2019年中国光伏技术发展报告(4)

中国可再生能源学会光伏专业委员会

(中国可再生能源学会，北京 100190)

1.5.4 CdTe薄膜太阳电池发展趋势的展望

CdTe薄膜太阳电池的小面积器件转换效率达到了22.1%，但与其理论转换效率28%相比，还有较大差距，因此未来还有较大的提升空间。若能显著提高CdTe薄膜的少子寿命，同时降低各个界面的复合速率，解决好低电阻的欧姆接触等问题，在不久的未来，CdTe薄膜太阳电池应该能实现转换效率超过25%的目标。

产业化方面，随着国内龙焱、中建材、中山瑞科等公司的投资、研发和生产，必然会推动大面积CdTe薄膜光伏组件效率的进一步提升和成本的快速降低。另外，随着光伏市场的蓬勃发展，因CdTe薄膜光伏组件具有外观精美、尺寸易于定制等特点，其与建筑相结合应用也可能是未来一个重要的发展方向。

1.6 砷化镓(GaAs)薄膜太阳电池的研究进展

1.6.1 GaAs薄膜太阳电池的发展概况

2018 年，单结GaAs薄膜太阳电池的效率经历了较快突破。2018年7月，美国Alta Devices公司更新了其柔性单结GaAs薄膜太阳电池的效率，达到28.9%，并经过了美国可再生能源实验室NREL认证；时隔4个月，该公司又将电池效率提高至29.1%，并经过了德国Frauhfer-ISE认证；除此之外，日本Sharp公司，美国的SolAero、MicroLink Devices公司等都在III-V族薄膜太阳电池领域取得了研究进展。在三结薄膜太阳电池方面，目前效率最高的还是日本Sharp公司研发的倒装型(Inverted Metamorphic Multijunction，IMM)电池，效率可达到37.9%。

柔性GaAs薄膜太阳电池在2018年被成功应用于多种无人飞行器、空间卫星及太阳能汽车等新领域。2018年8月6日，由 Twiggs发起的CubeSat 任务中，使用的商用化小型Asgardia-1卫星便采用由Alta Devices公司提供的柔性GaAs薄膜太阳电池作为动力能源。欧洲宇航联盟Airbus宣布，其开发的Zephyr 无人机仅依靠机翼贴附柔性GaAs薄膜太阳电池和储能电池作为动力源，成功在21.3 km的高空续航接近26天，创造了最长高空停留时间的世界纪录。11月，波音公司旗下的极光飞行服务公司宣布，将在2019年春天开始太阳能供电无限飞行时间的奥德修斯(Odysseus)无人机的飞行，该无人机采用国际上最先进的GaAs薄膜太阳电池贴附在70 m宽的展翼上。10月11日，在美国密歇根州召开的“2018智能汽车表面”会议上，GaAs薄膜太阳电池技术成为亮点。电动智能汽车众多复杂的传感器供电全部依赖于蓄电池，而柔性GaAs薄膜太阳电池以曲面贴合性好的特点，能完全满足汽车空气动力学要求和美学外观要求，在汽车蓄能方面具有巨大的应用前景。

受益于III-V族材料三、四元化合物(GaInP、AlGaInP、GaInAs等)生长技术的逐步成熟，在GaAs、InP、Ge衬底上外延生长正式结构，反式结构的太阳电池实现晶格匹配、带隙匹配条件已变得相对容易。同时，晶圆键合技术、金属键合技术及电镀技术等相关技术设备的性能也得到了大幅提升。基于GaAs材料的多结叠层电池的设计可以非常灵活，但实现无损的外延层剥离、转移并达到柔性效果的技术仅被少数先进科研、生产机构所掌握。柔性GaAs薄膜太阳电池的技术仍有待成熟，如何在传统的航空航天领域大面积推广GaAs薄膜光伏组件并经受住环境检验，如何将GaAs薄膜太阳电池的成本进一步降低，以得到军民两用移动能源领域的青睐，是当前GaAs薄膜太阳电池所面临的挑战和机遇。

现阶段我国的GaAs薄膜太阳电池的应用领域仍以空间应用为主，并实现了卫星需求的自给自足。我国空间用三结GaAs太阳电池的光电转换效率已普遍超过30%，接近国际先进水平(美国Spectrolab XTJ Prime系列产品的平均转换效率为31%)。但GaAs薄膜太阳太阳电池的技术相对落后，自主研发的实验室高效电池效率还未超过35%，而且国内尚无可用于民用消费品市场领域的GaAs薄膜太阳电池产品。相比于CIGS、CdTe薄膜太阳电池技术，GaAs薄膜太阳电池的效率更高，稳定性更强，因此，通过多种途径降低GaAs薄膜太阳电池成本以提高其市场竞争力，是未来5年该领域需重点解决的关键问题。

