砷化镓太阳电池技术的进展与前景 张忠卫

文章编号:100621630(2003)0320033206

砷化镓太阳电池技术的进展与前景

张忠卫,陆剑峰,池卫英,王亮兴,陈鸣波

(上海空间电源研究所,上海200233)

摘　要:介绍了砷化镓(G aAs )太阳电池的特点,并比较了液相外延(L PE )和金属有机物化学气相沉积

(MOCVD )两种外延生长技术。叙述了国外单结、双结与三结G aAs 太阳电池的结构、性能、研制及生产情况,分析

了G aAs 太阳电池的发展方向。最后根据国内G aAs 太阳电池的研制进展和空间试用情况,提出了发展我国G aAs 太阳电池的设想和建议。

关键词:砷化镓太阳能电池;技术;进展;卫星电池;空间电源中图分类号:TM914.4 文献标识码:A

T echnique Development and Prospects Analysis of G aAs Solar Cell

ZHAN G Zhong 2wei ,L U Jian 2feng ,CHI Wei 2ying ,WAN G Liang 2xing ,CHEN Ming 2bo

(Shanghai Institute of S pace Power 2S ources ,Shanghai 200233,China )

Abstract :The characteristics and two manufacturing techniques of G aAs solar cell ,liquid phase epitaxy (L PE )and metal oxide chemical vapor deposition (MOCVD ),are introduced in this paper.And the foreign technique development and space application including the structure ,performance ,research and production of single 2junction ,dual 2junction and triple 2junction G aAs solar cell ,as well as their develo ping trend are mainly described.In the end ,the research and development of high 2efficiency G aAs solar cell in China are proposed according to the domestic technique development and space experiments.

K eyw ords :G aAs solar cell ;Technique ;Development ;Satellite cell ;S pace power source

收稿日期:2002211205;修回日期:2002212210

作者简介:张忠卫(1964～),男,研究员,上海市宇航学会会员,主要从事G aAs 太阳电池研究,曾获航天科技进步一、二等奖,航天人才奖等。

0　引言

G aAs 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G aAs 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E g 间的关系,即E g =1.4～1.6eV 的材料光电转换效率高。而G aAs 材料的E g =1.43eV ,能获得较高的转换效率。J ENN Y 等首次制成G aAs 太阳电池,其效率为6.5%。60年代GOBA T 等研制了第1个掺锌G aAs 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G aAs 表面生长一层宽禁带Al x G a 12x As 窗口层,大大减少了表面复

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,G aAs 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,G aAs 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,G aAs 太阳电池在空间主电源领域的应用比例日益增大。

1　特点

G aAs 太阳电池是一种Ⅲ2Ⅴ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　G aAs 的禁带宽度较Si 为宽,G aAs 的光谱响应特性和空间太阳光谱匹配能力亦比Si 好,因此,G aAs 太阳电池的光电转换效率

3

3　2003年第3期

上　海　航　天

AEROSPACE SHAN GHAI

高。Si 太阳电池理论效率为23%,而单结和多结

G aAs 太阳电池的理论效率分别为27%和50%。

b )可制成薄膜和超薄型太阳电池　G aAs 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,G aAs 材料的光吸收系数远高于Si 材料。同样吸收95%的太阳光,G aAs 太阳电池只需5～10μm 的厚度,而Si 太阳电池则需大于150μm 。因此,G aAs 太阳电池能制成薄膜型,质量可大幅减小。

c )耐高温性能好　G aAs 的本征载流子浓度低,G aAs 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G aAs

太阳电池的效率仍有约10%。

d )抗辐射性能好　G aAs 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1MeV ,通量为1×1015个/cm 2辐照条件下,辐照后与辐照前太阳电池输出功率比,G aAs 单结太阳电池>0.76,G aAs 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,Ⅲ2Ⅴ族三元、四元化合物半导体材料(G a InP 、Al G a InP 、G a 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。

2　制造技术

2.1　LPE 技术

L PE 是N EL SON 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G a 、In 等)为溶剂,以待生长材料(如G aAs 、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G aAs 太阳电池的研制。通过在G aAs 单晶衬底上外延生长n 2G aAs 、p 2G aAs 和一层宽禁带Al x G a 12x As 窗口层,使G aAs 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G aAs/G aAs 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G aAs 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,用于研制小卫星电源。2.2　MOCV D 技术

MOCVD 是MANASEV IT 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G a (CH 3)3、Al (CH 3)3、Zn (C 2H 5)2等和Ⅴ族、Ⅵ族元素的氢化物(PH 3、AsH 3、H 2Se )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Ⅲ2Ⅴ族、Ⅱ2Ⅵ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G aAs 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。两者的比较

如表1所示。

表1　MOCV D 与LPE 的比较

T ab.1　The comparison of MOCV D to LPE technolo gy

外延技术L PE

MOCVD

原理物理过程

化学过程

一次外延容量单片多层或多片单层

多片多层

外延参数控制能力厚度、载流子浓度不易控制,难以实现薄层和多层生长

　能精确控制外延层厚度、浓度和组分,实现薄层、超薄层和多层生长,大面积均匀性好,相邻外延层界面陡峭

异质衬底外延不能

能

可实现的太阳电池结构外延层一般只1～3层,电池结构不够完善

　外延层可多达几十层,并可引入超晶格结构,电池结构更加完善,可制备多结叠层太阳电池

可达到的最高效率单结G aAs 电池21%

　G aAs 单结电池21%～22%;G aInP/G aAs 双结电池26.9%;

G aInP/G aAs/G e 三结太阳电池29%

太阳电池领域的应用

已逐步淘汰

占主导地位

4

3

上　海　航　天AEROSPACE SHAN GHAI

2003年第3期