【文章內容簡介】 是德國的 TEMPO數字通信衛(wèi)星，采用 80 000片 GaAs/Ge電池 〔 (43 43)mm2/片 )組成三塊太陽電池陣列，電池效率為 %）。第二個例子是美國的兩次火星探測發(fā)射?！盎鹦堑乇硖綔y者” (MGS)兩翼共有四塊太陽電池陣列，其中，兩塊用 GaAs/Ge電池組成，兩塊用高效 Si電池組成。每塊太陽電池陣列面積為 ( )m2。電池效率 %， Si電池效率 15%?！盎鹦翘铰? 者” 1996年在火星上登陸，它的供電系統(tǒng)由三塊 GaAs/Ge電池陣列與可充電銀 /鋅電池組成，超過了預期工作壽命 (30天 )。由于火星灰塵在電池表面的積累，使電池效率每天下降 % 。 二、 GaAs基系多結疊層太陽電池 用單一材料成分制備的單結太陽電池效率的提高受到限制，這是因為太陽光譜的能量范圍很寬，分布在 4eV，而材料的禁帶寬度是一個固定值 Eg ，太陽光譜中能量小于Eg的光子不能被太陽電池吸收 。能量遠大于 Eg的光子雖被太陽電池吸收，激發(fā)出高能光生載流子，但這些高能光生載流子會很快弛豫到能帶邊，將能量大于 Eg的部分傳遞給晶格，變成熱能浪費掉了。解決這一問題的途徑是尋找能充分吸收太陽光譜的太陽電池結構，其中最有效的方法便是采用疊層電池。 疊層電池的原理是用具有不同帶隙 Eg的材料作成多個子太陽電池，然后把它們按 Eg的大小從寬至窄順序疊起來，組成一個串接式多結太陽電池 。其中第 i個子電池只吸收和轉換太陽光譜中與其帶隙寬度 Egi相匹配的波段的光子，也就是說，每個子電池吸收和轉換太陽光譜中不同波段的光，而疊層電池對太陽光譜的吸收和轉換等于各個子電池的吸收和轉換的總和。因此，疊層電池比單結電池能更充分地吸收和轉換太陽光，從而提高太陽電池的轉換效率。以三結疊層電池為例來說明疊層電池的工作原理，選取三種半導體材料，它們的帶隙分別 Eg Eg2和 Eg3，其中 Eg1Eg2Eg3，按順序、以串接的方式將這三種材料連續(xù)制備出 3個子電池，如是形成由這 3個子電池構成的疊層電池。帶隙 Eg1子電池在最上面 〔 稱為頂電池 )，帶隙為 Eg2的子電池在中間 (稱為中電池 )。帶隙為 Eg3的子電池在最下面 (稱為底電池 )。頂電池吸收和轉換太陽光譜中 hνEg1部分的光子，中電池吸收和轉換太陽光譜中 Eg1 hνEg2部分的光子，而底電池吸收和轉換太陽光譜中 Eg2 hνEg3部分的光子 。也就是說，太陽光譜被分成 3段，分別被 3個子電池吸收并轉換成電能。很顯然，這種三結疊層電池對太陽光的吸收和轉換比任何一個帶隙為 Eg1，或 Eg2，或 Eg3的單結電池有效得多 .因而它可大幅度地提高太陽電池的轉換效率。 根據疊層電池的原理，構成疊層電池的子電池的數目愈多，疊層電池可望達到的效率愈高。 Henry對疊層電池的效率與子電池的數目的關系進行了理論計算，在地面光譜， 1個光強的條件下，他計算出了 1個、 2個、 3個和36個子電池組成的單結和多結疊層電池的極限效率分別為 30%、 50%、56%和 72%。 從 Henry的計算結果看出，兩結疊層電池比單結電池的極限效率要高很多，而當子電池的數目繼續(xù)增加時，效率提高的幅度變緩，三結疊層電池比兩結疊層電池的極限效率只提高了 6%，而四結疊層電池的極限效率比三結疊層電池的極限效率只提高了 12%，另外，從實驗的角度考慮，制備四結，五結以上的疊層電池是十分困難的，各子電他材料的選擇和生長工藝都將變得非常復雜，這勢必影響到材料和器件的質量，因而給太陽電池的性能造成不利影響。這樣反而降低了太陽電池的轉換效率。因此，有人對于四結以上的多結疊層電池的實用性表示懷疑。實際上，目前三結疊層電池獲得的效率最高，由于工藝的復雜性，四結、五結和六結疊層電池的效率，目前反而都比三結疊層電池獲得的效率要低一些。 疊層電池按輸出方式可分為兩端器件、三端器件和四端器件，以兩結疊層電池為例來說明這幾種結構的區(qū)別。