1.6.2 GaAs薄膜太阳电池研究的国际进展

1.6.2.1 单结GaAs太阳电池

图24 LG开发的效率为27.8%的刚性衬底GaAs太阳电池Fig.24 Rigid substrate GaAs solar cell with an efficiency of 27.8% developed by LG

1)刚性GaAs太阳电池。①2018年韩国LG电子公司研发的单结GaAs衬底型太阳电池(刚性，不可弯曲)效率达到27.8%。电池芯片采用如图24所示的外延结构，窗口层采用与GaAs晶格匹配的带隙更宽的AlInP材料。在该公司的后续研发计划中，还提到将GaInP作为顶电池来制备多结III-V族电池，即采用p-AlxGa1-xInP/n-AlxGa1-xInP/n-GaInP插入带隙渐变缓冲层的异质结结构。经试验验证，其开路电压比单纯采用GaInP同质p-n结的电池高0.1 V，填充因子也提高了0.7%。②德国Fraunhofer ISE于2018年9月报道[105]了其在MehrSi项目所使用的Aixtron机器中，开发出了沉积面积超过700 cm2、生长速度高达140 μm/h的高速MOVPE生长工艺，所研制的刚性衬底GaAs太阳电池的效率最高达到23.6%，虽不及前述报道的采用外延技术制备器件的效率高，但却是降低GaAs外延成本、提高产量的先驱性研究。研究者提高生长速率的方法之一是降低出气孔与衬底之间的距离，二是降低载气流量，提高各前驱体气分压。研究者对生长温度、载气流量、V/III元素比和片源间距等参数对p型GaAs材料的少子扩散长度、生长速度及电池效率进行了综合表征，从理论上澄清了：随着生长速率的提高，少子扩散长度会下降；生长速率提高后，材料内部产生的大量As原子的反位缺陷可通过降低V/III元素比来得到抑制。

2)柔性GaAs薄膜太阳电池。2018年11月，经德国Fraunhofer ISE认证，美国Alta Devices公司的单结GaAs薄膜太阳电池转换效率达到29.1%。该公司采用反向外延生长和衬底剥离技术(Epitaxial Lift-Off，ELO)，制备出聚合物衬底支撑的柔性单结GaAs薄膜太阳电池[106]。

值得一提的是，柔性GaAs薄膜太阳电池研发效率的纪录比刚性GaAs薄膜太阳电池的高出1.3%，这得益于该类电池具有增强的内光提取结构，即增大了器件内光生载流子的非辐射复合寿命，复合机制由发射荧光的辐射复合主导，并在器件p型背场层外直接覆盖一层高反射率的金属层。

1.6.2.2 双结叠层太阳电池

2018 年，由NREL开发的1.7eV/1.1eV带隙组合的Ga0.68In0.32As0.34P0.66/Ga0.79In0.21As一体化双结叠层薄膜太阳电池，在AM1.5标准测试条件下，单个太阳效率达到32.6%，而38.1倍聚光条件下的效率了达到35.5%，创造了该类结构的世界纪录，器件的结构侧剖图如图25所示[107]。该器件采用倒装生长晶格失配体系，以n+-GaInP/p-GaInAsP异质结作为顶电池，采用n+-GaInAs/p-GaInAs同质结作为底电池，顶、底电池之间插入的p++-AlGaAs/n++-GaAs隧道结及AlxGa1-xInAs组分渐变缓冲层，通过硅片做基底支撑。在该电池中，研究人员研究了衬底表面吸附原子反应和重构动力学，在650 ℃的温度下，借助衬底切偏角和反应温度实现了对沉积原子排列的精确调控，攻克了GaInAsP四元合金材料相分离，以及AlxGa1-xInAs组分渐变缓冲层之间穿越位错残余等诸多关键技术，从而使2个子电池的材料带隙-电压差(Woc=Eg/q-Voc)达到0.39 V，说明这2个电池都具有很好的结特性。

