V族化合物太阳电池太阳能电池.pptx

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以GaAs为代表的lll-V族化合物材料有许多优点,例如。它们大多具有直接带隙的能带结构,光吸收系数大,还具有良好的抗辐射性能和较小的温度系数,因而GaAs材料特别适合于制备高效率、空间用太阳电池。GaAS太阳电池,无论是单结电池还是多结叠层电池所获得的转换效率都是至今所有种类太阳电池中最高的(见表1)。2006年底,美国Spectrolab公司(光谱实验室)%的三结聚光GalnP/GaInAs/Ge叠层太阳电池。2009年1月16日德国弗朗和费太阳能研究所宣布,%的GalnP/GaInAs/Ge叠层太阳电池。%的太阳电池的照片,--V曲线。
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第一节llll-V族化合物材料及太阳电池的特点
lll一V族化合物半导体材料中最具代表性的是GaAs材料。GaAs材料的研究始于20世纪50年代。60年代初,发现GaAs具有独特的发光特性,并研制出了GaAs红外激光器。60年代末,国外开始了GaAs太阳电池的研究。由于GaAs
材料具有许多优良的性质,GaAs太阳电池的效率提高很快,迅速超过了其他各种材料制备的太阳电池的效率。几十年来,随着光电子技术产业的迅速发展,GaAs材料和器件的研究已日趋成熟。本小节将介绍GaAs材料和GaAs太阳电
池的性质和特点。
GaAs是一种典型的lll一V族化合物半导体材料。GaAs的晶格结构与硅相似,属于闪锌矿晶体结构;与硅不同的是,Ga原子和As原子交替地占位于沿体对角线位移1/4(111)的各个面心立方的格点上。与Si材料相比较,GaAs材料具有以下优点:
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(1)GaAs具有直接带隙能带结构,其带隙宽度Eg=(300K),处于太阳电池材料所要求的最佳带隙宽度范围。目前GaAs单结太阳电池以及与其他相关材料组成的叠层电池所获得的效率是所有类型太阳电池中最高的。
,。,无论是GaAs单结电池,还是GaInP/GaAs两结叠层电池,以及GalnP/GaAs/Ge三结叠层电池的效率都是所有种类太阳电池中最高的。而且只有GalnP/GaAs、两结叠层电池,以及GalnP/GaAs/Ge三结叠层电池的效率超过了30%。聚光GalnP/GaAs/%。
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(2)由于GaAs材料具有直接带隙结构,因而它的光吸收系数大。GaAs的光吸收系数,在光子能量超过其带隙宽度后,剧升到104cm-1以上,。经计算,当光子能量大于其Eg的太阳光进人GaAs后,仅经过1µm左右的厚度,其光强因本征吸收激发光生电子一空穴对便衰减到原值的1/e左右,这里e为自然对数的底,经过3µm以后,95%以上的这一光谱段的阳光已被GaAs吸收。所以,GaAs太阳电池的有源区厚度多选取在3µm左右。这一点与具有间接能带隙的Si材料不同。Si的光吸收系数在光子能量大于其带隙宽度(Eg=)后是缓慢上升的,在太阳光谱很强的可见光区域,它的
吸收系数都比GaAs的小一个数量级以上。因此,Si材料需要厚达数十甚至上百微米才能充分吸收太阳光,而GaAs太阳电池的有源层厚度只有3--5µm
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(3)GaAs基系太阳电池具有较强的抗辐照性能。辐照实验结果表明,经过1Mev高能电子辐照,即使其剂量达到1×1015cm-2之后,GaAs基系太阳电池的能量转换效率仍能保持原值的75%以上,而先进的高效空间Si太阳电池在经受同样辐照的条件下,其转换效率只能保持其原值的66%。对于高能质子辐照的情形,两者的差异尤为明显。以低地球轨道的商业卫星发射为例,对于初期效率分别为18%%的GaAs电池和Si电池,初始两效率之比为1:。然而经低地球轨道运行的质子辐照后,其终期效率(EOL效率)%%,。。,1×1015cm-2电子辐照后效率衰退与光吸收系数的关系曲线。,大多数lll一V族化合物太阳电池的抗辐照性能都好于Si太阳电池,抗辐照性能最好的是InP太阳电池。ll一Vl族化合物太阳电池,如CulnSe太阳电池的抗辐照性能超过了InP太阳电池,是抗辐照性能最好的太阳电池。
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