鍺在空間太陽能電池中的應(yīng)用

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1、鍺在空間太陽能電池中的應(yīng)用胡國元韓兆忠北京有色金屬研究總院,北京,100088)摘要：用鍺作為襯底制作的GaAs/Ge太陽艙電池,其性能與G.As/GaA,電池接近,機(jī)械強度更高,單片電池面積更大.在空間應(yīng)用環(huán)境下,杭輻封閨值比硅電池高,性能衰退小,其應(yīng)用成本接近于同樣功率的硅電池板,已應(yīng)用于各型軍用衛(wèi)星和部分商業(yè)衛(wèi)星中,逐步成為主要的空間電源。關(guān)鍵詞：鍺太陽能電池應(yīng)用1引言經(jīng)過40多年的發(fā)展,太陽能電池已被證明是各類航天器的非常有效的電源,研究和應(yīng)用較多的有Si,GaAs,GaAs多結(jié),I.P,CIS(C.InSe2

2、)和CdTe電池.直到8.年代,硅太陽能電池因其技術(shù)成熟,性能穩(wěn)定,一直是主要的空間電源.通過IBM最初的嘗試和休斯公司,林肯實驗室等的努力,人們逐漸認(rèn)識到GaAs太陽能電池是空間電源的新的發(fā)展方向.從80年代初開始,美國空軍資助的MANTECH計劃和應(yīng)用太陽能公司的研究表明,GaAs太陽能電池具有良好的應(yīng)用特性W進(jìn)步的研究證明了在Ge襯底上異質(zhì)外延GaAs制成的GaAs/Ge電池具備同樣的特性.InP電池具有優(yōu)秀的抗輻射能力,但目前制造成本太高.CIS和CdTe薄膜電池轉(zhuǎn)換效率低,僅用于一些特殊要求的電池板.Si電池

3、技術(shù)繼續(xù)發(fā)展,轉(zhuǎn)換效率達(dá)15緯甚至接近18%,但其抗輻射能力差使其應(yīng)用受限,Si電池將更多地應(yīng)用于低溫低照度條件.nGaAsorGs2GaAs/Ge電池的結(jié)構(gòu)GaAs太陽能電池的結(jié)構(gòu)如圖I所示[z],主要包含GaAs緩沖層,n型GaAs基極,P型GaAs發(fā)射極和AIG.A.窗口,襯底采用GaAs或Ge片.電池的制備方法早期多采用液相外延.現(xiàn)在基本上采用MOCVD法,亦稱為MOVPE方法.因為鍺比砷化稼機(jī)械強度高,解理性小,又易得到大尺寸的高質(zhì)量單晶,用鍺取代砷化稼作為太陽電池的襯底,可以生產(chǎn)出較薄的襯底片,減輕電池重量

4、,降低生產(chǎn)成本,增大單片電池面積,目前已大量應(yīng)用.BACKCONTACT一一圖IGaAs太陽電池結(jié)構(gòu)FigIGaAssolarcellstructure鍺襯底片選擇偏向1-60的(100)鍺單晶,厚度一般為200.m,電阻率..005^-0.4Dcm,晶格完整性盡可能好.在Ge襯底上進(jìn)行GaA,異質(zhì)外延有兩個主要問題,一是晶格缺陷,另一個是反相疇.襯底晶向的偏離可以避免進(jìn)行GaAs異質(zhì)外延過w中出現(xiàn)反相疇現(xiàn)象(APBs),同時減輕由于晶格常數(shù)差異引起的外延層中的缺陷,抑制Ga的反擴(kuò)散C2-q.在CVD異質(zhì)外延中采用負(fù)壓

5、大流量工藝和合適的m/V比有助于抑制外延層中位錯和層錯的產(chǎn)生,冷卻速度也對位錯密度產(chǎn)生影響Cs-tl.用等離子氫飩化處理襯底可以降低位錯活性,減輕其對太陽電池性能的影響[s.7Bongers等人嘗試在鍺襯底上外延InGaAs作為對GaAs晶格失配的過度層.of,在外延層上位錯密度與襯底相比保持不變.雙結(jié)和三結(jié)電池的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2,底層電池的禁帶寬度較窄,能吸收較長波長的光,從而提高電池效率.在電池級間采用重?fù)u雜的隧道結(jié)進(jìn)行歐姆接觸,可以避免產(chǎn)生整流效應(yīng).3GaAs/Ge電池與硅電池的性能比較1991年以前生產(chǎn)的GaA

6、s電池尺寸為8c.2,以后電池的尺寸逐漸增大到16c.',36c.',現(xiàn)在可生產(chǎn)50.60cm2的GaAs/Ge電池,厚度減小到200140mm,只有其它半導(dǎo)體器件襯底厚度的一半.電池轉(zhuǎn)換效率從1985年的17%增加到"寫(AMO,25"C),比硅太陽電池效率高20腸-25%,而且輸出《功能材料》增刊199810功率隨溫度增加而減小的幅度只是硅電池的一半.雖發(fā)射成本,則選擇GaAs太陽能電池更加經(jīng)濟(jì).表1然GaAs/Ge電池的成本是硅電池的8.8倍,重量是對1M(EOL)G.As/Ge電池與硅電池制造和應(yīng)用過硅電池的2

7、倍,但制作同樣功率的空間太陽能電他程中的各項指數(shù)作一比較,表中未考慮電池板面積減板,GaAs電池板的面積比硅的小35緯,重量減少小導(dǎo)致發(fā)射成本的減少27嚇,而電池板制造成本僅增加16%[11'.如果考慮到表11kW(EOL)Si,GaAs電池板比較Table1Comparisonof1kW(EOL)Si,GaAs/Gesolarpanels電池類型2X4crn'單片電池重量9/Ml單片電池成本$/cell電池數(shù)重電池板面積m2ftkg功率kW(EOL)電池板成本$M發(fā)封到LEO軌遺成本$M發(fā)射到GEO軟道成本$MSiG

8、aAs/Ge:.:::1513312400810011.667.63::.:::;一:::.::::.:::OARcoaun口一一mj日科51:二n"AIInP".日日】們PP.C日.PP峨fi.aTP沁"G.M咐+.G日戶呂a"GaInPn〔a八sP"GaAap右.I.PGeorGaAsSub心.日臼a口r-ee一們與.,司n"