InxGa1-xAs材料在多結(jié)空間太陽電池中的應(yīng)用進展

張煒楠，涂潔磊，2，胡 凱，李 雷，孫曉宇，姜德鵬，沈靜曼

（1.云南師范大學太陽能研究所，云南 昆明 650500；2.云南師范大學云南省農(nóng)村能源工程重點實驗室，云南 昆明 650500；3.上?？臻g電源研究所，上海 200245）

0 引言

GaInP（1.90 eV）/GaAs（1.42 eV）/Ge（0.67 eV）三結(jié)太陽電池具有轉(zhuǎn)換效率高（約為Si太陽電池的2倍）、抗輻照性能優(yōu)良、溫度特性好以及晶格匹配易于規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)勢，已全面取代Si太陽電池成為空間飛行器的主要電源［1-2］。經(jīng)過10多年的發(fā)展，其轉(zhuǎn)換效率已達到32%（AM0，1 sun）和42%（AM1.5，508 suns）［3-4］，接近三結(jié)太陽電池的理論轉(zhuǎn)換效率極限。但由于GaAs（1.42 eV）與Ge（0.67 eV）的帶隙差較大，一部分能量以熱的方式在Ge子電池中散失［5］，因此，需要找到一種帶隙為1.0 eV的材料來彌合這個帶隙差。為了進一步提高多結(jié)空間太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，需要通過調(diào)節(jié)其帶隙組合以實現(xiàn)子電池對整個太陽光譜的合理利用［6］。大量理論研究表明，帶隙組合為1.9/1.42/1.0/0.7 eV的四結(jié)太陽電池能夠獲得更好的電流匹配，在AM0條件下理論轉(zhuǎn)換效率可達38%～42%［7］。因此，找到帶隙寬度為1.0 eV和0.7 eV的子電池材料便成為近年來多結(jié)空間太陽電池的研究熱點之一。

GaAs是目前人們研究最透徹、應(yīng)用最廣泛的Ⅲ-V族半導體之一，其作為直接帶隙半導體，具有1.42 eV的帶隙寬度。GaAs材料與太陽光譜匹配度好，是一種理想的太陽電池材料［8］。InxGa1-xAs材料作為三元合金Ⅲ-V族半導體材料，因其具有帶隙可調(diào)、響應(yīng)波段廣、吸收系數(shù)大等物理特性，近年來成為多結(jié)空間太陽電池材料的研究方向之一。

目前InGaAs材料的報道主要集中在激光探測器領(lǐng)域，而在多結(jié)太陽電池領(lǐng)域中報道較少，相關(guān)綜述文獻更少。本文根據(jù)目前已經(jīng)發(fā)表的文獻報道，系統(tǒng)討論了InxGa1-xAs材料的外延生長以及在多結(jié)空間太陽電池領(lǐng)域中的應(yīng)用，并對InGaAs材料未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 InGaAs材料的理論基礎(chǔ)

1.1 InGaAs材料的基本性質(zhì)及其參數(shù)

材料的選取對于制備高效多結(jié)空間太陽電池非常重要［9］，尤其是在目前傳統(tǒng)三結(jié)空間太陽電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)接近其理論極限的情況下，開發(fā)并使用一種新型材料對制備多結(jié)空間太陽電池就變得尤為關(guān)鍵［10］。InGaAs被認為是未來制備多結(jié)空間太陽電池的重要材料之一，下面簡單介紹InGaAs材料的基本性質(zhì)及其參數(shù)。

InxGa1-xAs材料屬于直接帶隙Ⅲ-V族半導體材料，其具有閃鋅礦立方晶體結(jié)構(gòu)。閃鋅礦立方晶體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由兩個面心立方晶格沿體對角線方向平移1/4長度套構(gòu)而成。InGaAs材料的能帶結(jié)構(gòu)如圖1所示，右上插圖為X、L、Γ 隨In的組分x的變化關(guān)系［11］。InxGa1-xAs材料的一些相關(guān)物理性質(zhì)及電學參數(shù)見表1和表2［12］。

