2017年我国光伏技术发展报告(4)

3.5 砷化镓薄膜太阳电池的研究进展

3.5.1 砷化镓薄膜太阳电池的发展概况

砷化镓是继硅之后应用较为广泛的半导体材料之一，自上世纪70年代就开始了其在光伏应用领域的开发。以GaAs为代表的III-V族化合物太阳电池具有效率高、抗辐照性能好、耐高温和可靠性好的特点，正符合空间环境对太阳电池的要求。目前，GaAs基系太阳电池在空间科学技术领域正逐渐取代晶体硅太阳电池，成为空间能源的主力。计算表明，多结叠层电池的极限效率在一个太阳光强下可达65.4%，在大聚光(约46200倍)下可达85.0%[71]。近几年来，高效多结叠层聚光III-V族化合物太阳电池有了长足的发展，高效率已达到46.5%[72]。

本世纪初，一些公司开始进行砷化镓薄膜电池的产业化进程，包括美国的Alta Devices和Microlink Devices等。在研发方面，最早登上NREL(National Renewable Energy Laboratory)效率图表的是2005年由荷兰Radboud大学创造的单结薄膜GaAs电池效率25%的纪录；到2008年，其将该电池效率提升至25.9%。2011年，由Alta Devices研发的单结薄膜砷化镓电池效率获得突破，达到27.6%；在此之后，这一效率不断被该公司刷新。而在三结薄膜电池方面，目前取得最高效率的是夏普研发的倒装型IMM(Inverted Metamorphic Multijunction)电池，效率达37.9%。

表8为目前非聚光薄膜GaAs电池行业技术效率水平，生产效率与研发效率之间存在一定差距，提升量产效率将是未来重要的发展方向。

表8 目前非聚光薄膜GaAs电池行业技术效率水平

3.5.1.1 反向应变生长加衬底剥离技术

高效叠层电池需要最佳带隙匹配，以满足各子电池电流相等的条件；同时，需要最佳晶格匹配，以获得晶格完美的外延层。但这样的机会是很小的，往往需要容忍一定程度的晶格失配，并抑制应变位错缺陷的产生。为此，发展了反向应变(Inverted Metamophic，IMM)生长加衬底剥离技术。

2011年，美国Emcore公司应用这一技术，在GaAs衬底上依次生长了GaInP/GaAs/GaInAs/GaInAs(1.9 eV/1.4 eV/1.0 eV/0.7 eV)四结叠层电池。前两结是晶格匹配的，晶格失配应变生长只影响后两结。在GaInAs底电池上键合支撑衬底片后，剥离GaAs衬底，完成上栅电极制作。这种电池的AM0效率达到34.24%(2×2 cm2)[73]。

2012年，该公司进一步开展了六结叠层电池的研究[74]，其中前三结为宽带隙子电池AlGaInP(2.1 eV)/AlGaAs(1.7 eV)/GaAs(1.4 eV)，与GaAs衬底是晶格匹配的；而后三结为窄带隙子电池InGaAs(1.1 eV)/InGaAs(0.9 eV)/InGaAs(0.7 eV)，为晶格失配应变结构，子电池间有应变梯度层(组分缓变层)过渡。预计这样生长的六结叠层电池AM0的效率为37.8%，但实测值为33.7% (4 cm2)，其中，Voc和FF与预计参数相近，只是Jsc各子电池分布不均，最小限制值10.07 mA/cm2明显低于预计值(11.3 mA/cm2)。

2012年，日本夏普公司通过改进IMM外延工艺和器件栅极设计，研制的GaInP/GaAs/GaInAs三结叠层聚光电池在306倍AM1.5D光强下，转换效率达到43.5%(0.167 cm2)。