图25 NREL开发的双结叠层太阳电池Fig.25 Dual-junction stacked solar cell developed by NREL

1.6.2.3 三结叠层太阳电池

1)集成一体化叠层两端电池。MicroLink公司于2018年报道，其在6寸晶圆线上开发出的IMM结构柔性GaAs薄膜太阳电池的效率达到了37.75%[108]，芯片功率质量比达到3000 W/kg@AM0，封装好的组件功率质量比达到1500 W/kg@AM0。图26为该公司研制的IMM三结薄膜太阳电池的外延结构示意图和1×2电池阵列封装图。

图26 IMM三结薄膜太阳电池的外延结构示意图和1×2电池阵列封装图Fig.26 Schematic diagram of the epitaxial structure of the IMM triple-junction thin film solar cell and the package of the 1×2 solar cell array

2) III-V//Si机械叠层四端太阳电池。在最新的三结电池技术进展中，NREL/CSEM/EPFL开发出III-V族集成一体化双结电池和硅SHJ电池的机械叠层三结电池，创造效率达到35.9%的四端三结太阳电池(简称GaInP/GaAs//Si)[109]，结构侧剖示意图如图27所示。GaInP/GaAs对总效率的贡献值为30%，Si底电池对总效率的贡献值为5.9%。研究人员尝试将三结子电池进行全串联做成两端结构后，电池效率衰减到30.9%，测试后发现是由于底电池的光生电流密度限制。四端和两端器件的前后性能差异对比说明，子电池独立工作模式在应对光谱变化和材料带隙不匹配问题时更具有突出优势。

图27 GaInP/GaAs//Si机械叠层四端太阳电池Fig.27 GaInP/GaAs//Si mechanical stack four-terminal solar cell

3)III-V//Si键合叠层两端电池。虽然NREL研制的四端叠层器件不适用两端结构，但Fraunhofer ISE却开发了基于键合技术的集成一体化式的两端三结Ga0.51In0.49P/GaAs//Si太阳电池，效率达到33.3%，电池面积为3.984 cm2，Voc=3.127 V，Jsc=12.7 mA/cm2，FF=83.5%[110]。从图28可以看出，该电池是将GaInP/GaAs双结电池独立分割后键合到大面积TOP-con结构的硅电池上。一般而言，进行2个异质衬底键合需要中间插入薄的金属层或过渡层，并在适当高温下完成，但这不适用于叠层太阳电池，因为这样会导致较多的光吸收损失。而直接进行晶片键合对晶片表面的颗粒物密度和表面粗糙度又有巨大限制，并且对于直接晶片键合的界面，需考虑到载流子输运依赖于两侧能带是否匹配，掺杂浓度是否合适，界面是否过多等问题。针对这些关键的技术矛盾问题，研究人员先是将FZ的晶格衬底表面粗糙度降至0.5 nm；然后利用快原子束激活直接键合技术，在120 ℃的低温下，将n-GaAs和n++-Si发射极在10 kN压力下进行表面激活后快速键合；最后利用ELO技术将GaAs衬底剥离下来，实现衬底重复利用[111]。

图28 GaInP/GaAs/Si键合叠层两端电池的实物图和侧剖结构示意图Fig.28 Physical picture of GaInP / GaAs / Si bonded laminated battery at both ends and schematic diagram of cross-section

4)III-V//Si光谱分裂四端电池。上述高效叠层电池无一例外是利用III-V族电池跟硅电池进行叠层，这是因为硅材料带隙为1.1 eV，做底电池更符合三结叠层电池的最优带隙匹配原则。但目前市面上更为普遍的三结叠层电池是在Ge衬底上外延获得的GaInP/Ga(In)As/Ge结构，带隙值为1.88eV/1.42eV/0.67eV。从电流的匹配度来看，这种电池结构远非最佳。这主要是因为GaAs与Ge禁带宽度差较大，被Ge 底电池吸收的太阳光产生的光电流是GaInP顶电池和GaAs中电池的2倍。由于串联叠层电池需要电流匹配，一半的光生电流被白白浪费，对太阳电池的效率基本上没有贡献[112]。要解决这一技术瓶颈，可以将GaAs 与Ge 吸收边之间的光谱进行进一步的分割，在二者之中再加入一个“第三结”，而将Ge 作为第四结材料，从而进一步提高电池效率[113]。但目前已知的具有约1 eV带隙的常规III-V族半导体材料与锗材料晶格都不匹配。

