[科普中国]-磷化铟太阳电池

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体是制造太阳能电池原件的主要材料之一，磷化铟是其主要代表之一。InP是微电子和光电子的基础材料，为直接带隙，禁带宽度约1.3 eV，具有电子饱和漂移速度高、耐高温、搞辐射等特点，在超速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。

结构顶层n-InP的梯度掺杂形成 了一个厚约 250 nm的漂移场区 , 其中存在一个高达104V/cm的电场，使得本器件的收集载流子主要依赖于载流子的漂移而不是传统的扩散 (尽管在p一InP区仍然依靠扩散) 。也正因此，这种设计应更能抗辐射的破坏，因为辐射会在晶体中造成缺陷而这使少数载流子的扩散长度减小，影响 器件的量子效率。 器件表面高达1020cm-3的掺杂浓度的另一个好处是使得 由于表面费米能级钉扎 ( fermi level pinning )而 造成的方 向带弯减小到5 nm以下 (通常这个带弯为10-100 nm， 称为 “ 死层 ”，dead laver)，从而使得器件的短波长 (蓝 一紫外 )光响应得到改善 。 由于InP等许多材料对短波长光子的吸收系数通常都高于105cm-1因此这种改善是很有意义的，这对于 用于外层空间的太阳电池而言更是如此 。 因而本实验集中在该器件的光谱响应方面，而暂不涉及太阳电池的其它参数，如转换效率、重量比功率和抗辐射性能等的测量。1

特点Ⅲ－Ⅴ族化合物由于其独特的性能，一直都是太阳电池发展的热点方向：首先，Ⅲ－Ⅴ 族化合物大都是直接带隙半导体，转换效率高且提升空间大；其次，Ⅲ－Ⅴ 族化合物种类繁多，可以通过不同的组合结构来吸收不同波长范围的太阳光，进一步提高其光电转换效率。
与 GaAs及其他Ⅲ－Ⅴ族化合物相比，InP 太阳电池具有以下特点：① InP 材 料 禁 带 宽 度 约 为1．3eV，直接跃迁型，因而可获得较高的光电转换效率，崔容强对太阳电池材料的极限参数进行了计算机模拟，结果表明InP的极限光电转换效率比 GaAs高，并且从数据上看，InP 的极限光电转换效率是已知材料中最高的，超过47%。②InP基太阳电池化学性能稳定。③InP 基太阳电池的抗辐射性能较好，其耐辐射剂量比 GaAs高一个数量级，比硅高两个数量级；④InP电池可在工作状态下自动退火恢复电性能 （而 GaAs退火温度需要150～250 ℃，硅退火温度需要450℃以上）。以上特点表明InP太阳电池寿命长，这对于恶劣的空间应用环境是必须的2

影响因素InP多结聚光太阳电池

1955年，E.D.Jackson就已提出以多种带隙宽度不同的半导体材料构成多结太阳电池，1960年，M.Wolf将具有不同禁带宽度的单结太阳电池进行堆叠，形成多结太阳电池，每结太阳电池吸收不同波长范围的太阳辐射能，不仅提高了电池光电转换效率，还有助于增加电池对太阳辐射光谱波长的利用 范 围，这是太阳电池设计的一次质的飞跃。

反向生长用IMM 技术生长多结太阳电池，一方面可以解决底电池与衬底晶格失配时的生长问题，使顶电池、中间电池与衬底晶格匹配，避免产生位错等缺陷；另一方面可以对原始衬底进行回收利用，使成本大大降低。J.Boisvert等人对由三部分组成的InP基的亚电池单元以倒置结构生长。之后，使用大量的金属有机物气相外延工艺，生长了100μm厚的几层太阳电池单元：先生长宽禁带的化合物（顶电池），随后是中间层，然后是缓冲层，最后是窄禁带变形子电池 （底电池），这些晶格失配于生长基底。接下来将倒置结太阳电池竖直放置，并且
去除生长基底。

2004年，美国光谱实验室与美国可再生能源实验室联合研究了 Ga0.44In0.56P/Ga0.92In0.08As/Ge三结变质太阳电池，在AM0条件下光电转换效率达到28.8%；2007年，在 AM1.5和240倍太阳聚光条件下，美国光谱实验室研制的Ga0.44In0.56P/Ga0.92In0.08As/Ge三结变质太阳电池取得了40.7%的光电转换效率。