圖1 閃鋅礦立方晶體材料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of sphalerite cubic crystal material

圖2 InxGa1-xAs材料的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，以及X、L、Γ 隨In的組分的變化關(guān)系［11］Fig.2 Schematic diagram of the band structure of InxGa1-xAs materials and the relationship of X，L，and Γ with the composition of In［11］

表1 InxGa1-xAs材料性質(zhì)以及常用參數(shù)［12］（25 ℃）Tab.1 Properties and common parameters of InxGa1-xAs materials［12］（25 oC）

表2 InxGa1-xAs材料相關(guān)電學參數(shù)［12］（25 ℃）Tab.2 Electrical parameters of InxGa1-xAs materials［12］（25 oC）

由于InGaAs材料中In和Ga都是ⅢA族元素，所以In和Ga可以由任意比例組成。InxGa1-xAs的禁帶寬度隨組分x的增大而減小，從GaAs的1.42 eV直至InAs的0.35 eV之間連續(xù)可調(diào)；但其晶格常數(shù)卻隨組分x的增大而增大，從GaAs的5.653 3×10-10m直至InAs的6.058 3×10-10m，同時材料的響應(yīng)波長可以在870～3 500 nm之間連續(xù)調(diào)節(jié)，很好地覆蓋了太陽電池需要的可見光長波波段［13］。但InGaAs材料的少數(shù)載流子壽命隨x的變化而減小，在太陽電池中，少數(shù)載流子壽命對電池的光電轉(zhuǎn)換效率有著至關(guān)重要的影響。由于擴散長度與少子壽命有關(guān)，因此，對于禁帶寬度為1.0 eV和0.7 eV子電池的厚度分配，就成為該種太陽電池是否具有高轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素之一［14］。

綜上所述，InGaAs材料不僅可以改變材料本身的禁帶寬度，響應(yīng)波長也非常適合太陽電池的吸收光譜，進而開辟了制備多結(jié)空間太陽電池的新途徑。與此同時，InGaAs材料可以通過MOCVD、MBE等設(shè)備進行材料生長，其生長出的材料均勻性和穩(wěn)定性良好，因此，InGaAs材料是制備多結(jié)空間太陽電池可選材料之一。

1.2 InGaAs材料的晶格失配現(xiàn)象

在材料生長的過程中，當襯底的晶格常數(shù)與外延層的晶格常數(shù)不匹配時，就會產(chǎn)生晶格失配現(xiàn)象［12］。晶格失配幾乎在任何異質(zhì)外延中都會發(fā)生［15］。InxGa1-xAs材料在In的組分為0.30時，其禁帶寬度為1.0 eV；在In的組分為0.58時，其禁帶寬度為0.7 eV，然而In0.3Ga0.7As與Ge和GaAs晶格失配度約為2%，與In0.58Ga0.42As晶格失配度約為3%，所以生長出高質(zhì)量的In0.3Ga0.7As（1.0eV）和In0.58Ga0.42As（0.7eV）材料較為困難。晶格失配一般定義為

式中：ae為外延層的晶格常數(shù)；as為襯底的晶格常數(shù)。

半導體異質(zhì)外延技術(shù)使得人類可以按照自己的想法，通過控制一種材料的組分來實現(xiàn)我們需要的電學功能和性能，它是實現(xiàn)各種新型光電結(jié)構(gòu)器件的基礎(chǔ)［16］。但伴隨著異質(zhì)外延的發(fā)展，晶格失配就成為我們不能忽視的一個問題。晶格失配會直接導致應(yīng)力和形變的產(chǎn)生，使得外延材料的質(zhì)量下降，從而降低了電池的性能。目前通過引入緩沖層（Buffer Layer）來釋放應(yīng)力并適配位錯，是目前國內(nèi)外解決InGaAs材料的晶格失配問題的主要手段之一［17］。

