Ⅲ-Ⅴ族化合物叠层太阳电池概论

Ⅲ-Ⅴ族化合物叠层太阳电池

摘要

叠层太阳电池是一种重要的新概念电池。本文简要介绍了叠层太阳电池的基本概念，了解了Ⅲ-Ⅴ族化合物的特点及为何Ⅲ-Ⅴ族化合物适用于制作叠层电池。怎样实现Ⅲ-Ⅴ族化合物叠层太阳能电池的工作原理、光伏特性及影响转换效率的因素等。探讨了相关的技术发展概况和技术难点，并就未来的发展趋势进行了展望。

关键词：Ⅲ-Ⅴ族化合物；太阳电池；新概念能源

III-V compound semiconductor multi-junction

monolithic solar cell

Abstract

Multi-junction monolithic solar cells is a new important concept of battery.This paper briefly introduces the basic concept of multi-junction monolithic solar cells,to understand the characteristics of III-V compound and why III-V compound is suitable for manufacturing multi-junction monolithic solar cells.How to realize the III-V compound laminated working principle of solar cells,photovoltaic properties and Influence factors of conversion efficiency etc.The relative progress and difficulty in technology was discussed．And the future direction was prospected．

Key words：III-V compound；solar cells；new concept resource

自从20世纪50年代人类发明了硅太阳电池以来，太阳电池就成了电源的主要角色。在接下来的几十年里，太阳电池技术不断进步。由于空间恶劣的环境和空间飞行器不断对电源系统提出更高的要求，人们日益迫切需要更高转换效率、更好抗辐照性和适应空间恶劣温度变化的太阳电池出现。同时，在全球气候变暖、人类生态环境恶化、常规能源资源短缺并造成环境污染的形势下，太阳能光伏发电技术也普遍得到各国政府的重视和支持。

太阳能电池的工作原理是，太阳光照在半导体P—N结上，形成空穴一电子对，在P—N结电场的作用下，N型半导体的空穴往P型区移动，P型区中的电子往N型区移动。接通电路后就形成电流。太阳能电池发展经历了三个阶段。以硅片为基础的“第一代”太阳能电池其技术发展已经成熟．但单晶硅纯度要求在99．999％，生产成本太高使得人们不惜牺牲电池转换率为代价开发薄膜太阳能电池。第二代太阳电池是基于薄膜材料的太阳电池。薄膜技术所需材料较晶体硅太阳电池少得多．且易于实现大面积电池的生产，可有效降低成本。薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉以及铜铟硒薄膜电池，其中以多晶硅为材料的太阳能电池最优。太阳能光电转换率的卡诺上限是95％[1]，远高于标准太阳能电池的理论上限33％，表明太阳能电池的性能还有很大发展空间。Martin Green认为，第三代太阳电池必须具有如下条件：薄膜化，转换效率高，原料丰富且无毒[2]。目前第三代太阳电池还处在概念和简单的试验研究。已经提出的主要有叠层太阳电池、多带隙太阳电池和热载流子太阳电池等。其中．叠层太阳能电池是太阳能电池发展的一个重要方向。

一、叠层太阳电池简介

由于太阳光光谱的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其禁带宽度值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池被背电极金属吸收，转变成热能；而高能光子超出禁带宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效电能。因此对于单结太阳能电池，即使是晶体材料制成的，其转换效率的理论极限一般也只有25%左右。所以为了提高太阳能电池转换效率，叠层太阳能电池问世。

太阳光光谱可以被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，并按禁带宽度从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄禁带宽度材料电池利用，这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样结构的电池就是叠层太阳能电池[3]。

叠层太阳能电池可以通过机械堆叠法来制备，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。黄素梅、孙卓等[4]发明了一种高效叠层太阳能电池的制备方法．顶层和底层共用同一块玻璃基板，从顶层太阳电池引出一对电极．同时从底层太阳电池引出另一对电极．构成4个终端结构的叠层太阳能电池。实现对太阳能电池的最佳匹配．极大地提高太阳能电池的光电转换效率。提高太阳能电池的质量和性能。

该方法有效地改善了单个太阳能电池光谱吸收范围窄，光吸收利用效率低的问题，有效地提高了太阳能电池对光谱的吸收转换效率，其光电转换效率可高达25％～30％。

二、叠层太阳电池的结构分类

2.1 垂直串联叠层太阳电池

这种叠层太阳电池是利用MBE或MOCVD技术从下至上连续生长具有不同禁带宽度的p-n结子电池，并在各子电池之间插入超薄垂直掺杂的隧穿结，利用光生载流子的隧穿效应实现各级子电池互联的方法。如果将各p-n结直接串联在一起，会由于它们的反向偏置而不能实现载流子运输。采用高浓度掺杂实现的隧穿结，可以恰到好处的解决这一个问题。

如此，高质量隧穿结的制备便成为高效率叠层太阳电池制作的关键。其一，

作为能够有效的互连两个子电池的隧穿结，应该具有高透光率和低阻抗的特点。其二，上电池和下电池的晶格常数和热膨胀系数也应该尽可能的相匹配。其三，为避免隧穿结对叠层太阳电池的短路电流造成损失，隧穿结的峰值隧穿电流必须远远大于叠层太阳电池的最大短路电流。因此，要求p-n结两侧应具有足够高的掺杂浓度。这就需要在适宜的掺杂剂类型和浓度选择以及隧穿结构的优化等方面进行考虑[5]。

2.2 横向并联叠层太阳电池

并联叠层太阳电池的主要结构特点是整个电池为一个p-n结。其中间为本征层，而两侧分别是n型和p型掺杂层。对于n型掺杂一侧来说，从顶电池接触电极到本征层的掺杂浓度是逐渐增大的。通过改变合金材料的组分数可以调控叠层太阳电池的禁带宽度。受光照界面的带隙最宽，越往里带隙越小。因此，将会在电池的内部造成一个连续变化的内建电场。在统一的同向电场的作用下，光生电子-空穴对的分离和抽取作用将在受到该电场的逐层加速作用，因此载流子运输畅通无阻。尤其当载流子被加载到一定程度时，还可以发生雪崩倍增效应，由此进一步产生倍增载流子，这对增加广生电流是非常有利的。

三、Ⅲ-Ⅴ族化合物的基本特性

IIIA元素：B 、Al、Ga、In。VA元素：N、P、As、Sb。组合形成的化合物有15种（BSb除外）。前得到实用的III-V族化合物半导体有GaN GaN GaP GaP GaAs GaAs InP InP GaSb GaSb InSb InSb InAs。

Ⅲ-Ⅴ族化合物与Si相比，其独特性质在于：1.带隙较大，大部分室温时＞1.1eV,因而所制造的器件耐受较大功率，工作温度更高；2.大都为直接跃迁型能带，因而其光电转换效率高，适合制作光电器件，如LED、LD、太阳电池等。GaP 虽为间接带隙，但Eg较大，掺入等电子杂质所形成的束缚激子发光仍可得到较高的发光效率。红、黄、绿光的LED 的主要材料之一；3. 电子迁移率高，很适合制备高频、高速器件。

GaAs是一种最具代表性的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。其主要物理特性为：.1.光吸收系数高。GaAs 太阳能电池的有源区厚度多选取3um 左右，就可以吸收95%的太阳光谱中最强的部分。2.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。3.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。4.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。5.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。

四、GaInP2/GaAs/Ge三结空间电池的持续进步

4.1 Ⅲ-Ⅴ族半导体极性材料在非极性Ge单晶衬底上的成核(nucleation)技术