砷化镓光伏电池用途及概述

以砷化镓（GaAs）为代表的III－V化合物电池由于具有较高的光电转换效率受到人们的普遍重视。GaAs是典型的III－V族化合物半导体材料，其带隙接近最高效率对应值，与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍良好，特别适合做高倍率聚光太阳电池。

砷化镓生产方式和传统的硅晶圆片生产方式大不相同，砷化镓需要采用磊晶技术制造。这种磊晶圆片的直径通常为4～6in，比通常硅晶圆片的12in要小得多。磊晶圆片需要特殊的机台，同时砷化镓原材料成本高出硅很多，最终导致砷化镓成品IC成本比较高。GaAs（砷化镓）太阳电池大多采用液相外延（LPE）、分子束外延（MBE）或金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术制备。

随着空间科学和技术的发展，对空间电源提出了更高的要求。20世纪80年代初期，前苏联、美国、英国、意大利等开始研究GaAs基系太阳电池。80年代中期，GaAs太阳电池已经用于空间系统，如1986年前苏联发射的“和平号”空间站，装备了10kWp的GaAs太阳电池，单位面积比功率达到180Wp·m－2。8年后，电池阵输出功率总衰退不大于15%。

已研究的砷化镓（GaAs）系列太阳电池有单晶砷化镓、多晶砷化镓、镓铝砷—砷化镓异质结、金属—半导体砷化镓、金属—绝缘体—半导体砷化镓太阳电池等。GaAs基系太阳电池经历了从LPE到MOCVD，MBE，从同质外延到异质外延，从单结到多结叠层结构发展变化，其效率不断提高。从最初的16%增加到34%以上（AM0，135．3mW·cm－2，25℃），工业生产规模年产达数百千瓦以上，并在空间系统得到广泛的应用。更高的效率减小了太阳电池阵的面积和质量，增加了火箭的装载量，减少火箭燃料消耗，因此虽然太阳电池阵的成本上升了，但整个航天器电源系统的费用却更低了。

随着MBE，MOCVD技术的应用，大大扩展了III－V材料的选择范围，生长出各种复杂的器件结构，使多结叠层电池的研究和规模生产成为可能。III－V族化合物太阳电池有许多种类，以材料分类，主要有两大系列。一类为GaAs基系太阳电池，另一类为InP基系太阳电池。在单结电池研究领域这两类电池是分别进行研究的，但在多结叠层电池领域，这两个系列电池的研究便结合在一起了。三结叠层GaInP2／GaAs／Ge太阳电池的研制成功便是这两类电池相结合的最好范例。

1）单结GaAs／GaAs太阳电池

单结GaAs／GaAs（即：以GaAs单晶材料为衬底）太阳电池是最早进行研究的一种III－V族化合物太阳电池。

20世纪60年代，同质结GaAs太阳电池和材料的制备、性能研究开始发展，一般设计为同质结p－GaAs／n－GaAs太阳电池。1956年Jenny在n型GaAs单晶衬底上扩散Cd，首先研制成功光电转换效率为6．5%的GaAs太阳电池。但是，由于GaAs的表面复合速率大于106 cm·s－1，入射光在近表面处产生的光生载流子除一部分流向n－GaAs区提供光生电流外，较大部分将流向表面形成表面复合电流而损失，这使得同质结GaAs太阳电池的光电转换效率较低，其效率和发电成本都无法与硅太阳电池相竞争，发展一直较慢。

直到70年代，采用异质结结构后，GaAs太阳电池才引起人们的普遍关注。1972年，Woodall和Hovel设计研制了p－AlGaAs／p－GaAs／n－GaAs三层结构，即：在GaAs表面LPE一层AlGaAs窗口层，使界面处形成导带势垒，以阻止光生电子向表面运动。由于AlxGa1－xAs与GaAs有很好的晶格匹配，异质界面间的复合速率可低于104 cm·s－1，实现了p－GaAs层高表面复合转变为低表面复合，获得16%的转换效率。由于高Al组分的AlxGa1－xAs有较大的带隙Eg，对能量小于Eg的入射光而言是一种透明的窗口层；并且，当AlxGa1－xAs层制作得很薄时，其表面层的吸收损失也是很小的。1973年，这一结构的效率达到21．9%。之后，研究者们进一步改进AlxGa1－xAs／GaAs异质界面结构，使LPE－GaAs电池的效率大大提高，最高达到22%～23%的水平。

