砷化镓基系III-V族化合物半导体太阳电池的发展和应用(6)

中国科学院半导体研究所 ■ 向贤碧 廖显伯

1997年Olson 等提出采用Ga1-xInxN1-yAsy四元系材料来研制第三结子电池，因为这是化合物半导体材料中，唯一一种可通过调节x、y值(Ga0.93In0.07N0.023As0.977)，既能得到约1eV的带隙，又与GaAs晶格匹配的材料[24]。但是，带隙为1eV的窄带隙Ga1-xInxN1-yAsy材料的质量差，与N相关的本征缺陷多，少子扩散长度小，载流子迁移率低。虽然经过多年的努力，研制出的1eV的GaInNAs太阳电池的量子效率和短路电流Isc仍不够大。

如果放宽晶格匹配的严格限制，组成带隙更好匹配的GaInP/GaAs/GaInAs/GaInAs(1.9/1.4/ 1.0/0.7eV)四结叠层电池，不知能否取得成功？2011年美国Emcore公司在这方面取得了重要进展。他们应用反向应变(Inverted Metamophic，IMM)生长加衬底剥离技术，成功解决了晶格失配外延问题，所研制的空间用GaInP/GaAs/ GaInAs/GaInAs(1.9/1.4/1.0/0.7eV)四结叠层电池，其AM 0效率达到34.24%(2×2cm2)[24]，电池的结构如图6所示。他们认为，IMM外延工艺的关键是控制好两个组分梯度层的质量。阴极荧光测量结果显示，优化的组分梯度层表面的位错线密度小于5×106/cm2。

3.3 聚光III-V族多结叠层太阳电池

聚光光伏系统是在1970年代与地面应用光伏系统差不多同时发展起来的。当时太阳电池的价格非常昂贵，聚光太阳电池被认为是降低太阳电池系统成本的重要途径。之后随着光伏工艺技术的进步、电池效率的提高和产业规模的扩大，太阳电池的成本已大幅降低，聚光电池降低成本的优势不再突出。而且聚光系统只能对直射阳光进行有效聚光，需对太阳的移动进行动态跟踪，这又增加了聚光光伏系统的制造和运行成本。

III-V族化合物叠层太阳电池比Si太阳电池效率高、耐高温，因而更适用于聚光太阳电池。随着聚光度的增加，系统的成本降低，III-V族叠层聚光太阳电池成本预计将会降至0.3美元/W[25]。这使应用III-V族太阳电池系统实现大规模地面发电成为可能。

图6 空间用GaInP/GaAs/GaInAs/GaInAs四结叠层电池结构

早期，俄罗斯约飞技术物理所和德国弗郎和费太阳能系统研究所在III-V族聚光太阳电池的研究和应用方面做了许多工作。而后，美国国家可再生能源实验室(NREL)和 Spectrolab 公司等开展了聚光III-V族叠层太阳电池的研究，日本Sharp公司等也开展了III-V族聚光太阳电池系统的开发和生产。他们不仅提高了III-V族聚光太阳电池的效率，还研制出了多种聚光系统，如抛物面反射镜式聚光太阳电池系统(图 7)和菲涅尔透镜式聚光太阳电池系统(图8)等。近年来，国内天津三安公司也取得了可喜的进展。

图7 抛物面反射镜式聚光太阳电池系统照片和原理示意图

图8 菲涅尔透镜式聚光太阳电池系统照片和原理示意图

3.3.1 晶格匹配GaInP/GaInAs/Ge三结叠层聚光电池

2007年，美国Spectrolab公司报道，他们研制的晶格匹配(LM) 三结叠层Ga0.5In0.5P/ Ga0.98In0.02As/Ge(1.86/1.39/0.67eV)聚光电池效率达到40.1%(135倍AM 1.5D太阳光强，13.5W/cm2，25℃ )[26]。2009年9月，Spectrolab公司又报道，他们研制的晶格匹配GaInP/GaInAs/Ge 三结叠层聚光电池(0.3174cm2)，由于减小了栅极挡光面积，在364倍AM 1.5D光强下效率为41.6%[27]。

3.3.2 晶格应变GaInP/GaInAs/Ge三结叠层聚光电池

在保持Ge底电池不变的条件下，改善GaInP/GaInAs/Ge 三结叠层电池能带匹配的一条途径是，适当增加上、中电池的电流密度。这就要适当增加上、中子电池材料GaInP/GaInAs中In的含量，降低其带隙宽度。2009年，德国Fraunhofer太阳能研究所在Ge衬底上制备了晶格应变(MM)Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As/Ge(1.67/1.18/ 0.67eV)三结叠层电池，在454倍AM 1.5D光强下效率达到41.1%[28]，电池结构如图9所示。在Ga0.35In0.65P上电池与Ga0.83In0.17As中电池之间晶格匹配，而Ge和Ga0.83In0.17As之间晶格失配度达1.2%，需生长一缓变层使晶格常数从Ge的5.658Å缓变到Ga0.83In0.17As的5.723Å，并在缓变层上生长一高In组分Ga0.77In0.23As薄层，使其上生长的外延层晶格得到充分弛豫，以免残留的结构应力在电池有源层中形成位错。

图9 Fraunhofer太阳能研究所研制的晶格失配三结叠层电池结构示意图

[24] Patel P，Aiken D，Boca A，et al. Experimental results from performance improvement and radiation hardening of inverted metamorphic multi-junction sorlar cells[A]. Proceedings of 37th IEEE PVSC[C]，Seattle，Washington，2011.

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