2 InGaAs材料生長

InGaAs材料最初被應(yīng)用于紅外探測器［18］。2002年，Makiuchi等報道了InGaAs/InP背面入射光電探測器，由于InGaAs材料的電子遷移率可以達到12 000 cm2·V-1·s-1，該探測器表現(xiàn)出優(yōu)異的高速響應(yīng)特性。2001年，日本Takamoto等［19］采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術(shù)在Ge襯底上生長InGaP/In0.01Ga0.99As太陽電池，In0.01Ga0.99As替代GaAs作為中間電池，使其晶格與Ge襯底具有更好的匹配。同時In0.01Ga0.99As拓展了中間電池對光譜的吸收，提高了短路電流。目前，外延生長In-GaAs材料的技術(shù)主要有MOCVD和分子束外延（MBE）。

2.1 MOCVD生長

MOCVD技術(shù)具有高產(chǎn)量、高質(zhì)量的優(yōu)點，適用于規(guī)模化生產(chǎn)，因此，目前商用空間太陽電池的生產(chǎn)多采用MOCVD技術(shù)。2004年，Spectrolab公司采用InGaAs材料首次制備了（Al）GaInP/GaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge 6結(jié)太陽電池，其電池轉(zhuǎn)換效率為23%，開路電壓為5.3 V［20］。

但是通過MOCVD技術(shù)生長高質(zhì)量的InGaAs還面臨著許多困難。一方面由于MOCVD生長In-GaAs材料需要較高的生長溫度，同時該材料對溫度又極其敏感，1 ℃的溫度變化就會使帶隙產(chǎn)生漂移，因此，控制生長溫度對于制備高質(zhì)量的InGaAs材料非常重要。1986年，Amano等［21］首次提出了兩步生長法，即低溫條件下在襯底與外延層之間生長一層組分固定的緩沖層，之后在高溫條件下生長外延層。低溫生長的緩沖層為外延層提供成核中心，成為外延層的模板，在釋放應(yīng)力的同時把晶格失配的應(yīng)變限制在緩沖層內(nèi)，降低材料的失配位錯密度。高溫生長外延層的過程中，使緩沖層進行重結(jié)晶，提高了外延層的質(zhì)量。這種方法不僅在技術(shù)上更加簡單，在生長過程中也更容易控制，是實現(xiàn)高質(zhì)量InGaAs材料生長的一種有效途徑。此外，MO源帶來的C污染是MOCVD生長InGaAs材料的另一方面困難。非故意摻雜的C背景濃度高達1017cm-3，相關(guān)的缺陷導致InGaAs材料的光學和電學性能的退化。為解決此問題，采用退火工藝可以減少材料相關(guān)缺陷的濃度［22］。

2.2 MBE生長

MBE可以實現(xiàn)InGaAs的低溫外延生長，且由于不需要使用含C的生長源，可以有效地避免C污染的問題，是制備高質(zhì)量InGaAs材料的另一有效方法。目前使用MBE方法生長的多結(jié)空間太陽電池的InGaAs子電池的電流密度，可以與其他子電池進行良好的匹配。

華南理工大學探究了MBE技術(shù)下?lián)诫s濃度、基底溫度等對InGaAs材料質(zhì)量的影響，實驗結(jié)果顯示，在GaAs襯底上生長單結(jié)In0.3Ga0.7As電池在AM0非聚光條件下獲得了良好的電學效果［23］。德國Fraunhofer［24］使用MEB技術(shù)生長的InGaP/GaAs/InGaAs三結(jié)太陽電池，獲得了714.8 mA的短路電流和44.4%的轉(zhuǎn)換效率。MBE技術(shù)由于其生長工藝復雜，生產(chǎn)成本較高，因此，在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面需要進行進一步優(yōu)化。

