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用于太阳电池的化合物半导体材料冯良桓 四川大学 太阳能材料与器件研究所， 成都 6 10064 摘要：本文简要地介绍可用于太阳电池的化合物半导体材料的特点，以及化合物半导体太阳 电池的研究进展。评述了铟、碲等元素的储量和碲化镉太阳电池生产及使用中的环境问题。 关键词: 太阳电池，化合物半导体、砷化镓、碲化镉、铜铟硒、 1、前言 自上世纪50 年代世界第一个太阳电池——单晶硅太阳电池诞生以来，硅太阳电池的技 术越来越成熟。不仅晶体硅太阳电池一直保持着市场的主导地位，非晶硅薄膜太阳电池自张 世纪 80 年代进入市场以来，也占据着一定的份额。但是，化合物半导体太阳电池的研究与 开发一直受到关注。 与化合物半导体相比，元素半导体仅有五种：锗、硅、碳、硒、碲。碳在一些特定的情 况下是宽带隙半导体，适合于制备高温半导体器件。表 1 列出了四种常规元素半导体的性质 [1]。其中，只有硅是优良的太阳电池材料。 表 1 元素半导体的性质与结构 名称 分子式 能隙宽度，eV 结构 密度，g/cm3 熔点，℃ 导电类型 锗 Ge 0.66, 间接能隙 金刚石 5.32 937.2 n,p 硅 Si 1.11, 间接能隙 金刚石 2.33 14 14 n,p 硒 Se 1.77 六角 4.28 2 17 p 碲 Te 0.32 六角 6.24 449.5 p 化合物半导体的数量比元素半导体多得多。二元系半导体的能隙宽度变化范围大。其中 一些，如砷化镓、锑化铝、磷化铟、碲化镉的能隙与太阳光的匹配好，制备成同质结太阳电 池的理论转换效率高，是很有前景的光伏材料。图 1 给出了一些半导体太阳电池的理论转换 效率[2]。 图 1 一些半导体太阳电池的理论转换效率。 三元系又能在较大范围内调制能隙宽度。因此，化合物太阳电池的特点是形成异质结； 通过能隙的调制，而可能与太阳光有更好的匹配，既扩展了光谱响应范围，也有很好的结特 性。在取得高转换效率上具有明显的优势。目前，一些化合物半导体已成为光伏研究的热点， 而有的还未引起人们的注意。另一方面，作为太阳电池材料的化合物半导体薄膜几乎都是多 1 晶薄膜。晶粒结构和化学组分两方面的复杂性，既造成研究开发的难度，也带来许多饶有兴 味的课题。于是，形成了目前这样的局面：一方面，化合物半导体薄膜太阳电池的突出优势 让人们努力实施其产业化；而另一方面，又有不少深层次的基础性问题还需要解决。 本文拟从介绍化合物半导体的性质出发，评述它们用于太阳电池的前景。 2. 化合物半导体的基本性质 本节将分别介绍几类化合物半导体。 2.1. Ⅲ- Ⅴ化合物半导体 常见的Ⅲ- Ⅴ化合物半导体的性质见表 2[1] 。其中，从能带宽度可以大体判断，适合于 作太阳电池的是砷化镓、锑化铝、磷化铟。 表 2 Ⅲ- Ⅴ化合物半导体的性质。 名称 分子式 能隙宽度，eV 结构 密度，g/cm3 熔点，℃ 导电类型 磷化铝 AlP 2.45, 间接能隙 闪锌矿 2.77 2000 n,p 砷化铝 AlAs 2.36, 间接能隙 闪锌矿 3.79 1600 n,p 锑化铝 AlSb 1.65, 间接能隙 闪锌矿 4.15 1050 n,p 磷化镓 GaP 2.26, 间接能隙 闪锌矿 4.14 1465 n,p 砷化镓 GaAs 1.42, 直接能隙 闪锌矿 5.40 1238 n,p 锑化镓 GaSb 0.72,