热壁外延HWE在导电玻璃上生长GaAs薄膜

1、热壁外延HWE在导电玻璃上生长GaAs薄膜引言目前，太阳电池应用最大的障碍就是成本高，世界商品 化生产的太阳电池主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅电池。其 中非晶硅电池成本较低，但功率衰减严重，性能不够稳定， 至今未能很好解决。单晶硅和多晶硅电池的转换效率高、性 能稳定、工艺比较成熟，但因所用的单晶硅和多晶硅均为间 接带隙材料，对光的吸收系数较低，需要较大的厚度才能有 效吸收太阳光， 材料的费用相对较高， 成本难以大幅度降低。以国产单晶硅太阳电池在昆明地区 （太阳能辐射资源中偏上）发电为例，按系统价45元/Wp计算，寿命20年，其发电成本为1.45元/kWh，与昆明市电价0.4元/kWh相比， 成本

2、仍然过高，加之建成太阳能发电站的初期投资大，这便 成为地面推广应用的巨大障碍。本文主要阐述GaAs薄膜太阳电池的利用前景和利用HWE方法在导电玻璃上生长GaAs薄膜取得的成果。1薄膜太阳电池的现状国 际 上 目 前 相 对 成 熟 的 多 晶 薄 膜 太 阳 电 池 主 要 有CdS/CulnSe2和CdS/CdTe薄膜太阳电池。其中前者的实验室光电转换效率达18%，后者的转换效率达16%1。目前均有 小规模的实验生产。 商品太阳电池的效率一般为8%10%。Cds/CulnSe2薄膜太阳电池一般采用多元真空蒸发工艺制 备， 工艺较为复杂，成品率不很高。CdS/CdTe薄膜太阳电池 效率最高的是

3、采用近距离升华(close-spaced sublimation) 法制备2，该太阳电池存在的主要问题是大规模采用后，Cd的环境污染需要解决。2光伏电池所面临的问题和提出的解决方案 低成本、长寿命光伏电池需解决的关键科学问题：首先 是研制能稳定获得高效率且低成本的半导体材料；其次，能 用低成本的工艺路线生产这种光伏电池。 经研究， 我们认为： 单晶和多晶薄膜GaAs材料加上低成本的光伏电池生产工艺 路线能满足这两点要求，这是由于：a) GaAs的禁带宽度在1.424ev(300k)3，能与太阳光较好地匹配，相应也就有好的高温工作特性和高的光电转换 效率(目前单晶GaAs太阳电池光电转换效率已达

4、到25%叠层太阳电池转换效率达30%)；b)GaAs为直接带隙跃迁半导体材料，吸收系数大，5艸 的厚度即可吸收95%以上的可利用太阳光，因而可以作为薄 膜太阳电池，大幅度降低材料成本。与目前的GaAs电池相 比，其材料成本可降低100倍；c)单晶或多晶GaAs薄膜电池，其抗辐照性能好、寿命 长，稳定性有可靠的保证。虽然GaAs材料的价格昂贵，但对于GaAs薄膜太阳电池，由于GaAs层很薄，所以需材料很少，价格并不高。例如制 成GaAs/Si叠层太阳电池，组件成本可大幅度下降，是一种 很有希望的廉价太阳电池。 美国能源部目前已经将高效GaAs叠层太阳电池列为地面应用太阳电池的关键技术之一来进 行

5、攻关。3 GaAs/Glass的利用前景 对于空间用太阳电池，要求其具有高的效率，轻的重量和高的抗辐射能力。为了获得高效率，川-V族材料的串连结构如lnO.5GaO.5P在GaAs或Ge衬底上生长的外延层已经 被采用。太阳电池用这些川-V族半导体材料比用Si半导体 材料有更好的抗辐射力。 为了进一步提高抗辐射能力使用时 必需在裸电池表面贴耐辐射的石英玻璃盖片。但总的结果将 大大增加太阳电池的总重量。空间用太阳电池现在已经达到商业应用阶段而不是初 期的科学或军用阶段。降低空间用太阳电池的成本就成了最 重要的问题。因此空间太阳电池除了上面所提及的要求外还 应该是低成本的。然而，目前的GaAs单晶半

6、导体材料是很 贵的。加之，很厚的衬底通常对于光伏效应是多余的，因为 川-V族半导体对太阳辐射波长有相对高的吸收系数，几微 米的厚度对一个太阳电池就足够了。直接在掺铈的耐辐射的石英玻璃盖片上生长川-V族半导体薄膜电池将有望实现所有的要求。 这也推进了下面的情 况：不使用造价高的半导体衬底；这种结构成减轻了所用太 阳电池的整体。此外，这种积成工艺会大大降低太阳电池板 成本。4 HWE生长GaAs薄膜的意义 目前，国外采用金属有机化学气相沉积（MOCVD、）液相外延（LPE）和分子束外延（MBE生长技术，已经在Si衬 底表面制成高质量单晶GaAs薄膜，采用多层结构可以进一 步提高转换效率，例如198

7、8年美国研制成的高效叠层多结 太阳电池，转换效率高达40%，德国夫朗和费实验室制作的 叠层GaAs/Si太阳电池光电转换效率已达到36%（AMO,300K）。 此外，利用化学束外延（CBE在低温条件下，已经可以在 玻璃衬底上生长GaAs多晶薄膜材料。云南师范大学太阳能研究所则利用热壁外延（HWE的方法在导电玻璃上直接生长GaAs薄膜。经电子探针（EPMA、X射线衍射（XRD）、Raman散射光谱（RSS和荧光光谱（PL） 分析其结构特性、电学特性和光学特性，结果表明所制薄膜 表面致密均匀、呈绒面结构，晶粒尺寸较大。薄膜的衍射峰 符合标准光谱分布、半宽高仅为80nm为高质量结晶薄膜，因此采用HWE生长的GaAs薄膜有好的结构特征结晶质量