高效三结GaInP/GaAs/Ge太阳电池研究

摘要

高效三结GaAs太阳电池，是一种Ⅲ-V族化合物半导体光电转换器件。与目前广泛使用的硅太阳电池相比，具有更高的光电转换效率、更强的抗辐照能力、更好的耐高温性能，是目前世界上最具竞争力的新一代太阳电池，正在航天领域逐步得到广泛应用。它是我国航天飞行器急需的高性能长寿命通用化空间主电源。 本文首先结合理论基础，采用AMPS软件结合相关试验参数建立III/V族的AlxGa1-xAs类太阳电池中渐变带隙结构模型，对其电子寿命、空穴寿命、总的光生载流子产额等参数进行了模拟分析，得出带隙的渐变结构对载流子实际产生、收集等情况有着多方面的调制作用的结论，确定渐变带隙在太阳电池中的构造区域和幅度，以及对应吸收的光谱范围和光通量为影响太阳电池效率的主导因素，获得了25.2％效率的渐变带隙砷化镓太阳电池。通过二次离子质谱（SIMS）测试，证明了本研究研制的电池具有渐变带隙结构。这为以后研制高效电池提供了一个全新的电池结构思路。 其次对高效三结GaInP2/GaAs/Ge太阳电池工艺的改进，具体包括以下四个方面： （1）Ge底电池窗口层材料的选择、结构设计与成功实现，可有效降低界面复合速度，改善Ge底电池光谱响应。 （2）中电池采用与Ge晶格匹配更好的InxGa1-xAs材料，可显著降低复合、提高少子寿命，同时可提高太阳光中波段部分的利用，最终得到更高Jsc。 （3）具有场助收集效应n+-n-/p--p+结构的设计与应用，可有效解决GaInP2材料少子寿命较短、致使顶电池光电流较低的问题。同时适当增加顶电池基区厚度，改善子电池间电流的匹配，可使GaInP2顶电池短路电流密度Jsc显著提高。 （4）隧穿结,采用宽禁带材料AlGaAs/GaAs或AlGaAs/GaInP2，同时降低厚度、提高浓度，可成功获得更高隧穿电流。 这四个方面在在GaInP2/GaAs/Ge三结叠层太阳电池中的实施，可显著提高短路电流密度，使Jsc达到16.59mA/cm2，电池的光电转换效率也相应提高，效率达到26.4％（AM0，25℃）。 最后进行三结GaInP2/GaAs/Ge太阳电池抗辐射加固设计，本工作以低轨道5～8年寿命要求为标准，对三结GaInP2/GaAs/Ge太阳电池及其顶、中子电池进行室温下1MeV、1×1015e/cm2的电子辐照，并在80℃下，退火10小时。 对于顶电池，为获得以更好的耐辐照性能，（1）采用具有场助收集效应的n+-n-/p--p+结构取代常规n/p结构，达到获得更高的光电流，降低电池辐射损伤程度的双重目的；（2）基区选择掺杂浓度～1016cm-3、厚度0.55～0.8μm，以获得较高开路电压和合适的光电流，以及较低的辐射效率衰减；（3）高掺较薄的发射区，应选择1018～1019 cm-3的掺杂浓度。对于中电池的基区，其厚度选择为～3μm，此时的效率辐照衰减率小于22％。将上述改进措施应用于三结GaInP2/GaAs/Ge太阳电池后，辐照效率衰减率为21.42％。