Si基InGaAs太陽能電池器

1、.Si襯底上InGaAs外延生長技術(shù)及相關(guān)太陽電池制作一、InGaAs太陽能電池根本知識1、InGaAs根本性質(zhì)InGaAs在整個組分范圍內(nèi)均為直接帶隙材料，半導(dǎo)體穩(wěn)定性好，有效質(zhì)量小，電子遷移率和峰值速度高，以及高的光吸收系數(shù)，禁帶寬度隨組分可以在InAs的0.35 eV到GaAs的1.43 eV之間變化，是制備多結(jié)疊層太陽能電池的理想材料。2、InGaAs太陽能電池的優(yōu)點：1. 光電轉(zhuǎn)換效率高；2. 可制成薄膜和超薄型太陽電池；3. 耐高溫性能好；4. 抗輻射性能好；5. 可制成效率更高的多結(jié)疊層太陽電池。而Si單晶具有本錢低廉，圓晶面積大的優(yōu)點。在Si基上外延InGaAs薄膜多結(jié)太陽能電

2、池，可以充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，早日實現(xiàn)低本錢光伏器件的大規(guī)模應(yīng)用。3、InGaAs多結(jié)太陽能電池光譜吸收原理及其簡化構(gòu)造示意圖圖1 多結(jié)疊層太陽能電池光譜吸收原理雙結(jié)GaAs 太陽電池的極限效率為30%, 三結(jié)GaAs 太陽電池的極限效率為38%, 四結(jié)GaAs 太陽電池的極限效率為41%。圖2 多結(jié)疊層太陽能電池效率極限的理論計算結(jié)果理論計算說明，基于細致平衡原理Detailed balance的多結(jié)電池中，以帶隙1.70eV/0.97eV組成的雙結(jié)疊層電池效率可達42.5%，而以帶隙1.95 eV /1.30 eV/0.82 eV組成的三結(jié)疊層電池效率可達48.6%。在此根底上，A Shah

3、提出的理想Pin結(jié)電池模型中，以帶隙1.72eV/1.09eV組成的雙結(jié)疊層電池效率可達33.4%，而以帶隙1.87 eV /1.39 eV /0.91 eV組成的三結(jié)疊層電池效率可達37.7 %，如圖2 所示1。圖3 a雙結(jié)GaInP/GaAs、b三結(jié)GaInP/GaAs/Ge級聯(lián)電池的簡化構(gòu)造示意圖圖4 典型的GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)太陽能電池構(gòu)造示意圖圖5 由3J演變而來的5J、6J級聯(lián)構(gòu)造二、Si基 InGaAs太陽能電池的開展現(xiàn)狀1、InGaAs薄膜的外延生長在Si襯底上制備InGaAs的方法主要有兩種：一、以低能等離子體增強CVD先沉積Ge/GeSi/Si 虛擬襯底vir

4、tual substrate，然后在使用MOCVD沉積InGaAs 及其量子阱2005年；2020年，Richard Beeler2采用新的氫化物在低溫CVD下沉積Ge/Si 虛擬襯底，與Ge圓晶相比，前者使用MOCVD沉積的InGaAs質(zhì)量更好，可在低本錢光伏器件中大量使用。二、LP-MOCVD 法 a 馮建友低壓金屬有機化學(xué)氣相沉積LP-MOCVD技術(shù)，采用基于低溫緩沖層的兩步生長方法，生長GaAs/Si100：有偏角的襯底有較大的晶格弛豫度，有效的抑制了異質(zhì)外延中的反相無序問題，并減少了H類位錯的產(chǎn)生；B的并入，會使晶格變小，而In的并入，會使晶格變大，調(diào)節(jié)B和In在BlnGaAS中的組