对于单结GaAs太阳电池，采用LPE得到最好效率是25%。Agert等人以MOCVD方法，制得AlGaAs／GaAs太阳电池的效率为24%。在小卫星空间电源系统中，GaAs组件所占的比例在20世纪80年代仅为43%，到90年代已经增加到75%以上，至今仍然占据空间主电源的重要地位。1985年前苏联发射的和平号轨道空间站，以及1995年发射的阿根廷科学卫星SAC－B的GaAs电池（～1 000片，寿命初期功率215Wp）等都是采用这样的结构。

1990年以后，MOCVD技术逐渐被应用到了GaAs太阳电池的研究和生产中。MOCVD技术生长的外延片表面平整，各层的厚度和浓度均匀并可准确控制。因而用该技术制备的GaAs太阳电池的性能明显改进，效率进一步提高，最高效率超过25%。

2）单结GaAs／Ge太阳电池

在GaAs衬底上生长的GaAs／GaAs同质结构太阳电池能获得很高的转换效率，但是GaAs衬底材料不但价格昂贵，而且密度大，质量重，机械强度也不高，易碎。这些缺点使GaAs／GaAs同质结构太阳电池的应用受到限制。为了克服这些缺点，人们试图寻找各种廉价衬底，以取代GaAs衬底，形成异质结构的GaAs太阳电池。

到目前为止，GaAs／Ge异质结构太阳电池是最成功的一种异质结构。Ge的晶格常数（5－646）与GaAs的晶格常数（5－653）相近；热膨胀系数两者也比较接近；所以容易在Ge衬底上实现GaAs单晶外延生长。Ge衬底不仅比GaAs衬底便宜（Ga在地球上含量不丰、价格昂贵），而且Ge的机械牢度是GaAs的两倍，不易破碎，从而提高了电池的成品率。虽然早就认识到，Ge衬底是GaAs衬底最好的替代品，但在MOCVD技术和MBE技术应用到GaAs太阳电池的研究领域之前，一直未能生长出实用的GaAs／Ge异质结构。在LPE技术中，一般都采用Ga作母液，而在高温下Ge在Ga里的溶解度非常大，在～700℃以上的生长温度下，当Ge衬底与Ga母液接触后，经过半小时的降温生长过程后，Ge衬底几乎被Ga母液完全溶解，根本不能实现GaAs／Ge异质外延生长。

目前，这种光伏性能相当、具有更高质量比功率的GaAs／Ge太阳电池，在空间电源应用获得广泛重视，并已进入批量生产及使用阶段。20世纪80年代中后期，美国Spectrolab，Tecstar，Spire，意大利CISE，日本MELCO，英国EEV等公司，采用MOCVD技术大批量生产GaAs／Ge太阳电池，批产平均效率已达18．0%～19．5%（AM0）。我国也于90年代中后期，采用MOCVD技术研制GaAs／Ge太阳电池，典型平均效率为19%（AM0）。

3）多结叠层GaAs太阳电池

基于只有能量高于半导体带隙宽度的光子才能激发产生光生载流子的原理，由单一半导体材料构成的单结太阳电池只能将太阳光谱中的一部分有效转化为电能。能量低于半导体带隙宽度的光子无法将价带电子激发到导带，不能对光生电流产生贡献，构成光电转换中的电流损失；而能量高于半导体带隙宽度的光子只能将一个电子激发到导带，把与带隙宽度相当的能量传给光生载流子，多余的能量则将以声子的形式传给晶格，变成热能，构成光电转换中所谓的电压损失。因此，若选择窄带隙半导体，则太阳电池的短路电流密度高而开路电压低；若选择宽带隙半导体，则太阳电池的开路电压高而短路电流密度低。因此，除非引入新的机理，单结太阳电池的光电转换效率为材料固有带隙宽度所限制，非聚光条件下的理论上限为30%。显然，以多种带隙宽度不同的半导体材料构成级联太阳电池，以各级子电池吸收利用与其带隙宽度最相匹配的太阳光谱，从而减小光电转换过程中的“电流损失”和“电压损失”，是突破上述光电转换效率限制的最好途径。即：用不同带隙宽度Eg的材料做成太阳电池，按Eg大小从上而下迭合起来，让它们分别选择性地吸收和转换太阳光谱的不同子域，可大幅度地提高电池的转换效率。叠层电池是目前被称之为第三代电池中唯一一种率先从概念变成现实的高效率电池。

事实上，早在硅太阳电池在贝尔实验室诞生的第2年，就已经有研究者提出这样的设计思想。从20世纪70年代起，在硅和砷化镓等单结太阳电池达到较高性能水平后，为了实现更高的光电转换效率，人们开始更多地注意多结级联太阳电池的研究，有越来越多的论文对理论设计和方案选择开展探讨。叠层电池一般可分为两类。一类为光谱劈裂叠层电池，有两个以上的输出端，各子电池在光学上是串联的，在电学上是各自独立的，只是在计算电池效率时把各子电池的效率相加。另一类为单片多结叠层电池，只有两个输出端，各子电池在光学上和电学上都是串联连接的。