3 InGaAs材料在空間太陽電池中的應(yīng)用

3.1 In0.3Ga0.7As材料在空間太陽電池中的應(yīng)用

在2009年第三十四屆國際光伏專家會議（PVSC）上，Spectrolab公司報道了光電轉(zhuǎn)換效率為31.7% 的含有In0.3Ga0.7As材料的鍵合三結(jié)太陽電池［25］。2010年，日本Sharp公司［26］報道的InGaP/GaAs/In0.3Ga0.7As（1.0 eV）倒裝結(jié)構(gòu)三結(jié)太陽電池轉(zhuǎn)換效率達到32%，實現(xiàn)了當時三結(jié)太陽電池的效率突破。然而該芯片面積僅為1 cm2，并且由于In0.3Ga0.7As底電池缺陷影響，其轉(zhuǎn)換效率隨時間逐漸下降。3年后，日本Sharp公司改進后的倒裝結(jié)構(gòu)三結(jié)太陽電池光電轉(zhuǎn)化效率為37.9%，這也是迄今為止倒裝三結(jié)太陽電池的最高效率［3］。

日本Sharp公司Takamoto［27］等提出的InGaP/GaAs/InGaAs（1.0eV）倒裝（IMM）結(jié)構(gòu)三結(jié)太陽電池，在AM1.5條件下實現(xiàn)了37.9%的高轉(zhuǎn)換效率，其基本結(jié)構(gòu)與電池I-V曲線如圖3所示。

圖3 InGaP/GaAs/In0.3Ga0.7As（1.0eV）倒裝三結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖和I-V 曲線［27］Fig.3 Structure diagram of InGaP/GaAs/In0.3Ga0.7As（1.0 eV）IMM 3J solar cells and I-V curves［27］

該種太陽電池效率提升的主要原因有：1）通過降低隧穿結(jié)的串聯(lián)電阻使得電池的填充因子（FF）提升；2）通過優(yōu)化減反射膜及窗口層提升短路電流密度（Jsc）；3）通過改變組分x增加底電池InGaAs的帶隙Eg（1.0 eV）提升電池的開路電壓（Voc）［26］。

2013年廈門乾照報道了采用階變緩沖層技術(shù)（step-graded）外延生長了具有更優(yōu)帶隙組合的GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As（1.0 eV）倒裝三結(jié)太陽電池，在AM0的條件下獲得了32.64% 的轉(zhuǎn)換效率［15］。由于采用了漸變緩沖層技術(shù)，使得外延材料的表面形貌得到了良好的改善，如圖4所示。2018年上?？臻g電源研究所報道了大面積、高性能柔性GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As三結(jié)太陽電池，轉(zhuǎn)換效率達31.5%（AM0）［28］。目前，含有In0.3Ga0.7As材料的倒裝三結(jié)太陽電池具有較高的轉(zhuǎn)換效率，其制備技術(shù)也日漸成熟，得到產(chǎn)業(yè)界的廣泛認同，有望成為產(chǎn)業(yè)界下一代高效多結(jié)空間太陽電池產(chǎn)品。

3.2 In0.58Ga0.42As材料在空間太陽電池中的應(yīng)用

2012年，Patel［29］等報道了 InGaP/GaAs/In0.3Ga0.7As/In0.58Ga0.42As四結(jié)空間太陽電池，在AM0條件下獲得了34.5%的轉(zhuǎn)換效率。該種太陽電池最顯著的特點是通過改變In和Ga的組分調(diào)節(jié)帶隙，分別制成第三結(jié)和第四結(jié)子電池，并且對可見光譜的吸收進行了優(yōu)化，同時通過優(yōu)化梯度層（grade layer）以減少螺旋位錯［30］。含有In0.58Ga0.42As（0.7 eV）材料的倒裝四結(jié)空間太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖及其I-V曲線如圖5所示。這些實驗數(shù)據(jù)表明，其轉(zhuǎn)換效率通過使用新材料和工藝優(yōu)化后，得到了明顯的提高［31］。

圖4 顯微鏡下倒裝三結(jié)電池外延材料表面形貌［15］Fig.4 SEM surface morphology of the epitaxy material for IMM 3J solar cell［15］