3.5.1.2 半导体键合技术

将晶格常数不同的III-V族材料直接键合，如 GaAs(5.653 Å)与 InP(5.868 Å)，可以使界面应力得到释放，从而分别获得晶格匹配的外延生长。2014年，德国Fraunhofer太阳能系统研究所等应用这种半导体键合技术(SBT)，研制了四结叠层GaInP/GaAs//GaInPAs/GaInAs聚光电池，在324×AM1.5D光强下，电池效率达到46.5%(5.42 mm2)[72]。这是迄今为止所有各类太阳电池效率的最高纪录。四结电池分两步制备，首先在GaAs衬底上依次生长与之晶格匹配的Ga0.51In0.49P/GaAs宽带隙(1.88/1.42 eV)两结叠层电池。在InP衬底上依次生长与之晶格匹配的Ga0.47In0.53As/Ga0.15In0.85P0.65As0.35窄带隙(0.73/1.10 eV)两结叠层电池，然后将GaAs电池表面与GaInPAs电池表面进行键合，剥离GaAs衬底，形成如图15所示的四结叠层电池结构，其中键合面用“//”表示。电池表面形成欧姆接触，正表面有栅电极和MgF2/Ta2O5减反射层。

图15 半导体键合技术制备的GaInP/GaAs//GaInPAs/GaInAs四结叠层电池结构

2014年，美国光谱实验室(SPL)采用SBT研制了五结叠层电池。其中，在GaAs衬底上生长三结宽带隙(2.2/1.7/1.4 eV)电池，在InP衬底上生长两结窄带隙(1.05/0.73 eV)电池，然后进行直接键合和剥离GaAs衬底，完成五结叠层电池的制作。在AM1.5G和AM0光谱一个太阳光强下，其电池效率分别为38.8%(1 cm2)和35.8%(4 cm2)[75]。在2015年第42届IEEE PVSC会上，SPL报道这种电池的AM0效率为36.0%。

3.5.1.3 GaAs薄膜太阳电池

根据前文介绍，在GaAs衬底上，用反向应变(IMM)外延生长和衬底剥离技术制备的三结或四结叠层电池可以是超薄型的。因为这种电池的有源层厚度只有几微米，只要适当选择支撑衬底片，所构成的电池不仅重量轻，而且可以是柔性的。GaAs衬底也可在外延工艺中多次反复使用，这就大幅降低了器件的成本。这种超薄型高效叠层电池在空间科学和技术，以及其他一些特殊地面场合必将有广阔的应用前景。

2011年，美国Alta Devices公司报道，他们采用反向外延生长和衬底剥离技术研制的GaAs单结薄膜电池AM1.5G效率达到27.6%[76]，继而又提高到28.8%[77]，这是迄今为止所有单结电池效率的最高纪录。GaAs单结薄膜电池的制造工艺与上面介绍的IMM超薄型高效叠层电池相似，只是单结电池的外延工艺更为简单。

美国休斯敦大学研究了在柔性衬底上直接沉积的技术。该技术在廉价衬底上开发出高织构外延锗薄膜，进行卷对卷连续加工。其主要特点是，采用IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)技术在柔性晶格失配衬底上生长近单晶薄膜，随后是一系列具有分级结构的外延薄膜，直至与锗薄膜具有很好晶格匹配的保护层，最后在锗层上外延生长GaAs或其他的III-V化合物。研究显示，锗和下面氧化物层的结构匹配是外延生长的关键[78]。该技术在2014年获得美国能源部SunShot项目150万美元拨款赞助支持，用于在金属箔上生长高效GaAs薄膜。

国内方面，据苏州矩阵光电公司报道，其采用反向生长加衬底剥离技术成功研发了柔性薄膜GaAs单结电池，效率达到28%；柔性薄膜两结和三结叠层电池效率分别达到31%和35%，而且GaAs衬底可多次重复使用。

3.5.1.4 稀N材料

稀N含量的GaInNAs材料具有独特的优点，在保持其晶格常数与GaAs匹配的条件下，其带隙宽度可以通过加入少量N和In在0.8～1.4 eV范围调节，从而可用于构建晶格匹配的多结(3～6结)叠层太阳电池。

但是经过多年研究，1 eV带隙的GaInNAs材料质量仍较差，制备出的GaInNAs太阳电池的Jsc小，不能满足叠层电池对子电池的要求。直到2011年，Solar Junction公司用分子束外延技术研制出高质量的稀N含量的GaInNAs(Sb)材料，成功制备了GaInP/GaAs/GaInNAs(Sb)三结叠层电池。在400～600倍AM1.5D太阳光强下电池效率达到43.5%[79]。