低温键合采用直接键合技术可以解决晶格严重失配材料的连接，并且将失配产生的位错和缺陷限制在几个纳米的薄层 区 域。SBT太阳电池在 GaAs和InP衬底上分别外延两层，然后直接键合到一起，随后去除GaAs基体，并对InP衬底进行打磨。所有的亚电池均在单独的晶格匹配的基体上生长，这使材料的质量以及随后的性能表现均得到提高，同时也就需要保证整个晶圆大面积的区域都具有非常低的粗糙度。

Soitec公司利用 InPact公司的InP衬底，并采用低温半导体直接键合技术，成功制作出在 AM1.5,297倍光照 下光电转换效率达44.7%的聚光太阳电池， 电池 的 开 路 电 压VOC=4.165V，短路电流 ISC=192.1mA，填充因子FF=86.5%，如图所示，这是目前所获得的最高的光电转换效率。2

发展状况InP由于其抗辐射性能好和转换效率高，在空间领域有很 广 泛 的 应 用 前 景。1990 年1月，日 本首次在科学试验卫星 “飞天”号上使用InP太阳电池作为电 源，此 后，各 国 对InP 在 太 阳 电 池 上的应用进行了研究。1987年，美国发射了LIPS－Ⅲ号卫星， 发射该卫星是为了测试聚光太阳电池，2010 年， 第 七 次 国 际 空 间 站 材 料 试 验（MISSE-7）卫星发射， 这 也 是 太 阳 电 池 试 验 的一次突破，这两者均包含对InP 太阳电池的试验。美国海军研究实验室 （NRL）、伦敦帝国理工学院以及MicroLink 设备公司共同设计了一个具有三个结合点的太阳电池， 这种电池具有可以打破50%的转换效率障碍的可能性，电池使用与InP基底晶格匹配的材料， 其能带间隙可以直接达到从0.7eV 到1.8eV。德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所 （Fraunhofer ISE）的科研人员开发出了光电转换效率高达41.1% 的太阳电池，这种电池内部的三个子电池由 CaAs, InP和GaN相互叠加而成，每个子电池都能特别有效地转化一定波长范围的太阳光，使整个太阳光谱都可用于能源生产。

光谱实验室坚持推动反向生长太阳电池技术以及半导体键合技术在太空及近太空应用领域的发展，已经证明，在 AM0光照、28 ℃条件下，3结点IMM太阳电池光电转换效率超过32.5%；4结点SBT电池光电转换效率达到33.5%。从应用前景上看，半导体键合技术远远好于反向生长技术，半导体键合技术没有厚的缓冲层，采用直接键合技术，将生长于InP和 GaAs衬底上的子电池键合到一起。

李果华等人用计算机模拟的方法对轻型InP光伏太阳电池进行了计算机强抗辐射模拟。通过对比转换效率和辐照强度发现，即使经 10MeV.cm-2 的辐射辐照后，InP光伏太阳电池仍可获得7%的光电转换效率；这就说明InP光伏太阳电池在太空中无需防护保护，3200km 极地轨道上航天器就能在10年中稳定地从InP 光伏太阳电池中获取能量，这是一项超越性的发现。江南大学理学院光信息科学与技术系的科研人员赵斐等人对双梯度掺杂漂移机制InP太阳电池进行了计算机模拟，为器件的设计提供相关参考数据。

高聚光型太阳电池已成为全球太阳能产业瞩目的新焦点，SolarJunction公司的最新电池在日照强度为947 W/m2时光电转换效率为 44%， 打破了该公司2011年4月创造的日照强度418W/m2时43.5%的纪录。 李果华等人对单晶薄膜InP太阳电池的光谱响应进行研究，采用分子束外延技术在p-InP衬底上外延InP电池，与初期设想致，有望获得高效率的InP太阳电池。

InP太阳电池由于制造成本高，还未广泛地应用于太空和地面领域，但是其较好的抗辐射性以及高的转换效率，使其具有良好的发展前景。国外每年有1000 kg的 InP 用 量，而国内却很少，这是不容忽视的。InP太阳电池今后的发展方向 为：首先继续进行大直径InP单晶生长的研究，多叠层结构中采用聚光型太阳电池系统来进一步增加太阳电池的光电转换效率，InP纳米线太阳电池制作工艺简单，有助于节约成本，是未来InP太阳电池的发展方向之一。2