5、分便可抵消二者對材料晶格的影響。b孫覽江通過探究有偏角襯底、AIGaAs低溫緩沖層和循環(huán)熱退火等技術(shù)的最優(yōu)條件，在Si襯底上外延生長出了高質(zhì)量的GaAS材料，并探究出了一種GaAs層分兩個階段生長、中間插入刻槽工序mid-Pattem的 Si/GaAs無裂紋外延方法。c呂吉賀通過探究有偏角襯底、AlGaAsAs低溫緩沖層和循環(huán)熱退火等技術(shù)的最優(yōu)條件，在Si襯底上外延生長出了高質(zhì)量的GaAS材料。對于 1.2m厚GaAs外延層，其XRD-2掃描的FWHM僅為 192.3arcsec，透射電子顯微鏡 TEM圖像顯示外延材料層中位錯能被有效彎曲、合并，測試結(jié)果說明在距GaAs/Si界面處0.5m的位

6、錯密度為107cm-2量級。以上三人均為北京郵電大學(xué) 2、InGaAs太陽能電池的研究現(xiàn)狀到目前為止，GaAs材料太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率仍為25.8%，InP材料太陽電池仍為21.9%。通過GaAs及-合金制備量子阱太陽電池是當(dāng)前一個新的研究熱點。利用MOCVD 得到的50個周期的量子阱太陽電池的轉(zhuǎn)換效率高于PN結(jié)GaAs電池。如Spectrolab公司于2007年上半年開發(fā)出一種多結(jié)太陽電池，采用的是晶格失配多重半導(dǎo)體構(gòu)造層GaInP/GaInAs/Ge，該電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達創(chuàng)紀(jì)錄的40.7%，是普通屋頂太陽能板的兩倍多3。T. Sugaya 4對InGaAs多結(jié)疊層量子點太陽能電池進展

7、了研究，PL譜測試顯示電池效率隨著量子點疊層數(shù)目的增加而急劇上升。三、InGaAs太陽能電池技術(shù)開展前景展望1、AlInGaP/GaAs /? 新材料/Ge 四結(jié)電池中第三結(jié)子電池材料是關(guān)鍵。對四結(jié)電池中的第三結(jié)子電池帶隙寬度對電池效率的奉獻進展的理論計算說明, 當(dāng)?shù)谌Y(jié)子電池材料帶隙寬度在0.951.05 eV 之間時, 四結(jié)電池將獲得大于40%的效率。因此, 1.0 eV 的電池材料備受關(guān)注, 對多結(jié)級聯(lián)GaAs 系列太陽電池效率的進步起著關(guān)鍵的作用。2、AlGaInP/GaInP/AlGaInAs /GaInAs /Ge 五結(jié)級聯(lián)太陽電池效率有望實現(xiàn)打破：有望實現(xiàn)AM0 效率超過50%這

8、一打破性的研究方向。3、新材料體系的技術(shù)研究有望實現(xiàn)效率打破4、GaInP2/GaAs /Ge 多結(jié)級聯(lián)太陽電池有望在聚光系統(tǒng)中獲得應(yīng)用5、InGaAs多結(jié)疊層量子點太陽能電池有望實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。四、主要參考文獻1耿新華. 硅基薄膜太陽電池技術(shù)的開展J. SOLAR ENERGY 太陽能16/2020, 32-35.2Richard Beeler, JayMathews, ChangeWeng, JohnTolle, RadekRoucka, A.V.G.Chizmeshya, Reid Juday, SampritiBagchi, Jose Menendez, JohnKouvetakis. C

9、omparative study of InGaAs integration on bulk Ge and virtual Ge/Si100 substrates for low-cost photovoltaic applicationsJ. Solar Energy Materials & Solar Cells 94 2020 236223703馮瑞華，馬廷燦，萬勇，姜山，黃可，黃健. 太陽能材料國際開展態(tài)勢分析J. 科學(xué)觀察，2020，36: 11-254T. Sugaya, Y.Kamikawa, S.Furue,T.Amano,M.Mori,S.Niki. Multi-stacked quantum dot solar cells fabricated by intermittent deposition of InGaAsJ. Solar Energy Materials & Solar Cells 95 2020 163166郭愛萍, 孫強?；贕aAs 半導(dǎo)體太陽電池技術(shù)開展概況J. 電源技術(shù)，2007，319: 757-758Masafumi