材料的光电特性.pptx

材料的光电特性 光电效应历史 光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现 对发展量子理论起了根本性作用 1887年 首先是赫兹 M Hertz 在证明波动理论实验中首次发现的 当时 赫兹发现 两个锌质小球之一用紫外线照射 则在两个小球之间就非常容易跳过电花 大约1900年 马克思 布兰科 MaxPlanck 对光电效应作出最初解释 并引出了光具有的能量包裹式能量 quantised 这一理论 他给这一理论归咎成一个等式 也就是E hf E就是光所具有的 包裹式 能量 h是一个常数 统称布兰科常数 Planck sconstant 而f就是光源的频率 也就是说 光能的强弱是有其频率而决定的 但就是布兰科自己对于光线是包裹式的说法也不太肯定 1902年 勒纳 Lenard 也对其进行了研究 指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象 但无法根据当时的理论加以解释 1905年 爱因斯坦26岁时提出光子假设 成功解释了光电效应 因此获得1921年诺贝尔物理奖 他进一步推广了布兰科的理论 并导出公式 Ek hf W W便是所需将电子从金属表面上自由化的能量 而Ek呢就是电子自由后具有的势能 光电效应 光电效应是指在光照照射后释放电子的效应 发射出来的电子叫做光电子 光电效应是光与材料的核外电子之间的相互作用 只有当入射光的频率高于材料的极限频率时 材料才会发射光电子 产生光电子 光电效应是瞬时效应 一经光线照射 立刻产生光电子 光电效应原理图 光电材料 光电材料是指用于制造各种光电设备 主要包括各种主 被动光电传感器光信息处理和存储装置及光通信等 的材料 主要包括红外材料 激光材料 光纤材料 光电显示材料 非线性光学材料等 太阳能电池 太阳能电池是将光能转化为电能的半导体装置 太阳能的核心 pn结是将很薄的n型层 称为发射极 配置在入射光的外侧而将主要产生光电流的p层 称为基极 配置在内侧的Pn结二极管 太阳能电池产生光生电动势的一个基本条件是 产生光电流的载流子浓度增加 半导体的电导率增加 太阳光辐射主要是以可见光为中心 分布于0 3微米至几微米光谱范围 对应光子能量0 4eV 4eV之间 总体来说 理想太阳能电池材料需要具备 能带在1 1eV 1 7eV之间 对应光波长范围0 73 1 13 m 直接能带半导体组成材料无毒性可利用薄膜沉积技术且可大面积制备有良好的光电转换效率具有长期稳定性 GaAs太阳能电池 GaAs是典型的III V族化合物半导体材料 具有直接能带隙 带隙宽度为1 42eV 300K 可以良好的吸收太阳光 因此 是很理想的太阳能电池材料 GaAs太阳能电池的特点 a 光电转换效率高b 可制成薄膜和超薄型太阳电池c 耐高温性能好d 抗辐射性能好e 可制成效率更高的多结叠层太阳电池 GaAs同质结太阳能电池 60年代A Gobat等人首次采用扩散法制备出原理与硅太阳能电池相类似的GaAs太阳能电池 其转换效率只有不到10 到了70 80年代 采用液相外延技术 LPE 制备的GaAs GaAs太阳能电池最高效率已达到21 当时有多家公司能够实现效率在18 左右的GaAs GaAs太阳能电池量产 如美国休斯公司 日本三菱公司等 当时主要采用的都是LPE技术 而LPE技术研制太阳能电池时存在GaAs材料表面复合速率高 多层复杂结构的生长难以实现和外延层参数难以精确控制等问题 限制了GaAs太阳能电池性能的进一步提高 由于GaAs同质结材料存在密度大 机械强度差 价格贵等缺点 又使GaAs太阳能电池的空间应用受到限制 这些问题促使人们寻找新的方法研制GaAs太阳能电池 GaAs Ge异质结太阳能电池 图1GaAs Ge单结太阳能电池结构示意图 图为GaAs Ge单结太阳能电池结构示意图 GaAs Ge的特点是保持GaAs GaAs太阳能电池的高效率 抗辐射性和耐高温性的优点 同时又由于Ge的机械强度高不易破碎 因而增加了电池的实用性 且Ge单晶的价格只有GaAs的30 大大降低了GaAs太阳能电池的成本 而MOCVD技术生长的太阳能电池外延片表面平整 各层厚度均匀 浓度准确可控 制备的GaAs太阳能电池性能也有了明显改进 进一步提高了电池的效率 因此到了20世纪90年代 Ge衬底上异质外延的技术得以进一步发展成熟 很快便替代GaAs GaAs太阳能电池 GaAs太阳电池国内技术进展 70年代中期至90年代中期 国内均采用LPE技术研制GaAs电池 