3.5.2 砷化镓薄膜太阳电池研究的国际进展

由于这一领域的设备及技术的独特性，进行研发的研究机构及企业较少。2016年主要效率进展体现在韩国LG的GaAs电池方面，其发表的文章[80]指出，LG制备出效率达28.7%的薄膜电池，接近28.8%的世界纪录效率。

3.5.2.1 轻薄柔性技术

夏普利用三结InGaP/GaAs/InGaAs电池，采用透明树脂薄膜进行封装，开发出柔性空间光伏组件[81]，主要用于短期使命的空间飞行器。通过对这种光伏组件进行一系列的可靠性测试，证明了其在空间环境中具有较高的可靠性，且在电学特性和外观上均无变化。2016年12月，夏普将采用此技术的柔性空间电池(面积27 cm2、效率32%、重量0.33 g、厚度0.3 mm)应用在JAXA为宇宙空间站输送物资的无人飞船“Kounotori No.6”上，进行实际空间验证测试，除了要检测该新型电池能否经受火箭发射时的强烈震动外，还要验证其在实际太空中的发电性能。

韩国光州科学技术院的科学家使用一种叫做“冷焊”的生产技术制成一种厚度约为1.4 µm的超薄、柔性光伏组件[82]。此种太阳电池的具体制造过程是将GaAs微电池印到一块备有电极的柔性基片上，当在相对高的温度(170 ℃)下施加巨大压力时，基片顶层上的光致抗蚀剂(光刻胶)融化，变成临时粘合剂，将电池贴附到电极基片上，然后剥离光致抗蚀剂。研究人员进行张力分析发现，此款太阳电池承受的张力是3.5 µm厚的类似电池的1/4。在测试中还发现，这种太阳电池板裹在1.4 µm厚的物体上时依然可以正常工作，将来可以镶嵌到玻璃外框或布料上，成为下一波可穿戴式电子设备的电力来源。

3.5.2.2 增强光子再循环技术

2011年，美国Alta Devices公司报道，其应用反向外延生长和衬底剥离技术研制的GaAs单结薄膜电池AM1.5G效率达到27.6%，这是当时所有各类单结电池效率的最高纪录。

这种GaAs单结薄膜电池效率的改善，主要是由于降低了器件的暗电流，提高了电池的开路电压。实现这一点是因为减少了光子损失和载流子的非辐射复合，从而增强了光子再循环利用。这也将导致器件中载流子密度的增加和准费米能级更大的分裂，从而增加电池的Voc。

实现有效光子再循环利用的必要条件是：1)外延生长层具有高质量，以保证光生载流子的非辐射复合相关的寿命远大于辐射复合寿命；2)背接触具有高反射率。此外，剥离GaAs衬底后，高反射的背电极金属将接近电池基区，这不仅有利于光生载流子的收集，也有助于光子的反射。可以预期，通过优化窗口层和减反射层，可进一步改善电池的短波响应(＜500 nm)；通过优化GaAs吸收层的厚度和背接触，可进一步改善电池的长波响应(＞800 nm)；通过降低电池的串联电阻，可进一步提高电池的填充因子，有望使电池效率得到更大提高。

Alta Devices在2014年加入汉能后，重启研发项目。2016年1月经NREL认证，其双结电池刷新世界纪录，达31.55%，相应的参数为Voc=2.5381 V、Jsc=14.164 mA/cm2、FF=87.7%；在2016年底，单结GaAs薄膜组件经NREL认证的效率为24.8%，刷新之前24.1%的纪录。

3.5.3 砷化镓薄膜太阳电池研究的国内进展

3.5.3.1 小面积GaAs太阳电池研究

2005年，上海空间电源研究所和电子部天津18所等研制了晶格匹配GaInP/GaAs/Ge三结叠层电池，其批产效率达到28%(AM0，2×4 cm2)[83]，并广泛应用于我国空间能源系统。2016年，他们采用反向应变外延生长加衬底剥离技术，研制了GaInP/GaAs/GaInAs/GaInAs四结叠层电池，将AM0效率提高到34.3%。

