轻质柔性GaInP/Ga(In)As/Ge三结太阳电池及其性能研究

王笃祥，李明阳，毕京锋，李森林，刘冠洲，宋明辉，吴超瑜，陈文浚

轻质柔性GaInP/Ga(In)As/Ge三结太阳电池及其性能研究

王笃祥，李明阳*，毕京锋，李森林，刘冠洲，宋明辉，吴超瑜，陈文浚

(天津三安光电有限公司，天津 300387)

为了研究柔性太阳能电池的性能，通过太阳能电池减薄工艺制备出轻质柔性GaInP/Ga(In)As/Ge三结太阳能电池芯片。尺寸为40 mm×60 mm的电池芯片重量为0.7 g，仅为常规175 μm厚度电池重量的30%。验证了柔性电池工艺的可行性，制得的柔性电池转换效率达到了30.64%，同常规厚度电池十分接近。对比测试了两种样品不同温度下的暗电流曲线，拟合了两种电池样品的温度系数，结果表明：电池的温度系数与衬底类型无关，只与电池PN结本身相关。

空间太阳电池； 柔性太阳电池； 温度系数

1 引 言

Ⅲ-Ⅴ族多结电池沿着高效和质轻的方向飞速发展[1-3]。目前,航空航天用Ⅲ-Ⅴ族空间电池的最高效率由Spectrolab保持，他们采用直接键合技术制作的五结电池效率达到了35.8%[4-5]。目前最成熟应用的GaInP/Ga(In)As/Ge三结空间电池，量产也已经达到约为30.0%的平均效率水平[6-7]。航空航天系统成本极其高昂，除了大幅提升光电转换效率，发展轻质电池也是有效降低航空航天成本的快捷手段。然而，一方面由于航空航天对于电源系统可靠性要求极高，所以新型柔性以及质轻空间电池的发展十分保守；另一方面，尽管柔性电池具有质量轻、质量功率比高、可柔韧弯曲等优异特性，能够更加完美地满足航天航空领域的要求，大大降低航天成本，但是其器件工艺难度也相对较大，所以导致其发展缓慢，远远不能满足目前各种航空航天的应用[8-11]。

目前广泛使用的柔性电池，主要有基于多晶硅(a-Si)柔性太阳电池、铜铟镓硒(CIGS)柔性太阳电池、有机柔性太阳电池(OSC)及其他类型的柔性太阳电池，而这些太阳电池主要由于材料的限制，效率往往比较低[12-18]。将现在相对成熟的Ⅲ-V族空间电池进行柔性器件制作，是最能有效推动柔性空间电池发展的途径之一。夏普的报道称，其采用柔性Kapton薄膜作为支撑衬底的基于GaInP/GaAs/InGaAs倒装三结柔性空间电池的效率达到了31.5%。倒装结构的多结电池往往需要涉及到键合技术，键合工艺的良率及成本是阻碍其发展的主要因素。现在广泛使用的GaInP/Ga(In)As/Ge三结空间电池，其厚度一般为175 μm，质量功率比仅为400 W/kg。

本文研究了基于GaInP/Ga(In)As/Ge三结的柔性空间电池。制得的40 mm×60 mm柔性空间电池总厚度130 μm，电池外延层厚度只有20 μm，柔性衬底厚度为100 μm，单颗电池总重量为0.7 g，质量功率比达到了1 448 W/kg。制得的电池样品短路电流为411.00 mA，开路电压为2.768 V，填充因子为85.04%，转换效率达到了30.64%，与常规厚度的三结空间电池十分接近。

2 实 验

首先，采用MOCVD外延生长GaInP/Ga(In)As/ Ge三结电池。然后进行器件工艺，在外延层上进行光刻，完成电极及减反膜蒸镀，同时完成正面电极的欧姆接触退火和减反膜退火。完成正面器件工艺后，将片源采用石蜡贴合在玻璃临时支撑衬底上，此时贴片一定要尽量保证片内均匀性，这样才能获得均匀的减薄厚度。先采用DISCO机台进行快速机械减薄，将外延片厚度从175 μm减薄至约30 μm；再采用HNO3：HF：CH3COOH混合溶液进行化学减薄抛光，将Ge衬底减薄至约20 μm。该步骤采用混合酸溶液腐蚀抛光，主要是为了对Ge衬底的机械损伤进行修复[19]，以增强电池片的机械强度，同时对Ge衬底进行少量的减薄。然后，进行支撑衬底粘合。先在Ge结电池面涂覆一层硅胶，然后贴合100 μm厚的Kapton薄膜。待硅胶固化完成后，再使用100 ℃的去蜡液完全去除临时玻璃衬底及石蜡粘附层，临时衬底可重复利用。最后，对晶圆进行切割及侧壁化学腐蚀钝化，形成单颗芯片并在25 ℃、AM0条件下进行测试。柔性空间电池器件结构如图1(b)所示，图1(a)为175 μm厚度常规空间电池器件结构。

