳电池的批产。 L PE 的缺点是异质界面生长无法进行、多层复 杂结构的生长难以实现和外延层参数难以精确控制 等,这限制了GaAs 太阳电池性能的进一步提高。 20 世纪90 年代初,国外已基本不再发展该技术,但 欧、俄、日等地区和国家仍保留L PE 设备,用于研制
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MOCVD 技术 MOCVD 是MANASEVIT 在1968 年提出的一 种制备化合物半导体薄层单晶的方法。其原理是采 用Ⅲ族、Ⅱ族元素的金属有机化合物Ga (CH3) 3 、 Al (CH3) 3 、Zn (C2H5) 2 等和Ⅴ族、Ⅵ族元素的氢化物 (PH3 、AsH3 、H2Se) 等作为晶体生长的源材料,以热 分解的方式在衬底上进行气相沉积(气相外延) ,生 长Ⅲ2 Ⅴ族、Ⅱ2 Ⅵ族化合物半导体及其三元、四元化 合物半导体薄膜单晶。 20 世纪70 年代末,MOCVD 开始用于研制 GaAs 太阳电池。与L PE 相比,MOCVD 虽然设备 成本较高,但具有不可比拟的优越性。 2. 2
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b) 可制成薄膜和超薄型太阳电池 GaAs 为直 接跃迁型材料,而Si 为间接跃迁型材料。在可见光 范围内, GaAs 材料的光吸收系数远高于Si 材料。 同样吸收95 %的太阳光, GaAs 太阳电池只需5～ 10μm的厚度,而Si 太阳电池则需大于150μm。因 此,GaAs 太阳电池能制成薄膜型,质量可大幅减小。
砷化镓太阳能充电器,
三结砷化镓太阳能电池片
• 砷化镓太阳能电池
砷化镓太阳电池技术的进展与前景
• • • • • • • • • • • GaAs 太阳电池的发展已有40 余年的历史。20 世纪50 年代首次发现GaAs 材料具有光伏效应后, LOFERSKI 确立了太阳电池光电转换效率与材料 禁带宽度Eg 间的关系,即Eg = 1. 4～1. 6 eV 的材 料光电转换效率高。而GaAs 材料的Eg = 1. 43 eV , 能获得较高的转换效率。J ENN Y等首次制成GaAs 太阳电池,其效率为6. 5 %。60 年代GOBAT 等研 制了第1 个掺锌GaAs 太阳电池,但转换效率仅为 9 %～ 10 % , 远低于27 % 的理论值。70 年代, WOODAL 等采用L PE 技术,在GaAs 表面生长一 层宽禁带Al x Ga12 x As 窗口层,大大减少了表面复
• 英文名称:Gallium arsenide • 分子量:144.64 • 结构式:
• 半导体材料的种类繁多，从单质到化合物，从无 机物到有机物，从单晶体到非晶体，都可以作为 半导体材料。根据材料的化学组成和结构，可以 将半导体划分为：元素半导体，如硅（Si）、锗 （Ge）；二元化合物半导体，如砷化镓(GaAs)、 锑化铟（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、 GaAsP；固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP； 玻璃半导体(又称非晶态半导体），如非晶硅、玻 璃态氧化物半导体；有机半导体，如酞菁、酞菁 铜、聚丙烯腈等。
• 3. 2 多结GaAs 太阳电池 • 单结GaAs 电池只能吸收特定光谱的太阳光, • 其转换效率不高。不同禁带宽度的Ⅲ2 Ⅴ族材料 制 • 备的多结GaAs 电池,按禁带宽度大小叠合,分别选 • 择性吸收和转换太阳光谱的不同子域,可大幅度提 • 高太阳电池的光电转换效率。理论计算表明(AM0 • 光谱和1 个太阳常数) :双结GaAs 太阳电池的极限 • 效率为30 % ,三结GaAs 太阳电池的极限效率为 • 38 % ,四结GaAs 太阳电池的极限效率为41 %。 • 20 世纪80 年代中期,国外逐步开始研制高效 • 率多结叠层电池。多结叠层电池效率高、温度系 数 • 低、抗辐射能力强,其空间应用更具吸引力。
砷化镓 GaAs
• 是Ⅲ-Ⅴ族元素化合的化合物，黑灰色固体，熔点 1238℃。它在600℃以下，能在空气中稳定存在， 并且不为非氧化性的酸侵蚀。 • 是一种重要的化合物半导体材料，同锗、硅比， 其禁带宽度和电子迁移率都比较大，用它制造的 器件有较好的频率特性和耐高温特性。用来制造 微波半导体器件和半导体激光器。由镓和砷在高 温下合成，再制电池是一种Ⅲ2 Ⅴ族化合物 半导体太阳电池,与Si 太阳电池相比,其特点 为: • a) 光电转换效率高 GaAs 的禁带宽度较Si 为 • 宽,GaAs 的光谱响应特性和空间太阳光谱 匹配能力亦比Si 好,因此, GaAs 太阳电池的 光电转换效率高。Si 太阳电池理论效率为 23 % ,而单结和多结GaAs 太阳电池的理论 效率分别为27 %和50 %。
砷化镓单晶生产技术
• 中国掌握“半导体贵族”砷化镓单晶生产技术 • 作为第二代半导体，砷化镓单晶因其价格昂贵而素有 “半导体贵族”之称。昨天，中国科学家宣布已掌握一种 生产这种材料的新技术，使中国成为继日本、德国之后掌 握这一技术的又一国家。 北京有色金属研究总院宣布， 国内成功拉制出了第一根直径4英寸的VCZ半绝缘砷化镓 单晶。 • 据专家介绍，砷化镓可在一块芯片上同时处理光电数 据，因而被广泛应用于遥控、手机、DVD计算机外设、照 明等诸多光电子领域。另外，因其电子迁移率比硅高6倍， 砷化镓成为超高速、超高频器件和集成电路的必需品。它 还被广泛使用于军事领域，是激光制导导弹的重要材料， 曾在海湾战争中大显神威，赢得“砷化镓打败钢铁”的美 名。 据悉，砷化镓单晶片的价格大约相当于同尺寸硅单 晶片的20至30倍。尽管价格不菲，目前国际上砷化镓半导 体的年销售额仍在10亿美元以上。在“十五”计划中，我 国将实现该产品的产业化，以占据国际市场。[1]
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合,转换效率提高至16 % ,开创了高效率砷化镓太 阳电池的新纪元。20 世纪80 年代后, GaAs 太阳电 池技术经历了从L PE 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,最高效率已达 到29 %。与硅太阳电池相比, GaAs 太阳电池具有 更高的光电转换效率、更强的抗辐照能力和更好的 耐高温性能,是公认的新一代高性能长寿命空间主 电源。从80 年代至今, GaAs 太阳电池在空间主电 源领域的应用比例日益增大。