兩端器件是指疊層電池只有上、下兩個輸出端，即只有上電極和下電極，與單結電池的輸出方式相同，如圖 ()所示 。三端器件的意思是除了上、下兩個電極外，在兩個子電池之間還有一個中間電極，如圖 ，中間電極既是頂電池的下電極，也是底電池的上電極，頂電池通過上電極和中電極向外輸出電能，而底電池通過中電極和底電極向外輸出電能 。四端器件的意思是頂電池和底電池各有自己的上、下兩個電極。分別向外輸出電能，互不影響，如圖 (c)所示。兩端器件中的兩個子電池在光學和電學意義上都是串聯的，而三端器件和四端器件中的兩個子電池在光學意義上是串聯的，而在電學意義上是相互獨立的。三端器件和四端器件中的兩個子電池的極性不要求一致，可以不同 (如頂電池為 p/n結構，而底電池可以為 p/n結構，也可以是 n/p結構 )。此外，三端器件和四端器件對兩個子電池的電流和電壓沒有限制，計算疊層電池的效率時，先分別計算兩個子電池的效率，然后把兩個效率相加，便得到了疊層電池的總效率。 兩端器件中的兩個子電池屬于串聯連接，對其有許多限制。首先要求兩個子電池的極性相同，即都是 p/n結構或都是 n/p結構 。此外，要求兩個子電池的短路電流盡可能接近，這樣整個疊層電池才能獲得最大的短路電流，否則，短路電流幾將受子電池中最小的短路電流的限制，這就將影響疊層電池效率的提高。因為在串聯的兩端器件結構中，疊層電池的開路電壓 Voc等于各子電池的開路電壓之和。 兩端疊層電池器件，即單片多結疊層電池，雖然存在上述的一些限制，使它的制備工藝過程比單結電池復雜得多，但因為它能大幅度地提高太陽電池效率，而且它組成太陽電池組件的工藝過程簡單，與單結太陽電池組成太陽電池組件的工藝過程幾乎相同，因而受到廣泛重視，近十年來獲得了飛速的發(fā)展，成為 lllV族太陽電池研究和應用的主流。三端和四端的疊層電池器件，雖然對子電池的限制較少，也能獲得高效率，但因器件工藝復雜，而且在實際應用中需要復雜的外電路，通過各種串，并聯實現電壓和電流的匹配，因此實用價值較差、近年來對這類疊層電池器件的研究報道已不多。我們將重點介紹單片多結疊層電池的研究歷史和發(fā)展現狀。 AIGaAs/GaAs疊層電池 在前面已經介紹過，在 GaAs單結太陽電池的研究過程中，應用 AIGaAs作為 GaAs太陽電池的窗口層材料，對 GaAs單結太陽電池效率的提高起到了重要作用。因而人們在開始研究疊層電池時，自然首先想到應用 AIGaAs作為與 GaAs太陽電池相匹配的頂電池材料，因而 AIGaAs/GaAs系列結構是最早進行研究的疊層電池結構。 1988年， MOCVD技術生長了 AIGaAs/GaAs雙結疊層電池，其 AM0和 %和 %，電池面積為 。他們遇到的困難首先是如何生長高質量的AIGaAs層，其次是如何實現上下電池之間的電學串聯連接。他們未能實現隧道結連接，而是采用了復雜的電極制作工藝。正由于這些困難的存在，以后長期沒有人在這個方向取得新的進展。 日本 NTT電子通訊實驗室采用 MBE技術研制隧道結連接的，獲得了成功。 1987年他們研制的。此后的十幾年，相關報道很少。直到 2022年，他們采用 MOCVD技術。 他們采用 ppnn結構的 ，和 n++GaAs隧道結連接頂電池和 pn結構的 GaAs底電池，研制出了效率達到 %的疊層電池。 2022年 Ken Takahashi等又報道了新的研究結果，他們在 AlxGa1xAs頂電池的生長過程中采用 Se代替 Si作為 n型摻雜劑，提高 AlxGa1xAs層的少子壽命 .因而提高了 AlxGa1xAs頂電池的短路電流密度 Jsc。此外，他們又采用 GaAs隧道結連接頂電池和底電池，只是用 C代替 Zn作為 p型摻雜劑，減少了隧道結內部 P型雜質的擴散，提高了隧道結的峰值電流密度，因而減小了隧道結的電學損失。經過這些改進， Ken Takahashi等研制的 AlxGa1xAs/GaAs疊層電池的效率提高到 %(， 25℃ )，這是迄今為止AIGaAs/GaAs疊層電池的最高效率。