图1 空间电池结构图。(a)175 μm厚度常规电池；(b)柔性电池。Fig.1 Structure diagram of space solar cell.(a) 175 μm conventional cell.(b) Flexible cell.

3 结果与讨论

3.1 柔性电池的表观、厚度及重量

如图2所示，我们制备的柔性电池具有较好的柔韧性。40 mm×60 mm柔性空间电池总厚度约为130 μm，其中Kapton薄膜的厚度约为100 μm，电池外延结构层的厚度约为20 μm，胶层厚度约为10 μm。电池总重量为0.7 g，而同尺寸175 μm厚的常规电池的重量约为2.5 g。所制备的柔性电池重量不到同等尺寸常规厚度电池的30%，电池重量被大幅降低。通过柔性电池制备工艺，GaInP/Ga(In)As/Ge三结空间太阳电池的质量功率比从400 W/kg左右提高到了1 400 W/kg。

图2 轻质柔性多结电池图片Fig .2 Images of low-weight flexible triple-junction solar cell

3.2 柔性电池的电学性能

表1中，Sample A为常规175 μm厚度空间电池，Sample B为柔性空间电池。图3所示为常规电池和柔性电池的I-V曲线及输出功率曲线。实验制得的40 mm×60 mm尺寸空间柔性电池，其短路电流为0.411 A，开路电压为2.768 V，填充因子为85.04%，转换效率达到了30.64%。同时制作的作为参照的Smaple A的转换效率为30.55%，其他各项参数性能也差异不大。这说明柔性电池器件制作工艺可行，不会导致电池性能下降。

测试了两种样品的量子效率，如图4所示。考虑到空间电池辐照后电流匹配的因素，常规厚度电池的顶电池和中电池电流密度积分值分别为17.1 mA/cm2和18 mA/cm2，同批次柔性电池样品在相同测试条件下，顶电池和中电池分别为17.06 mA/cm2和17.8 mA/cm2。两者十分接近，这与测得的I-V性能吻合。

表1 常规及柔性空间电池的Ⅳ性能Tab.1 Ⅳ characteristics of normal and flex space solar cell

图3 Sample A(175 μm常规电池)和Sample B(柔性电池)的I-V曲线Fig.3 I-V curve of Sample A (175 μm conventional cell) and Sample B (flexible cell)

图4 Sample A(175 μm常规电池)和Sample B(柔性电池)的量子效率曲线Fig.4 External quantum efficiency curve of Sample A (175 μm conventional cell) and Sample B (flexible cell)

3.3 柔性电池的暗电流特性

为了观察柔性电池工艺制作过程中是否有引入额外的缺陷，从而导致电池暗特性变差，我们测试了两组电池样品不同温度下的暗电流曲线。图5所示为175 μm厚度常规电池的暗电流曲线，图6所示为柔性电池的暗电流曲线，可见两种电池暗特性良好并且十分相似，这说明我们采用的柔性电池工艺并没有导致缺陷产生，引入过大的漏电流。

另一方面，因为Kapton薄膜具有较低的热导率和较大的热膨胀系数，所以我们进一步观察了该衬底是否对电池性能有影响。如图5和图6所示，我们测试了25～60 ℃的暗电流曲线，可以看到随着温度的升高，两种电池样品的二极管特性都呈规律性的变化，并且变化趋势一样。

图5 175 μm厚常规电池不同温度下暗电流曲线，嵌入图为温度系数拟合曲线。Fig.5 Dark I-V curve under different temperature of 175 μm conventional solar cell，the inset image is temperature coefficient fitting curve.

图6 柔性电池在不同温度下的暗电流曲线，嵌入图为温度系数拟合曲线。Fig.6 Dark I-V curves under different temperature of flexible solar cell，the inset image is temperature coefficient fitting curve.