圖5 InGaP/GaAs/In0.3Ga0.7As/In0.58Ga0.42As倒裝四結(jié)太陽電池示意圖和I-V 曲線［29］Fig.5 Schematic diagram of InGaP/GaAs/In0.3Ga0.7As/In0.58Ga0.42As IMM 4J solar cells and I-V curves［29］

2016年，云南師范大學薛丹等［32］設(shè)計了含有In-GaAs材料的四結(jié)太陽電池并對其進行仿真，并對太陽電池結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計，對各子電池進行電流匹配優(yōu)化，并對發(fā)射區(qū)和基區(qū)厚度進行調(diào)整，最終獲得了34.87% 轉(zhuǎn)換效率的倒置四結(jié)太陽電池。2018年，北京空間飛行器總體設(shè)計部張曉鵬等［33］報道了高效倒裝四結(jié)太陽電池的優(yōu)化設(shè)計，通過對隧穿結(jié)的摻雜濃度、厚度以及材料方面進行設(shè)計優(yōu)化，使得倒裝四結(jié)太陽電池的效率獲得了明顯提升。目前，含有In0.58Ga0.42As材料的倒裝四結(jié)太陽電池尚處于理論實驗研究階段，對于雙緩沖層的設(shè)計及電池的各項優(yōu)化報道越來越多，同時各項理論數(shù)據(jù)較倒裝三結(jié)空間太陽電池也有顯著提高。

4 InGaAs材料空間太陽電池的抗輻照性能

除了高光電轉(zhuǎn)換效率外，良好的抗輻照性能也是多結(jié)空間太陽電池的重要要求之一［34］。空間環(huán)境中的帶電粒子（質(zhì)子、電子）能量范圍大，當太陽電池受到空間粒子輻照時，會產(chǎn)生兩種作用：一種是電離作用；另一種是位移作用。粒子輻照在太陽電池內(nèi)部引入復合中心，導致少數(shù)載流子壽命縮短，其中，少子壽命τ與輻照注量φ關(guān)系式為

式中：τ、τ0分別為輻照前、后的少數(shù)載流子壽命；kτ為壽命損傷系數(shù)。

少數(shù)載流子擴散長度L和少數(shù)載流子壽命關(guān)系式為

式中：D為相對損傷系數(shù)。

少數(shù)載流子擴散長度與輻照注量φ關(guān)系式為

式中：L0和L分別為輻照前后少數(shù)載流子擴散長度；KL為損傷系數(shù)［35］。

因此，太空中的輻射環(huán)境會導致多結(jié)空間太陽電池性能的退化。目前評價一款空間太陽電池的性能不僅要求其具有高轉(zhuǎn)換效率，還要具備良好的抗輻照性能［36］。下面主要介紹兩種材料的抗輻照性能。

4.1 In0.3Ga0.7As材料空間太陽電池中的抗輻照性能

2016年 Imaizumi等［37］對 InGaP/GaAs/In0.3Ga0.7As（1.0 eV）倒裝三結(jié)太陽電池及其子結(jié)進行了1 MeV電子和3 MeV質(zhì)子輻照實驗。實驗數(shù)據(jù)見表3，其中n0表示二極管系數(shù)，I0為暗電流。盡管In0.3Ga0.7As材料的帶隙較低，但是該材料Voc和ISC的輻照退化結(jié)果與InGaP材料相當。實驗通過對In0.3Ga0.7As子結(jié)電池輻照前、后結(jié)果分析得出該材料具有良好的抗輻照性能。

2018年，哈爾濱工業(yè)大學劉秋月等［38］報道了電子和質(zhì)子綜合輻照對InGaAs電池性能影響，并運用了模擬和實驗相結(jié)合的方式對該材料分別進行了電子輻照、質(zhì)子輻照以及電子、質(zhì)子共同輻照實驗，并對其輻照后性能做出了綜合評價，得出In-GaAs材料在各種輻照條件下退化幅度均優(yōu)于傳統(tǒng)三結(jié)太陽電池。近年來，對于In0.3Ga0.7As材料的倒裝空間三結(jié)太陽電池的輻照性能報道越來越多，這些實驗結(jié)果為未來該種電池進入空間領(lǐng)域打下了堅實的基礎(chǔ)。