新南威尔士大学GREEN教授在前人工作的基础上，创造性地开发出新型光谱分裂四端叠层电池。其采用具有特定透射波长的反射型滤光片，将GaInP/GaInAs/Ge叠层电池的吸收光谱进行反射，将硅电池的吸收光谱进行透射，从而将第三结电池以光谱分裂的形式独立出来。新型光谱分裂型太阳电池系统示意图如图29所示。

图29 新型光谱分裂型太阳电池系统示意图Fig.29 Schematic diagram of new spectral split solar cell system

之后，GREEN教授表示，上述电池使用的滤光片透射波长范围是880～1030 nm，还是存在较多的长波被Ge底电池吸收的情况，从而Ge电池产生的光电流仍然比其他两个子结产生的光电流要高。为解决此问题，并同时解决系统结构复杂的缺点，GREEN又提出新一代光谱分裂太阳电池的概念，即采用内置滤光片实现特定波长的反射，如图30所示。其分别在InP衬底和GaAs衬底上制备晶格匹配的外延层，做2个独立工作的电池单元，每个电池单元都由三结子电池叠层而成，子电池之间存在布拉格反射镜，是MOCVD外延的晶格匹配且高电导的高低折射率材料周期层叠而成。GaAs基底的叠层子电池带隙组合正好与InP基底叠层子电池带隙组合互补。GaAs基底的叠层电池将1.4 eV以下的长波太阳光进行定向反射到InP基底叠层电池上，实现精确的电流匹配。采用此类组合结构的光谱分裂型太阳电池有诸多好处：①可以在不同的衬底上分别生长晶格匹配的多结材料，对太阳光谱进行精确分区利用；②每个电池单元的叠层子结数目都不超过3个，避免类似于Spectrolab公司研制的五结III-V族电池采用键合形成两端电极的技术[114]，极大地放松了对电流匹配的限制；③较低的带隙材料一般都具有较大的暗电流密度，而较高带隙材料的暗电流密度较小，将高、低带隙材料进行分组叠层，也避免低带隙材料对高带隙材料暗电流密度的影响。

图30 内置滤光片结构的光谱分裂太阳电池系统Fig.30 Spectral split solar cell system with built-in filter structure

1.6.3 GaAs薄膜太阳电池研究的国内进展

汉能在2014年并购Alta Devices后，对2项转换效率的世界纪录又数次刷新，分别是单结GaAs电池(29.1%)和单结GaAs组件(25.1%)。为降低GaAs电池的生产成本，促进GaAs电池在民用领域的应用进程，汉能自主开发了全球最大产能的MOCVD设备，其具有快速温控和高速外延等优点。

上海空间电源研究所在柔性高效III-V族多结太阳电池开发和应用领域也进行了研究[115]。他们采用MOCVD技术在4英寸GaAs衬底上制备了GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳电池，之后通过低温键合和外延层剥离方法将外延层转移到柔性衬底上。其在50 μm聚酰亚胺薄膜上制备的30 cm2的大面积柔性太阳电池实现了31.5%的转换效率(AM0光谱)，其Voc=3.01 V、Jsc=16.8 mA/cm2、FF=84.5%、电池面密度为168.5 g/m2、比功率达2530 W/kg。

2018 年天津恒电空间电源有限公司制备出50 μm厚的最大面积为12.25 cm2的电池，其光电转换效率为29.52%(AM0，25 ℃)；制备的80 μm厚的最大面积为30.18 cm2的电池，其光电转换效率为29.7%(AM0，25 ℃)。通过设计新型背电极解决了超薄片翘曲的问题，并经过了温度冲击、焊点拉力和稳态湿热等可靠性试验考核，均满足要求[116]。

三安光电股份有限公司大力开发GaInP/GaAs/Ge三结叠层电池，电池全部采用n-on-p结构，尺寸为2种，分别为40 mm×80 mm和40 mm×60 mm。目前量产芯片初始平均转换效率达到31%，经1×1015/cm2的电子辐照后，性能可保持在26.2%，已实现 2万片的空间电池外延片的生产和销售。此外，该公司还承担“高倍聚光多结太阳电池外延芯片”项目，其开发的标准1 cm2的GaInP/GaAs/Ge聚光电池在1000倍聚光条件下，电池转换效率为36%～40%。

天津蓝天太阳科技有限公司依托863课题“兆瓦级高倍聚光化合物太阳电池产业化关键技术”，在高倍聚光III-V族太阳电池衬底剥离技术、晶格失配外延技术、渐变缓冲层和1.0 eV子电池的设计生长优化、反向生长三结电池、键合剥离等技术方面也走在前列，目前刚性衬底III-V族电池的效率达到了35.9%(AM1.5，1个太阳)。