2014年，苏州矩阵光电公司采用反向生长加衬底剥离技术，成功研制了柔性薄膜GaAs单结电池，其AM1.5效率达到28%；柔性薄膜两结和三结叠层电池AM1.5效率分别达到31%和35%；而且GaAs衬底可多次重复使用[84]。

2014年，天津三安光电公司表示，他们成功研发了三结叠层GaInP/GaInAs/Ge高倍聚光电池，并进行了规模生产，聚光电池效率达到40%～41%。其在青海神光格尔木建立了50 MW高倍聚光光伏电站，在青海日芯建立了60 MW高倍聚光光伏电站[85]。

同年，厦门乾照光电公司表示，他们利用反向应变生长加衬底剥离技术，制备了GaInP/GaAs/GaInAs三结叠层电池，其AM1.5效率为34.5%，在AM1.5D×517太阳光强下，聚光电池效率达到43.0%[86]。

天津恒电空间电源有限公司于2015年在北京举行的CPVC15光伏学术年会上提交了关于空间用三结砷化镓太阳电池的报告[87]，展示了关于电池结构改进的研究进展，包括引入布拉格反射器、上电极栅线结构采用梳状密栅、减反射膜采用TiOx/AlOx结构。报告指出，通过以上手段可以制备出实验室最高效率为30.6%、批产平均效率为29.61%、大转换效率为30.15%、带电粒子辐照衰减小于18%的空间用三结砷化镓太阳电池。在2016年的欧洲PVSEC会议上，天津恒电空间电源有限公司提交了关于倒置晶格失配四结(IMM-4J)砷化镓电池减反射膜设计的报告[88]，文中设计了两种减反射膜，指出由TiOx、Y2O3和Na3AlF6组成的减反射膜更适合于一般的IMM-4J砷化镓电池结构。

3.5.3.2 GaAs太阳电池及组件产业化开发

GaAs太阳电池具有较高的光电效率，目前无论在国际或国内，主要应用于空间上，包括军事、民用卫星和航天器等方面。由于产品特性及成本限制，仅针对特定应用市场，因此，生产还未形成规模。若要进入该领域，会存在技术、成本、客户资源等方面的制约。若想使GaAs薄膜电池的成本在民用应用中具有竞争力，还需进一步突破薄膜电池在规模化生产中的设备及工艺控制等问题。汉能Alta Devices掌握着GaAs电池生产的核心技术，更致力于开发适合砷化镓薄膜太阳电池的大产能设备。通过自主研发设计的新型的MOCVD，具有快速温控和高速外延生长能力，拥有全球最高的转换效率，是目前批量生产的主力机台。正在开发中的下一代MOCVD设备，将使砷化镓外延生长的产能提升至少4倍，这使得汉能GaAs薄膜发电可以涉足民用领域应用的产业化进程。

汉能薄膜发电计划在黄陂临空产业园投资建设10 MW GaAs薄膜太阳电池研发制造基地，其中，一期建设规模为3 MW。该项目将成为全世界产量最大的GaAs太阳电池生产基地。汉能将柔性薄膜太阳电池的研发能力与产业化能力相结合，未来将实现GaAs薄膜光伏组件生产成本的降低与产量的提升，为太阳能全动力汽车、太阳能无人机奠定坚实的产业化基础。

3.5.4 砷化镓薄膜太阳电池发展趋势展望

自上世纪90年代以来，以GaAs为代表的III-V族化合物半导体太阳电池就成为太阳电池领域中较为活跃且富有成果的电池种类。由于MOCVD技术的应用、对GaInP宽带隙和GaInAs窄带隙材料体系的深入研究，以及晶格失配外延和反向生长等技术的发展，使得III-V族化合物太阳电池的效率有了很大的提高。

1)多结聚光电池正通过多条途径向50%效率目标迈进。这些技术主要包括：在Ge衬底上正向生长晶格匹配的五结叠层电池、反向应变生长加衬底剥离技术制备的六结叠层电池、采用半导体键合技术(SBT)制备的五结叠层高倍聚光电池等。