圖 4. 14示出了效率為 28. 85%的疊層電池結構。但是 Ken Takahashi等承認，與 InGaP/GaAs疊層電池結構相比較而言， AIGaAs/GaAs的界面復合速率要高許多，這導致 AIGaAS/ GaAs疊層電池的短路電流密度比 InGaP/GaAs疊層電池的小。效率為 2 8 .85% AIGaAS/ GaAs疊層電池的短路電流密度為 ，而高效率InGaP/GaAs疊層電池的短路電流密度都大于 14mA/cm2。這一不足是影響AIGaAS/ GaAs疊層電池效率提高的主要障礙。 GaInP/GaAs疊層電池 美國國家可再生能源實驗室 (NREL)的 20世紀 80年代末提出了一種新的疊層電池結構， Ga1xInxP/GaAs疊層電池結構。 GaAs材料晶格匹配的材料。 ，根據光致發(fā)光衰減時間常數推算， ，約為。而 (上限 )分別為 200cm/s和 900 cm/s。顯然， 好。 ，這可能是由于 GaInP/GaAs界面比較清潔，而AlGaAs/GaAs界面可能受到與氧有關的深能級的沾污的結果。同時， 關系進行了細致的研究，指出在同樣組分條件下， Eg可以在 1. 82ev到 ，取決于結構的有序程度。 在這些工作的基礎之上，他們研制出了創(chuàng)記錄的 GalnP/GaAs疊層電池。 1 9 90年，他們報道，在 p型 GaAs襯底上生長出了小面積()的高效 ，其 AMI .5效率達%。器件用 MOCVD技術生長，上下電池之間實現了高電導的GaAs隧道結連接。 MOCVD設備是他們自己組裝的， lll族源采用三甲基銦 (TMIn)、三甲基稼 (TMGa) ,三甲基鋁（ TMAl）； V族源采用磷烷(PH3)和砷烷 〔 As H3)。摻雜劑是二乙基鋅 (DEZn)和硒化氫 (H2Se)。襯底托為包 SiC的石墨托，垂直向上，采用高頻感應加熱，反應溫度大約 7000C。生長磷化物時 V/lll=30，生長速率為 80100nm/min 。而生長GaAs隧道結時，生長速率為 40nm/min。上下電池的基區(qū)均為 p型，摻Zn，濃度為 1017至 4 1017cm3，發(fā)射區(qū)和窗口層為 n型，摻 Se，濃度約 1018cm3，而隧道結摻雜濃度近 1019cm3。上下電極接觸均為鍍 Au、柵線面積大約占全面積 5%?？狗瓷鋵訛?MF2/ZnS，層厚分別為 1 20 nm和 60nm。 他們還用白光光電流法研究了 ，發(fā)現少子擴散長度對生長溫度和 V/lll比不敏感，但密切依賴于 失配度，尤其是其伸張應力，使光電流值明顯下降。上電池用 AlInP層作為窗口層，改善了電池的蘭光響應和短路電流。經計算分析，他們認為上電池偏厚，上下電池的電流不夠匹配。 1994年 , 一步改進的結果。同樣面積的 ，其 AM0效率分別達到 %和 %。電池的結構和 IV曲線如圖 15所示。值得注意的是，考慮到 AM0含有更多的紫外成分，AM0效率最佳的電池結構與 ，僅僅是將上電池基區(qū)的厚度從 181。m減小到 。電池結構的改進，首先是采用了背場結構 (BSF)。對于 GaAs底電池，背場為 GalnP，p型摻雜濃度為 3 1017cm3，并且指出，如果降低此濃度將影響開路電壓。對于 GaInP頂電池，其背場也是采用 GalnP ，但具有較寬的帶隙 Eg=。這一層的組分也是 ，以保持晶格與GaAs匹配。帶寬的增加是控制生長速率或生長溫度的結果，這得益于Olson等對 GaInP層帶寬對生長速率和溫度之關系的長期細致的研究。第二點改進，是有關柵線的設計，從所占面積 5%降為 %，而不影響電池的填充因子，這是由于疊層電池的光電流密度近乎減半，同時發(fā)射極的薄層電阻又減小到 420Ω/口的緣故。第三點改進是，降低了窗口層AlInP中的氧含量，將磷烷純化或用乙硅烷取代硒化氫作摻雜劑。第四點改進是在隧道結生長過程中減少了摻雜記憶效應，用 SeC取