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1、热壁外延(热壁外延(HWEHWE)在导电玻璃上生长)在导电玻璃上生长 GaAsGaAs 薄膜薄膜引引 言 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
2、本为1.45 元/kWh,与昆明市电价 0.4 元/kWh 相比,成本仍然过高,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 1 薄膜太阳电池的现状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
3、较为复杂,成品率不很高 。CdS/CdTe 薄膜太阳电池效率最高的是采用近距离升华(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 2 光伏电池所面临的问题和提出的解决方案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
4、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,5m 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
5、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攻关。 3 GaAs/Glass3 GaAs/Glass 的利用前景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,- 族材料的串连结构如In0.5Ga0.5P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- 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
6、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- 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- 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 HWE4 HWE 生长生长 GaAsGaAs 薄膜的意义薄膜的意义目前,国外采
7、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1988 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,适合作为太阳电池的衬底材料。 加之这种方法最大的优点是,设备简单、 稳定性高、 操作简便,在较低的温度下就可以生长得到 GaAs 薄膜。这样,较之其它方法来看,利用 HWE 来生长GaAs 薄膜更有利于降低整个太阳电池的成本。 因此有望成为今后高效、 廉价太阳电池材料的候选材料,具有很好的发展前景。
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