4.2 In0.58Ga0.42As材料空間太陽電池中的抗輻照性能

2012年，Aiken等［29］在倒裝三結(jié)空間太陽電池的基礎(chǔ)上，在In0.3Ga0.7As（1.0 eV）子電池下插入In0.58Ga0.42As（0.7 eV）底電池，并進行了1 MeV的電子輻照實驗，其電池的輻照前、后量子效率（EQE）如圖6所示。結(jié)果表明，該倒裝四結(jié)空間太陽電池在壽命初期（BOL）時的效率為34%，并且在壽命末期（EOL）時的剩余系數(shù)高于82%。

2014年，美國Spectrolab報道了倒裝四結(jié)空間太陽電池在空間環(huán)境下的測試。結(jié)果表明，IMM4J空間太陽電池在1 MeV電子輻照環(huán)境及干燥氮氣環(huán)境經(jīng)過250 ℃熱浸1 600 h后，其效率退化結(jié)果優(yōu)于傳統(tǒng)三結(jié)空間太陽電池［39］。2017年，云南師范大學賴旺富等［40］報道了倒置四結(jié)太陽電池的電子輻照性能研究及其仿真分析，利用Apsys模擬軟件對四結(jié)太陽電池進行仿真并制備樣品進行電子輻照實驗。實驗結(jié)果表明，經(jīng)過電流匹配設(shè)計的四結(jié)太陽電池具有良好的轉(zhuǎn)換效率及抗輻照性能，并找出電流限制結(jié)進行相關(guān)理論分析，為該種電池在未來的空間應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。2017年，哈爾濱工業(yè)大學張延清等［41］報道了對倒裝三結(jié)和四結(jié)空間太陽電池及其關(guān)鍵子電池結(jié)構(gòu)的1 MeV電子輻照試驗，以及InxGa1-xAs子電池與倒裝四結(jié)空間太陽電池輻照后的低溫退火效應(yīng)，揭示了該電池的電能恢復規(guī)律及其缺陷穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明，該電池與倒裝三結(jié)太陽電池相比，其光電轉(zhuǎn)換效率提升明顯，但抗輻照性能需要進行進一步的優(yōu)化。

5 結(jié)束語

本文詳細地介紹了InGaAs材料近年來在多結(jié)空間太陽電池的應(yīng)用發(fā)展及其抗輻照性能，通過與傳統(tǒng)GaInP/GaAs/Ge結(jié)構(gòu)的三結(jié)太陽電池對比發(fā)現(xiàn)，含有InGaAs材料的多結(jié)空間太陽電池無論是在理論轉(zhuǎn)換效率，還是在抗輻照性能上都具有更加優(yōu)異的表現(xiàn)。由于InGaAs材料帶隙可調(diào)，響應(yīng)波段范圍廣，在未來更多結(jié)太陽電池研究領(lǐng)域，該材料是優(yōu)秀的候選者之一，所以對InGaAs材料在多結(jié)空間太陽電池領(lǐng)域的深入研究就變得為重要。

但由于該種太陽電池采用了晶格失配材料，需要在電池結(jié)構(gòu)中增加漸變緩沖層，并且運用了鍵合、剝離等新工藝，使得其生長成本增加，同時在生長過程中會產(chǎn)生一定缺陷，最終導致其實際效率與理論效率還有一部分差距。因此，隨著對InGaAs材料的研究不斷深入，該材料在未來多結(jié)太陽電池的研究方向主要是通優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)、探索更優(yōu)生長條件并設(shè)計更可靠的緩沖層來獲得含有高質(zhì)量In-GaAs材料的多結(jié)空間太陽電池，從而進一步提升多結(jié)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率和抗輻照性能，最終實現(xiàn)提升衛(wèi)星整體有效載荷和服役時間的目的。