早期实现多结级连太阳电池结构是分别制备各级子电池，然后将其机械堆叠起来。有报道用带隙为1．42eV的Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体GaAs和带隙约为1．0eV的Ⅰ－Ⅲ－Ⅵ族化合物半导体CuInSe2构成的双结电池获得23．1%的光电转换效率（AM0）。美国Fraas首先提出GaAs／GaSb机械叠层电池，即：GaAs电池和GaSb电池用机械的方法相叠合而成。GaAs顶电池和GaSb底电池在光学上是串联的，而在电学上是相互独立的，用外电路的串并联实现电流匹配。其效率等于GaAs顶电池和GaSb底电池的效率之和，因而容易获得高效率。1990年，GaAs／GaSb机械叠层电池的效率已达到35%（AM1．5，200倍聚光）。1987年报道了GaAs／Ge机械叠层双结电池，效率达到26．1%。然而，这种电池尽管有较高的光电转换效率，但其机械堆叠的方法具有难以克服的缺点。以双结电池为例，首先，顶电池对于底电池必须是“透明”的。当使用厚衬底时，掺杂浓度不能太高。另外，顶层电池的下电极金属接触必须像上电极一样做成栅线构型（见图12．19），而且要与两级子电池的上电极图形精确对准。两级子电池一般具有4个输出端，通常要在电学上先把几个同级子电池互联，再去与另一级子电池相连接，对外构成一个两端器件。就GaAs／CuInSe2双结电池而言，需要先将4只CuInSe2电池串联得到与Ga（Al）As顶电池的电压匹配后，再把两级电池并联成两端器件。电学互联的复杂程度限制了这种电池的大规模的生产与应用；同时，各级子电池一般都要使用各自的衬底，大大增加了制造成本。

图12．19　GaAs／CuInSe2双结机械叠层太阳电池示意图(www.xing528.com)

在叠层电池研究的历程中，首先是Fan等人1982年的理论分析给人们带来了信心：叠层电池可以获得理论效率36%～40%。半导体材料外延生长技术，特别是生长III－V族化合物半导体技术的成熟发展使得制备单片集成式多结级联太阳电池成为可能。AlxGa1－xAs作为GaAs太阳电池的窗口层材料所获得的成功，使人们在研究叠层电池时，自然首先想到把它作为与GaAs太阳电池相匹配的顶电池材料。因而，AlxGa1－xAs／GaAs系列结构是最早进行研究的叠层电池结构，其理论效率可达到36%。日本在1987年实现了高转换效率AlGaAs／GaAs双结电池。Chung等人在1988年报道，用MOCVD技术生长了Al0．37Ga0．63As／GaAs双结叠层电池，其AM0和AM1．5效率分别达到23．0%和27．6%，电池面积为0．5cm2。其中的困难首先是生长高质量的Al0．37Ga0．63As层。由于铝容易氧化，对气源和系统中的残留氧很敏感，致使少子寿命明显缩短，无法显著地提高太阳电池的电流密度，所以采用了多重吸气技术以降低残留氧含量。其次是如何实现上下电池之间的电学串联连接。工作中没有解决高电导的隧道连接问题，而是通过后腐蚀开窗口的办法，用金属互联上下电池。这种连接在器件工艺上十分复杂，而且增加了金属线的挡光。为减小金属互联线的遮光作用，他们借助于棱镜盖玻璃以偏转入射光。此外，不容忽视的是Al0．37Ga0．63As电池的抗辐照性能与GaAs电池相仿，不能有效地提高双结太阳电池的空间应用寿命。正是由于这些困难的存在，以后没有人在这个方向取得新的进展。

