高效率多结叠层砷化镓GaAs太阳电池研究博士学位论文

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1、上海交通大学博士学位论文高效率多结叠层砷化镓GaAs太阳电池研究姓名：陈鸣波申请学位级别：博士专业：光学工程指导教师：崔容强;李国欣20040108上海交通大学博士学位论文摘要高效率多结叠层砷化镓GaAs太阳电池研究摘要全球工业化带来的生态环境持续恶化，以及能源消耗的急剧增加和自然资源的匮乏，使得人们日益认识到开发和利用太阳能等可再生能源的重要性和迫切性。其中，利用太阳光发电是重要研究领域之一，也是最具发展潜力的应用之一。由于太阳的能量是分散的，要求提供所需的能源就必须有足够的接受面积。自然地，通过对新材料、新结构、新工艺、新器件的研究，获得高效率、低成本、能与

2、常规能源发电竞争的太阳电池始终是光伏研究的主要任务。据统计，1957-'--2000年发射的数千个空间飞行器中，90％以上是采用太阳电池系统作为有效的空间能源。对于空间用太阳电池的首要要求，就是应具有高的转换效率，以便在重量和体积受限制的条件下，能获得所要求的特定功率输出。在众多的半导体材料中，砷化镓(GaAs)有较高的光吸收系数，其能带可以与太阳光谱有很好的匹配，且耐辐照性能强，工作温度范围宽，很适合制作太阳电池空间电源。单结砷化镓(GaAs)太阳电池只能吸收特定光谱范围的太阳光，其转换效率不高。若采用不同带隙宽度(Eg)的III—V族材料制备成多结砷化镓(G

3、aAs)太阳电池，并按Eg大小由上至下迭合起来，使其分别选择性地吸收和转换太阳光谱的不同子域，则可大幅度提高太阳电池的光电转换效率。理论计算表明：双结、三结、四结GaAs太阳电池的极限效率分别为30％、38％、41％。1上海交通大学博士学位论文摘要为此，本论文对空间用高效率多结叠层砷化镓(GaAs)太阳电池进行了全面深入的理论研究和优化设计，并最终成功得到了转换效率达25．08％的电池样品。其中，对叠层电池的GaInP2项电池、Ge底电池、隧道结，以及子电池间的电流匹配分别进行了细致的研究，取得了如下创新性成果：(1)在研究太阳电池光电转换机理的基础上，首次成功

4、建立了高效率GaInP2／GaAs／Ge三结叠层太阳电池的结构模型，以及由此得到的太阳电池优化结构，可由所编制的计算机程序，直接输入各子电池每一层的结构参数，同时得到电池的量子效率、反射光谱和I．V特性曲线，以及评价参数，极大地方便了对叠层电池的性能分析。该设计模型的建立，以及高效率GalnPE／GaAs／Ge三结叠层太阳电池的结构设计和理论研究，为今后高效太阳电池研究提供了行之有效的思路和良好的基础。(2)创造性提出场助收集效应的理论思想，即：采用P+．P。．n‘．n+结构代替p+-n结构，以解决GalnP2顶电池相对较薄，材料质量控制、界面层钝化困难的问题。

5、论文分析并指出材料中存在的缺陷和复合等是导致顶电池电流较低的主要原因。场助收集效应的建立，可起到如下作用：第一，降低n-GaInP2吸收层中的缺陷密度，从而增加少子载流子寿命；第二，扩展空间电荷区的宽度，增强光生载流子的场助收集；第三，正背面高低结的存在，可显著降低电池的表面复合。运用这一理论思想后得到的GalnP2项电池，电流密度由13．0mA／cm2增加到15．5mA／cm2，填充因子由O．76增加到O．83，转换效率达到14．26％(AM0，25。C，2x2cm2)；而由此得到的具有优化结构的GalnPE／GaAs叠层电池，效率亦达到23．82％(AM0，

6、250C，2x2cmz)。(3)作为本论文又一突出成果，我们对异质材料界面特性进行了深入的研究。叠层电池的设计和制作中，必须选用不同材料作为各功能层，但若界’上海交通大学博士学位论文摘要面控制不好，将在外延层中产生大量晶体缺陷，成为复合中心或形成旁路，显著降低电池性能。由于本论文所设计的叠层电池的电流是经过AIlnP2窗12层后被金属电极收集的，则AIlnP2的方块电阻和AIlnP2／GalnP2晃面的复合隋况将对GalnP2电池的填充因子和电流密度产生直接影响。对具有不同窗口层材料的pn和np结构GalnP2项电池的研究结果表明：第一，AIlnP2／GalnP

7、2界面复合速率较低；第二，对于pn结构，如果P型A1InP2掺杂浓度低于10盯cm一，p-AllnP2／p+GalnP2会形成活性结，开路电压显著增加，填充因子FF显著下降；第三，对于np结构，如果n．AIlnP2掺杂浓度低于1017cm一，Jsc显著下降，而FF则显著增加。另一方面，由于Ge与GaAs的晶格常数和热涨系数不同，外延界面常观察到反相畴和位错等大量缺陷；此外，GaAs／Ge界面的互扩散现象，也是长期以来影响电池性能的主要问题。Ge向外扩散到GaAs中作为n型掺杂剂，一严重时甚至将破坏p／n结。由此，本论文提出如下措施，并成功缓解了上述存在问题：(a

8、)选择适当晶向的衬底，优