这种方法设备简单 毒性小 外延层质量较高 但GaAs的表面复合速率较高 多层复杂结构的生长和厚度的精确控制难以实现 单结GaAs GaAs电池效率已从14 提高至20 电池面积从1cm 1cm提高至2cm 4cm 从单片研制发展到50 100片 炉 已达到空间实用化水平 90年代中期 国内开始采用MOCVD技术研制GaAs电池 九五 期间主要研制单结GaAs电池 其中单结GaAs GaAs电池最高效率达到21 AM0 单结GaAs Ge电池达到20 AM0 十五 初期 单结GaAs Ge电池进入批产 批产平均效率达到18 5 19 0 AM0 同时开始采用MOCVD技术研制多结GaAs电池 目前双结GaInP GaAs电池最高效率已达到23 5 AM0 三结GaInP GaAs Ge电池的研究处于起步状态 在1990年9月发射的FY21B星上 进行了4W组合件的电功率输出试验 试验用54片太阳电池 2并 27串组合件 直接安装在卫星的太阳帆板上 与其处于同一工作状态 经分析计算遥测数据 得到在空间标准条件下组合件输出功率为4 17W 最大为4 5W 对应的光电转换效率为16 37 最大为17 61 在轨运行期间 组合件性能稳定 工作正常 2001年1月发射的 神舟3号 飞船和2002年5月发射的 海洋21 卫星上 进行了单结GaAs电池的搭载试验 十五 末期 国内将在各种卫星上大规模应用单结GaAs Ge电池 GaAs太阳电池国内现状 一是制备费用高居不下 据文献报道 砷化镓晶片的制备费用约为10000 m2 比常规的硅晶电池相比高出不少二是砷化镓的另一个组分砷有毒 对于环境安全和生产工人自身身体安全都是一个不小的威胁 在没有得到有力技术保证的前提下 一般的企业也不愿往这方面投产 第三 目前的砷化镓电池由于自身物理因素的限制 脆性 一般制成带衬底的薄膜电池 需要构造隧道结和防止形成寄生的p n结 这增加了技术的难度 第四 由于砷化镓电池的高转化率 常把其制成高聚光电池 当然 这一方面可以缩小耗材 对于降低成本有利 但是也存在需要追日跟踪系统的问题 而且由于各地区的日照条件不一样据了解 目前对追日跟踪系统的要求也不一样 也增加系统的复杂度和实施的难度 第五 国内市场这几年的注意力都集中在多晶硅市场 而且是进行的是一种90 以上原料依赖进口 90 以上产品依赖出口的一种模式 没有把注意力集中到本土化光伏发电推广 长此以往 整个光伏产业会缺乏动力需求 这对砷化镓电池产业的发展来说也是不利的 第六 对于产业化来说 民众认可是很重要的 这些年来 对于砷化镓光伏电池 民众认知度不够 媒介和研究机构的宣传推广工作有些不力 第七是国家政策 政府政策支持在光伏产业方面比较宏观 目前还没有做到对光伏电池行业进行分类别对待 支持产业发展 在成本竞争不具备优势的情况下 政策支持的不力使砷化镓产业化推进缓慢 以上这些原因的综合出现 对砷化镓电池产业的发展造成了障碍 GaAs太阳电池的前景 高效率多结GaAs太阳电池改进多结GaAs太阳电池的结构和制备工艺 提高电池的光电转换效率 三结Ga0 5In0 5P GaAs Ge太阳电池突破32 四结GaAs太阳电池突破35 扩大批产能力 年产量大于10MW 大幅提高空间太阳电池方阵的面积比功率 质量比功率和应用寿命 降低太阳电池阵的成本 Si和GaAs电池性能和成本的比较如表2所示 GaAs电池质量大 费用高 利用GaAs材料对阳光吸收系数大的特点 可制成薄膜型 厚度5 10 m 就空间应用而言 薄膜化可大大减轻太阳方阵质量 从而提高电池的质量比功率 由120W kg提高到600W kg以上 80 90年代 GaAs薄膜电池的最高效率虽已达到22 但由于制备技术难度很大 且大面积薄膜的移植和组装非常困难 因此 其空间应用受到较大的限制 随着大面积GaAs薄膜电池的均匀性 剥离 移植 组装及配套柔性帆板等方面研究的深入 预期在未来5 10a内 高效率大面积GaAs薄膜电池逐步应用于空间 GaAs薄膜太阳电池 聚光太阳电池 采用聚光器是目前空间光伏界的趋势之一 空间聚光阵列具有更高的抗辐射性能 更低的费用和更高的效率 并可减少电池批产的资金投入 多结GaAs太阳电池因其高效率 高电压 低电流 和高温特性好等优点 而被广泛用于聚光系统 目前高效率三结Ga0 5In0 5P GaAs Ge聚光电池的最高效率已达到34 AM1 5 210太阳常数 批产效率已达到28 AM1 5 100 300太阳常数 聚光太阳电池大部分用于地面系统 空间应用的进展缓慢 主要的难题是对日跟踪机构非常复杂 空间散热非常困难