GaInP2是另一个宽带隙的与GaAs晶格匹配的系统，与Al0．37Ga0．63As／GaAs体系相比由于Ga0．5In0．5P／GaAs界面复合速率很低（约为1．5cm·s－1），并且GaInP2电池具有InP电池相似的抗辐照性能。美国国家可再生能源实验室（NREL）Olson等人在20世纪80年代末提出并开展了GaInP2／GaAs叠层电池结构的研究。他们采用MOCVD技术，在p＋－GaAs衬底上生长GaInP2／GaAs叠层电池，在顶电池与底电池之间实现了隧道结连接，电池结构如图12．20示出。他们首先对GaInP2材料进行了仔细的研究，比较了GaInP2／GaAs与另外两个晶格匹配系统Al0．4Ga0．6As／GaAs和Al0．5In0．5P／GaAs的界面质量。根据光致发光衰减时间常数推算，GaInP2／GaAs界面的复合速率最低，约为1．5cm·s－1；而Al0．4Ga0．6As／GaAs和Al0．5In0．5P／GaAs界面复合速率分别为210cm·s－1和900cm·s－1。这表明GaInP2／GaAs界面的质量最好。同时，Kurtz和Olson等人还对GaInP2的带隙宽度与生长温度和生长速率之间的关系进行了细致的研究。指出，在同样组分条件下，GaInP2的Eg可以在1．82eV到1．89eV之间变化，取决于结构的有序程度。在这些工作的基础之上，他们获得了创记录的叠层电池效率。1990年，Olson等人报道了在p＋－GaAs衬底上生长了出小面积（0．25cm2）GaInP2／GaAs双结叠层电池，其AM1．5效率达27．3%。

图12．20　GaInP2／GaAs／Ge双结太阳电池示意图

1994年，Bertness和Olson等人报道了进一步改进的结果，GaInP2／GaAs叠层电池的AM0和AM1．5效率分别达到25．7%和29．5%。值得注意的改进是：①AM0效率最佳的电池结构，仅仅是将上电池基区的厚度从0．6μm减小到0．5μm。电池结构的改进，首先是采用了背场结构（BSF）。对于下电池，背场为0．07μm薄层GaInP2，p型掺杂浓度为3×1017 cm－3，并且指出如果降低此浓度将影响开路电压。对于上电池，其背场也是采用0．05μm厚的GaInP2，但具有较宽的Eg＝1．88eV；②优化栅线的设计，从所占面积5%降为1．9%，而不影响电池的填充因子，这是由于叠层电池的光电流密度近乎减半，而发射极的薄层电阻又减小到420Ω／□的缘故；③降低窗口层AlInP中的氧含量，将磷烷进行纯化或用乙硅烷取代硒化氢作掺杂剂；④在隧道结生长过程中减少掺杂记忆效应，用Se－C取代Se－Zn，同时调整降低了砷烷分压。同年，Kurtz等人报道了GaInP2／GaAs在经受1MeV、1E15e·cm－2电子辐照之后，效率仍能够保持在19．6%（AM0），较硅电池寿命初期的效率高很多，非常适合在空间使用。

Olson等在GaInP2／GaAs双结电池研究中所取得的成果，在20世纪90年代中期很快以技术转让的形式在美国的两个空间电池生产厂家（Spectrolab和Tecstar）实现商业化应用。Spectrolab主要采用n－on－p（即p型Ge为衬底）形式，而Tecstar采用p－on－n（即n型Ge为衬底）形式。1997年8月，装备了Ge衬底GaInP2／GaAs双结电池的第一颗商业通信卫星被发射升空。这颗美国休斯公司的HS601电视直播卫星，不改变太阳电池阵的原有设计，仅仅以平均效率为21．6%的GaInP2／GaAs／Ge双结电池取代Si太阳电池，太阳电池阵的输出功率就从4．8kWp提高了一倍，达到10kWp，大大增加了卫星的有效载荷，成为空间能源系统的一个新的里程碑。

考虑到双结太阳电池只能吸收空间太阳光谱的短波段和中波段太阳光，而无法吸收长波段太阳光，制约了光电转换效率的提高。在材料外延关键技术解决的前提下，GaInP2／GaAs／Ge三结叠层太阳电池其研制和生产成本与双结太阳电池几乎相同，但性能和可靠性将明显优于双结太阳电池。因此，从1998年起，双结太阳电池作为一个过渡产品逐渐被三结太阳电池所取代。

GaInP2／GaAs双结电池的短路电流只有GaAs单结太阳电池的一半，如果将Ge衬底制成一个有效结，Ge电池产生的短路电流可远远高于GaInP2／GaAs双结电池；而且电池的开路电压也将提高，进而获得更高的光电转换效率。于是，研究者们开始将重心逐渐转移到Ga0．5In0．5P／GaAs／Ge三结电池上。

从图12．21可以看到，GaInP2、GaAs和Ge从上到下三点成一线，带隙宽度分别为1．86，1．42和0．67eV，正好构成晶格匹配的级联三结电池材料系统，虽然并不完全理想。在外延生长GaAs中间电池和GaInP2顶电池的同时，通过控制V族和III族元素向Ge衬底中的扩散，可以在Ge衬底表面形成p－n结，构成底电池，从而形成GaInP2／GaAs／Ge整体叠层三结结构。