2)单节、多结非聚光电池效率继续提升。目前，单结电池量产效率大于26%，计划通过采用低电阻接触层、高能隙钝化外延层、高透明钝化镀膜以及细栅电极等，在2017年底将单结电池量产效率提升到27%以上。预计量产双结组件的效率超过28%，三结电池的小面积效率大于35%。

3)超轻、超柔、抗辐射的GaAs薄膜电池。GaAs薄膜电池技术兼具效率高、发电性能优异等特点，且产品轻质、柔性，可完美应用于移动电源系统，是无人驾驶系统、消费电子设备、汽车、可穿戴装备，以及其他对尺寸、重量和移动性有较高要求的应用领域的理想光伏产品。这些产品的应用决定了其必须具有超轻和超柔的封装结构。同时高空无人机方面，要求GaAs组件需具有较强的抗辐射性能。因此超轻、超柔、抗辐射的特殊技术，如调整膜层结构、掺杂浓度、增加抗辐照封装玻片等将是重点研究的方向。

4)产能提升。为了提升良率、降低生产成本，需要发展一系列技术手段，例如：改进MOCVD腔室的洁净度，优化绝缘钝化技术，改进及优化前后电极镀膜、电池互联技术，减少后段工艺步骤等。

5)扩展品种，使用于不同领域。由于GaAs薄膜电池具有转换效率高、温度系数低、超轻、超薄、高温环境表现优异等特性，应开发不同品种并使之产业化，广泛应用于太阳能汽车、消费电子、军用、航空航天等领域。

4 新型太阳电池研究进展

4.1 新型太阳电池发展概况

随着煤炭、石油等不可再生能源的不断消耗，能源利用如何从化石能源过渡到可再生能源一直是人类面临的挑战。作为一种可再生能源技术，太阳电池将来自太阳的光能直接转化为电能，在过去20年得到了迅速发展，并在全球范围内得到广泛应用。目前的太阳电池市场，晶体硅太阳电池占据主导地位。但考虑到成本及环境问题，新型太阳电池技术的研究也在不断进行。

1)钙钛矿太阳电池的研究最早可以追溯到2009年，经过短短的几年时间，电池效率就已从最初的3.8%飞速发展到目前的超过22%。因此，钙钛矿太阳电池被认为是一种引领低成本、低嵌入式的光伏技术。目前，钙钛矿太阳电池的研究方向主要集中在提高效率、大面积制备、稳定性等方面，但其距离商业化应用仍有一段距离。

2)染料敏化太阳电池具有低价、高效率、弱光下转换效率高、颜色可以根据染料的不同进行调控等优势，是新型太阳电池家族的重要成员。目前其经过第三方认证的转换效率为11.9%，文献报道的最高效率达到14%。目前，染料敏化太阳电池的研究方向主要集中在进一步通过材料设计提高染料吸收效率、设计新型固态电解质提高器件稳定性、采用新型电极材料提高催化活性、避免铂系贵金属的使用、大面积电池产业化技术研发等方面，有望在光伏建筑一体化等方面得到应用。

3)聚合物太阳电池具有结构和制备过程简单、成本低、重量轻、可制备成柔性器件等突出优点，成为近年来国内外的研究热点。由于新材料的不断出现，近几年聚合物太阳电池的效率出现了新的增长，比如PTB7、PTB7-Th等一系列窄带隙给体材料、PffBT4T-C9C13等具有结晶性质的给体材料，以及现在研究火热的非富勒烯受体材料N2200、ITIC等。但是目前聚合物太阳电池的效率相对来说仍然较低，进一步提高电池效率及其稳定性是下一步需要解决的问题。

4)目前，胶体量子点太阳电池的效率有较大提高，但是相对其他太阳电池，其效率还有一定差距。相对于其他太阳电池如钙钛矿太阳电池来说，胶体量子点太阳电池开路电压较小，电池的电压值一般比禁带宽度的值差0.5 eV以上，这是目前制约胶体量子点太阳电池效率的一个重要因素，主要原因在于量子点中缺陷浓度较高，缺陷能级位置较深。另外一个制约胶体量子点太阳电池效率的重要因素是载流子传输速率较低，造成电池的电流和填充因子较低。 (待续)