进一步地，根据普通二极管的肖克莱方程

I=I0(eqV/nkT-1),

(1)

式中n为理想因子，理想情况下，在三结电池中，n=3；I0是反向饱和电流；k是波尔兹曼常数；T是温度。另外

I0=CTreqVg/kT,

(2)

式中，C是与PN结的结面积和掺杂有关的常数；r在一定范围内也是常数；Vg为绝对零度时PN结材料导带底和价带顶的电势差，对于给定的PN结材料，Vg也为定值。将式(2)代入式(1)，两边取对数，整理可得

(3)

根据经验，在相当一段范围内，式(3)中的非线性项带来的误差很小，可以忽略不计，即

(4)

所以在允许的温度范围内，在恒流供电的条件下，PN结的压降可以近似地认为随温度升高而线性降低，式(4)可进一步简化成

V=Vg-sT，

(5)

由此可见，可以测试恒定电流不同温度下的压降来获得温度系数s，该系数s也能够用来表征电池性质的差异。所以，我们测得了两组电池样品在50 mA下不同温度的压降，并按式(5)进行拟合，得出两组样品不同温度下压降变化公式分别为：

V=-0.00441T+2.65063 (Sample A)

V=-0.00446T+2.66461 (Sample B),

(6)

如图5和图6中插图所示，可以看出，两组电池样品的拟合度非常好，并且其温度系数s分别为0.004 41和0.004 46，十分接近，即柔性电池并没有因为衬底较低的热导率、较高的热膨胀系数而导致电池性能温度系数的差异，进一步说明电池的温度系数同电池的支撑衬底是无关的，只与电池PN结本身相关。

4 结 论

综上所述，基于GaInP/Ga(In)As/Ge三结电池外延，制备了40 mm×60 mm尺寸的柔性电池，所得的柔性电池一颗重量仅为0.7 g，不到同尺寸常规厚度电池的30%。该柔性电池的短路电流为0.411 A，开路电压为2.768 V，填充因子为85.04%，转换效率达到了30.64%。其光电转换性能与常规电池相当，但是其功率质量比则提高了3倍之多。另外电池的暗特性曲线表明，柔性衬底较低的热导率及较高的热膨胀系数并没有对电池性能产生不良影响。相对于倒装外延的柔性多结太阳电池，该柔性电池无论从外延端还是芯片端，其工艺难度都相对较小，给柔性电池提供了另外一种形式。

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王笃祥(1973-)，男，山东泰安人，硕士，高级工程师，1998年于兰州大学获得硕士学位，主要从事太阳电池和LED的MOCVD外延开发的研究。

E-mail: wdx@sanan-e.com

李明阳(1988-)，男，河南平顶山人，硕士，工程师，2013年于天津理工大学获得硕士学位，主要从事Ⅲ-Ⅴ族多结电池的研究。

E-mail: tj-limingyang@sanan-e.com

Low-weight Flexible GaInP/Ga(In)As/Ge Triple-junction Solar Cell and Its Performance

WANG Du-xiang,LI Ming-yang*,BI Jing-feng,LI Sen-lin,LIU Guan-zhou,SONG Ming-hui,WU Chao-yu,CHEN Wen-jun

(TianjinSan’anOptoelectronicsCo.,Ltd.,Tianjin300387,China)

In order to study the performance of flexible solar cells，low-weight flexible GaInP/Ga(In)As/Ge triple-junction solar cell was fabricated by thinning process.The weight of the 40 mm×60 mm solar cell chip is 0.7 g,which is only 30% of the conventional solar cell with the thickness of 175 μm.The conversion efficiency of this kind of solar cell is 30.64%,closing to that of the normal thickness chips.The results show the feasibility of this thinning process.For both samples with different chips thickness,under different temperature,the darkI-Vcurves were measured and the temperature coefficients were fitted.It can be concluded that the temperature coefficient is linearly correlated to the PN junction rather than the substrate type.

space solar cell; flexible solar cell; temperature coefficient

1000-7032(2017)09-1217-05

2017-02-17；

2017-04-30

天津市科技小巨人领军企业培育重大项目(14ZXLJGX00400)； 天津市科技支撑计划(16YFZCGX00030)资助项目

TM914.4

A

10.3788/fgxb20173809.1217

*CorrespondingAuthor,E-mail:tj-limingyang@sanan-e.com

Supported by Tianjin Little Giant Fund(14ZXLJGX00400); Tianjin Science and Technology Support Plan(16YFZCGX00030)