2018 年，华北电力大学可再生能源学院陈诺夫研究组对GaInP/GaAs/InGaAs倒装三结太阳电池进行了理论设计与优化[117]。采用Matlab语言对倒装结构电池体系底电池带隙和各子电池厚度进行了模拟优化。其指出，GaInP(1.90 eV)/GaAs(1.42 eV)/InGaAs(1.0 eV) 各结厚度的最佳厚度组合为1.35、2.83和3.19 µm且底电池带隙为1.0 eV时，光电转换效率最高达44.4%，仅比最高转换效率低0.3%。

台湾国立虎尾科技大学报道了一种利用等离激元技术实现表面减反射效果的方法[118]。研究人员利用醋酸锌溶液、氢氧化钠溶液和硝酸银溶液按照特定的比例混合，以旋涂的方式覆盖到GaInP/(Al)GaAs/Ge三结电池上，后经200 ℃热退火形成银纳米颗粒(AgNPs)和ZnO的混合减反膜，电池转换效率在AM0条件下达到34.17%，而仅采用SiNx减反膜的电池在同样条件下的转换效率仅为 30.2%。

在电池的理论进展方面，香港大学深圳研究院于2018年报道了一种创新地研究GaInP/GaAs异质结构的单结太阳电池中少子复合寿命[119]的技术方法。研究人员利用一种变温时间积分光致发光光谱设备，测算到p型GaInP材料中的电子具有220 μs的超长寿命。对于这种现象的产生，研究人员采用载流子局域态集体(localized-state ensemble，LSE)的时间分辨荧光谱进行解释，指出在局域态中的载流子辐射复合发射的荧光光子有38%的比例会以光子再吸收的形式被循环利用，这也是GaInP材料中的电子辐射复合寿命具有超长值的原因。

中科院物理研究所近期对基于柔性金属基底的InGaP/GaAs双结太阳电池进行了研究[120]。与国际上采用金属膜键合转移电池外延层技术不同，其采用在芯片上直接电镀技术，实现较厚的Cu支撑基底，以减少键合过程给芯片引入的应力，通过光致发光峰的位置进行验证，转移完成的柔性电池效率比最初在GaAs基底时提高了0.84%。但是当柔性电池遭受较强的应力弯曲时，效率下降明显。经过100次弯折实验后，电池效率仍维持在较高值，从而从实验上为柔性III-V族电池提供了一种新的技术途径。

1.6.4 GaAs薄膜太阳电池的发展趋势展望

当前以GaAs 为代表的III-V族化合物半导体太阳电池的研究方向，除继续发展各类晶格和能带匹配的外延层结构之外，还将在以下技术方面产生较多突破。

1)带隙≥1.8 eV的宽带隙GaInP、AlInP、AlGaInP等材料作为顶电池异质结发射极或是窗口层；带隙≤1 eV窄带隙GaInAs、GaInAsP等材料作为叠层电池的底电池结构的深入研究，以及相关的晶格失配外延和反向生长等技术的发展。

2) III-V族/Si叠层电池快速发展，虽然目前Si直接外延GaAs材料制备出的电池性能较差，但目前已发展出应变缓冲层、循环退火等先进技术，目前报道的电池效率已接近20%。未来该研究领域将不再局限于III-V族和Si材料的机械叠层或键合技术。

3)大产能快速外延技术的发展。一旦GaAs薄膜太阳电池的民用市场被打开，成本降低带来的市场需求会引发国际知名的MOCVD设备公司集中开发大产能和快速沉积的量产型设备，一些降低气源成本的改进设备(动态氢化物气相外延)也将得到普遍应用。

4)新型高效的技术手段也将在GaAs薄膜太阳电池上得到重点开发，包括量子点、量子阱材料在光吸收层的插入，上下转换的荧光材料拓展GaAs电池吸收光谱、等离激元光散射体对太阳光谱的增强吸收等。

5)单结、多结非聚光电池效率继续提升。目前单结电池的量产效率＞26%，通过采用低电阻接触层、高质量钝化层、细栅电极等技术，单结电池的量产效率可提升到27%以上。

6)柔性轻质GaAs薄膜太阳电池的耐候性、抗辐射性等的研究将集中报道。随着GaAs 薄膜超轻柔封装结构的不断完善，其在各使用环境下的性能将获得检验，尤其是在极端环境下；其抗辐射加固技术的开发也将获得重视。