GaInP2／GaAs／Ge双结电池在Spectrolab和Tecstar很快演变为三结电池。尽管p／n（即p－on－n）极性的GaInP2／GaAs／Ge三结电池也曾实现了很高的转换效率，但相反极性，即n／p（n－on－p）型的GaInP2／GaAs／Ge三结电池被证明在两个方面更具优越性：①相对于p／n型构型，n／p型顶电池更易于制备成浅结却又不影响发射区的薄层电阻，从而改进顶电池短波响应；②p－GaAs基区比n－GaAs具有高得多的迁移率和抗辐照性能。从20世纪90年代后期开始，随着Spectrolab在1996年第一次报道了n／p型的GaInP2／GaAs／Ge三结电池的小批量生产结果，各空间电池生产厂家都全力以赴投入n／p型GaInP2／GaAs／Ge三结电池的研究。电池性能记录被不断刷新，新的产品相继被应用于新一代的大功率商业通信卫星。

图12．21　GaInP2／GaAs／Ge三结太阳电池示意图

图12．22展示了国际研制和生产GaInP2／GaAs／Ge三结电池的持续进步。

图12．22　国外研制和生产的三结砷化镓太阳电池效率发展历程

具体来说，第一颗应用该技术的商业卫星HS 601HP于1997年发射，其采用的是美国光谱实验室研制的以Ge为基底的双结GaInP／GaAs电池，寿命初期BOL效率是21%～22%。在此基础上，GaInP2／GaAs／Ge基系三结电池的性能得到极大改进，达到一个新的台阶。例如，美国光谱实验室研制的改进型三结电池（ITJ）经过过去三年的努力，寿命初期BOL效率已高于26．5%，较双结电池提高了20%～25%。截至2004年，该公司在轨运行的三结电池已达到225kWp，充分体现出技术的稳定与可靠。寿命初期效率为25．1%的三结砷化镓电池首次应用是在2001年11月，有超过38kWp的电池在轨运行（GEO）；寿命初期效率为26．8%的改进型三结砷化镓电池首次是2002年6月应用于GEO，2003年1月应用于TRL LEO，已有超过119kWp的电池（TRL 9GEO，11LEO）在轨运行。Galaxy IIIC卫星首次成功应用Spectrolab效率26．5%（AM0）三结砷化镓太阳电池。通过改进，美国光谱实验室2003的三结电池（UTJ）产品将电池性能推上了一个新的台阶。其寿命初期BOL在最高功率点平均效率达到28．0%（AM0，28℃，135．3mW·cm－2），经过能量和累计注量为1MeV，1×1015 e·cm－2的电子辐照后，功率仍能保持86%；更重要的是，当电池在60℃工作环境下15年（GEO）后的效率为22．0%，较ITJ电池提高5．5%。目前，该公司已生产超过两百万片大面积多结电池，其主要太阳电池产品平均光电转换效率达到28．6%以上。

德国Azur Space公司生产的三结GaInP2／GaInAs／Ge太阳电池平均效率达到28．3%，也已成功应用于数颗卫星，如：Galileo、Venus Express和Mars Express等。至今，以美国和德国为代表的世界研制生产机构，已使三结太阳电池在轨电池总量达到650kWp以上。

近年来，各国研究机构经过改进，将InGaP／（In）GaAs／Ge三结电池的效率提高到29%～30%（AM0）。这些改进措施包括：宽带隙双异质隧穿结的采用、锗底电池和第一层InGaP异质外延层的结合、加入1%的In获得更好的晶格匹配。此外，顶电池采用带隙为1．95eV的AlInGaP材料，可以进一步提高电池效率。为提高空间应用可靠性，在技术方面可进行如在中电池基区低掺杂层加入电场、以调整顶电池来确保寿命末期的电流匹配等改进。

光电转换效率的不断提高以及制造成本的持续降低，使光伏技术在空间和地面都得到了越来越广泛的应用。其中，基于砷化镓（GaAs）的Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体多结叠层太阳电池技术的迅速发展是最引人瞩目的里程碑式突破。目前，GaInP2／Ga （In）As／Ge三结叠层太阳电池大规模生产的平均效率已接近30%（AM0），五结叠层太阳电池的实验室效率已达到35．1%［5］（AM0），使10年前占据空间能源应用主导地位的硅太阳电池几乎让出了全部空间市场。在高倍聚光条件下，这种多结太阳电池的实验室AM1．5效率已超过了43%。极高的光电转换效率使其在未来的20年里有可能与传统的平板式硅太阳电池发电系统在地面应用中争夺市场。发展动态表明，Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体多结太阳电池，作为光伏领域内新的技术突破，有着广阔的发展与应用前景。