砷化鎵基系III-V族化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)電池的發(fā)展和應(yīng)用(6)

中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 ■ 向賢碧 廖顯伯

1997年Olson 等提出采用Ga1-xInxN1-yAsy四元系材料來(lái)研制第三結(jié)子電池，因?yàn)檫@是化合物半導(dǎo)體材料中，唯一一種可通過(guò)調(diào)節(jié)x、y值(Ga0.93In0.07N0.023As0.977)，既能得到約1eV的帶隙，又與GaAs晶格匹配的材料[24]。但是，帶隙為1eV的窄帶隙Ga1-xInxN1-yAsy材料的質(zhì)量差，與N相關(guān)的本征缺陷多，少子擴(kuò)散長(zhǎng)度小，載流子遷移率低。雖然經(jīng)過(guò)多年的努力，研制出的1eV的GaInNAs太陽(yáng)電池的量子效率和短路電流Isc仍不夠大。

如果放寬晶格匹配的嚴(yán)格限制，組成帶隙更好匹配的GaInP/GaAs/GaInAs/GaInAs(1.9/1.4/ 1.0/0.7eV)四結(jié)疊層電池，不知能否取得成功？2011年美國(guó)Emcore公司在這方面取得了重要進(jìn)展。他們應(yīng)用反向應(yīng)變(Inverted Metamophic，IMM)生長(zhǎng)加襯底剝離技術(shù)，成功解決了晶格失配外延問(wèn)題，所研制的空間用GaInP/GaAs/ GaInAs/GaInAs(1.9/1.4/1.0/0.7eV)四結(jié)疊層電池，其AM 0效率達(dá)到34.24%(2×2cm2)[24]，電池的結(jié)構(gòu)如圖6所示。他們認(rèn)為，IMM外延工藝的關(guān)鍵是控制好兩個(gè)組分梯度層的質(zhì)量。陰極熒光測(cè)量結(jié)果顯示，優(yōu)化的組分梯度層表面的位錯(cuò)線密度小于5×106/cm2。

3.3 聚光III-V族多結(jié)疊層太陽(yáng)電池

聚光光伏系統(tǒng)是在1970年代與地面應(yīng)用光伏系統(tǒng)差不多同時(shí)發(fā)展起來(lái)的。當(dāng)時(shí)太陽(yáng)電池的價(jià)格非常昂貴，聚光太陽(yáng)電池被認(rèn)為是降低太陽(yáng)電池系統(tǒng)成本的重要途徑。之后隨著光伏工藝技術(shù)的進(jìn)步、電池效率的提高和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，太陽(yáng)電池的成本已大幅降低，聚光電池降低成本的優(yōu)勢(shì)不再突出。而且聚光系統(tǒng)只能對(duì)直射陽(yáng)光進(jìn)行有效聚光，需對(duì)太陽(yáng)的移動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，這又增加了聚光光伏系統(tǒng)的制造和運(yùn)行成本。

III-V族化合物疊層太陽(yáng)電池比Si太陽(yáng)電池效率高、耐高溫，因而更適用于聚光太陽(yáng)電池。隨著聚光度的增加，系統(tǒng)的成本降低，III-V族疊層聚光太陽(yáng)電池成本預(yù)計(jì)將會(huì)降至0.3美元/W[25]。這使應(yīng)用III-V族太陽(yáng)電池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地面發(fā)電成為可能。

圖6 空間用GaInP/GaAs/GaInAs/GaInAs四結(jié)疊層電池結(jié)構(gòu)

早期，俄羅斯約飛技術(shù)物理所和德國(guó)弗郎和費(fèi)太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所在III-V族聚光太陽(yáng)電池的研究和應(yīng)用方面做了許多工作。而后，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)和 Spectrolab 公司等開(kāi)展了聚光III-V族疊層太陽(yáng)電池的研究，日本Sharp公司等也開(kāi)展了III-V族聚光太陽(yáng)電池系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。他們不僅提高了III-V族聚光太陽(yáng)電池的效率，還研制出了多種聚光系統(tǒng)，如拋物面反射鏡式聚光太陽(yáng)電池系統(tǒng)(圖 7)和菲涅爾透鏡式聚光太陽(yáng)電池系統(tǒng)(圖8)等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)天津三安公司也取得了可喜的進(jìn)展。

圖7 拋物面反射鏡式聚光太陽(yáng)電池系統(tǒng)照片和原理示意圖

圖8 菲涅爾透鏡式聚光太陽(yáng)電池系統(tǒng)照片和原理示意圖

3.3.1 晶格匹配GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)疊層聚光電池

2007年，美國(guó)Spectrolab公司報(bào)道，他們研制的晶格匹配(LM) 三結(jié)疊層Ga0.5In0.5P/ Ga0.98In0.02As/Ge(1.86/1.39/0.67eV)聚光電池效率達(dá)到40.1%(135倍AM 1.5D太陽(yáng)光強(qiáng)，13.5W/cm2，25℃ )[26]。2009年9月，Spectrolab公司又報(bào)道，他們研制的晶格匹配GaInP/GaInAs/Ge 三結(jié)疊層聚光電池(0.3174cm2)，由于減小了柵極擋光面積，在364倍AM 1.5D光強(qiáng)下效率為41.6%[27]。

3.3.2 晶格應(yīng)變GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)疊層聚光電池

在保持Ge底電池不變的條件下，改善GaInP/GaInAs/Ge 三結(jié)疊層電池能帶匹配的一條途徑是，適當(dāng)增加上、中電池的電流密度。這就要適當(dāng)增加上、中子電池材料GaInP/GaInAs中In的含量，降低其帶隙寬度。2009年，德國(guó)Fraunhofer太陽(yáng)能研究所在Ge襯底上制備了晶格應(yīng)變(MM)Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As/Ge(1.67/1.18/ 0.67eV)三結(jié)疊層電池，在454倍AM 1.5D光強(qiáng)下效率達(dá)到41.1%[28]，電池結(jié)構(gòu)如圖9所示。在Ga0.35In0.65P上電池與Ga0.83In0.17As中電池之間晶格匹配，而Ge和Ga0.83In0.17As之間晶格失配度達(dá)1.2%，需生長(zhǎng)一緩變層使晶格常數(shù)從Ge的5.658?緩變到Ga0.83In0.17As的5.723?，并在緩變層上生長(zhǎng)一高In組分Ga0.77In0.23As薄層，使其上生長(zhǎng)的外延層晶格得到充分弛豫，以免殘留的結(jié)構(gòu)應(yīng)力在電池有源層中形成位錯(cuò)。

圖9 Fraunhofer太陽(yáng)能研究所研制的晶格失配三結(jié)疊層電池結(jié)構(gòu)示意圖

[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.

[25] Luque A，Hegedus S. Photovoltaic concentrators，chapter 10in handbook of photovoltaics engineering[M]. Chichester: John Wiley and Sons，2011.

[26] Kurtz S R，Myers D, Olson J M. Projected performance of three- and four-junction devices using GaAs and GalnP[A]. Proceedings of 26th PVSC[C]，Anaheim，CA，1997.

[27] King R R，Boca A，Hong W，et al. Band-gap-engineered architectures for high-efベ ciency multijunction concentrator solar cells[A]. 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition[C]，Hamburg，Germany，2009，55－61.

[28] Guter W，Sch?ne J，Philipps S P，et al. Current-matched triple-junction solar cell reaching 41.1% conversion efficiency under concentrated sunlight[J]. Applied Physics Letters，2009，94(22): 223504. (待續(xù))