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GaAs基多结太阳能电池高效性的研究 摘要：人们使用的传统能源化石燃料是不可再生并影响环境。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。它具有清洁、可再生、地域广等特点而受到了广泛的关注，目前常用光伏电池一般硅电池，砷化镓作为一种新兴太阳电池材料虽然比硅贵，但其收集光子的效率更高。就性价比而言，砷化镓是制造太阳能电池的理想材料。砷化镓三结太阳电池以其高效率、长寿命、抗辐照高温性能好等优点在空间应用中占据着主导地位。 关键词 砷化镓太阳能电池高效性；多结叠层 1 砷化镓太阳能电池发展历程 1956年，Jenny等人在N—GaAs上扩散镉，首次研制成功砷化镓太阳能电池，但电池的转换效率只有6.5%左右。1962年，Gobat制成扩散锌的砷化镓P—N结太阳能电池，转换效率提高到11%。20世纪70年代，IBM公司和前苏联Ioffe技术物理所等为代表的研究单位，采用LPE(液相外延)技术引入GaAlAs异质窗口层，降低了GaAs表面的复合速率，使GaAs太阳电池的效率达16%。目前应用的三结砷化镓太阳电池主要为晶格匹配而带隙失配的GaInP(1.85eV)/In0.01Ga0.99As（1.40eV）/Ge（0.67eV）结构体系研究的空间用三结砷化镓太阳电池最高效率已超过30%（AMO），批产转换效率为29—29.5%（AMO）；在聚光条件下最高转换效率超过40%（AM1.5，500sun），批产转换效率为36—39%（AM1.5，500sun）。可预计其空间光谱下半经验理论效率约为31.9%。显然该电池实际效率值已非常接近理论极限。而三结砷化镓聚光电池实际转换效率尽管与理论效率52%还有一定差距，但由于受到电池工艺、串联电阻等因素的限制，进一步提升的空间也非常有限。因此一些研究机构开始开展带隙匹配的四结甚至五结、六结太阳电池研究。在材料选取方面主要有晶格匹配和晶格失配结构两种技术路线，并主要集中于空间应用的研究。 2砷化镓结构及光电性能 砷化镓属于Ⅲ－Ⅴ族化合物，是一种重要的半导体材料，化学式GaAs，分子量144.63，属闪锌矿型晶格结构，晶格常数5.65×10-10m，熔点1237℃。在300?K时，砷化镓材料禁带宽度为1.42?eV，如图1。 砷化镓在自然条件下的结晶态通常具有两种晶体结构：闪锌矿结构或正斜方晶结构。其中．正斜方晶结构的GaAs只能在高压下获得，闪锌矿结构是室温下GaAs的最稳定构型。闪锌矿的晶体构如图2所示。 闪锌矿的GaAs晶体结构属立方晶系F43m空间群，晶格常数a=O 56535nm．配位数Z=4。如图2所示的GaAs结构是立方面心格子，Ga2+位于立方面心的结点位置．As交错地分布于立方体内的l／8小立方体的中心，每个Ga2+周围有4个As与之成键．同样，每个As2-。周围有4个Ga2+，阴阳离子的配位数都是4。如果将As2-看成是作立方紧密堆积，则Ga2+充填于l／2的四面体空隙。而正斜方晶结构在高压下才能获得，在温度为300K时，随着压强的增加，GaAs发生从闪锌矿结构GaAs到正斜方晶GaAs．II的相变。 砷化镓是典型的直接跃迁型能带结构，其能带结构如图3所示。砷化镓的价带极大值位于布里渊区中心k＝O处；导带极小值也位于k＝0的逊，等能面为球面。在＜111＞和（100）方向布里渊区边界L和X处还各有一个极小值。室温下，DL和X三个极小值与价带顶的能量差分别为1.424?eV，1.708?eV和1.900eV。 对于直接带隙半导体材料，当入射光子能量；hv≥Eg时，能发生强烈的本征吸收。这就意味着进入材料内的光子很快会被吸收，电子吸收光子受到激发，直接竖直跃迁进入导带。这种电子的直接跃迁，跃迁几率相当高，因而直接带隙半导体材料具有较高的电光转换效率，适合于制作半导体发光及其他光电子器件，当然也为其成为性能优良的太阳能电池创造了条件。砷化镓的禁带宽度远大于锗的0.67?eV和硅的1.12?eV，因此，砷化镓器件可以工作在较高的温度下和承受较大的功率。 砷化镓（GaAs）材料与传统的硅半导体材料相比，它具电子迁移率高、禁带宽度大、直接带隙、消耗功率低等特性，电子迁移率约为硅材料的5.7倍。同时，也可加入其它元素改变其能带结构使其产生光电效应，从而制做砷化镓太阳能电池。此外，砷化镓的能隙与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，所以，与硅太阳电池相比，GaAs太阳电池具有较好的性能。[] 3砷化镓电池与硅光电池的比较 3.1砷化镓的优势 3.1.1光电转化率 砷化镓的禁带较硅为宽，使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好。目前，硅电池的理论效率大概为23％，而单结的砷化镓电池理论效率达到27％，而多结的砷化镓电池理论效率更超过50％。 根据Sunpower公司的理论