GaInP_2GaAsGe叠层太阳电池材料的低压MOCVD外延生长

2002年2月　　　　　　　　　　ACTA

光子学报

　　　　　　　　　　　　　　Vol131No12

2002　

PHOTONICASINICA　　　　　　　　　February

GaInP2󰃗GaAs󰃗Ge叠层太阳电池材料

的低压MOCVD外延生长

Ξ

李　辉　汪　韬　李宝霞　赛晓峰　高鸿楷

(中国科学院西安光学精密机械研究所光电子学室,西安710068)

　　摘　要　本文采用自制的LP2MOCVD设备,外延生长出GaInP2󰃗GaAs󰃗Ge叠层太阳电池结

构片,对电池材料进行了X射线衍射测试分析1另外,采用二次离子质谱仪测试了电池结构的剖面曲线1用此材料做出的叠层太阳电池,AMO条件下光电转换效率Γ=13.6%,开路电

2

压Voc=2230mV,短路电流密度Jsc=12.6mA󰃗cm1关键词　LP2MOCVD;GaInP2󰃗GaAs󰃗Ge;叠层太阳电池0　引言

　　为了充分利用太阳光不同波段的光子能量,提高太阳电池的光电转换效率,国际上正积极展开多结叠层电池的研制工作1󰂬2󰂮族化合物半导体太阳电池则随着MOCVD、MBE等先进外延生长技术的飞速发展而成为叠层电池研究的热点1叠层电池的特点集中表现在:高光电转换效率;高开路电压;较低的输出功率损失;宽太阳光谱响应;高的功率󰃗重量比1目前,国际上已对AlGaAs󰃗GaAs、GaInP2󰃗GaAs、GaInAs󰃗Inp、GaInP󰃗GaInAs等双结叠层太阳电池进行过研究,其中以对GaInP2󰃗GaAs叠层太阳电池的研究为多1该电池在AM115条件下,实验室光电转换效率已超过130%,大大高于GaAs、Si等常用空间电池的水平1工业化成熟产品转换效率在2311%左右2,并逐步用作卫星等航天器的供电电源,前景十分广阔1不过,造价昂贵一直是GaInP2󰃗GaAs叠层电池难以大批量生产的直接原因,选用价格低廉的Ge衬底是降低成本,减小GaInP2󰃗GaAs叠层电池自身重量的有效途径1

GaInP2󰃗GaAs󰃗Ge双结叠层太阳电池结构片,并

以此做出了转换效率Γ=1.65%、开路电压Voc=

2

2230mV、短路电流密度Jsc=12.6mA󰃗cm的电

池样品1

1　叠层电池结构设计

双结叠层电池通常由宽禁带带隙的顶电池、隧道结和窄带带隙的底电池三部分依次串联而成1为了获得尽可能高的光电转换效率,叠层电池应满足材料晶格匹配、禁带宽度组合合理和顶底子电池电流匹配等基本要求1三元合金Ga0.51In0.49P简称(GaInP2)是与GaAs晶格匹配的理想顶电池材料,其禁带宽度Eg在1185eV和119eV之间,与GaAs组成的GaInP2󰃗GaAs叠层电池,理论转换效率大于34%(AM115)31就叠层电池电流密度一般不同1顶底电池的电流失配会使电池性能大受影响1设法获取电池匹配的结构是保证叠层电池具有良好性能的重要一环1下面就具体设计问题进行探讨1

1)　GaAs󰃗Ge底电池的设计

GaAs󰃗Ge底电池的设计是整个GaInP2󰃗

国外对此已进行了多年研究,但在国内尚未见相

关报道1本文运用LP2MOCVD设备,生长出了

Ξ

国家自然科学基金资助项目

　收稿目期:2001206219

210　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光子学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　30卷GaAs󰃗Ge叠层电池的基石1对GaAs󰃗Ge底电池,主要问题是GaAs󰃗Ge界面处理(尽量削弱、

抑制反向畴的产生和界面互扩散)、GaAs电池各层掺杂水平和厚度设计1关于此方面的内容,国内有不少报道4,5,在此不再讨论1

2)　GaAs隧道结的设计要求

作为有效地互连两个子电池的过渡结,隧道结应具有高透光率、阻抗小(重掺杂)的特点,且其晶格常量和热膨胀系数与上下层也要求匹配1一方面,为降低隧道结对入射光的吸收,提高底电池的光子利用率,应采用高禁带宽度(隧道结Eg应大于底电池带宽,最好大于顶电池的带宽)材料,且结厚度尽量薄;另一方面,考虑到叠层电池对其隧道结材料晶格匹配和热力学性质的要求,最好选择GaInP2、GaAs隧道结;再次,从叠层电池的电学性能考虑,隧道结的峰值电流密度Jp要大于电池的短路电流密度Jsc,以尽量减小叠层电池的电学损失1这就要求GaAs隧道结的掺杂水平尽可能高,同时尽可能抑制掺杂杂质的扩散1这包括向顶、底子电池的扩散和隧道结内部的互扩散两种情况1杂质扩散会造成隧道结和顶底子电池性能变坏61

为抑制隧道结掺杂杂质扩散,我们采取的方法是:(a)选用碳作为P型掺杂剂,利用其具有高掺杂水平、低的扩散系数和弱的记忆效应等特点,以获得尽可能高的P型掺杂浓度并减小掺杂杂质的扩散;(b)优化隧道结的结构,在GaInP2顶电池与隧道结之间插入较高掺杂水平(n型载流子浓度在3×1018cm-3左右)的GaInP2的钝化层,与GaAs底电池的AlGaAs窗口层(P型载流子浓度在2×1018cm-3左右)一起包覆GaAs隧道结,形成双异质结构隧道结1经过实验,证明这种结构能有效抑制掺杂杂质的扩散;(c)尽量降低隧道结和后续GaInP2顶电池的生长温度1

3)GaInP2顶电池的设计原则主要考虑顶、底子电池的电流匹配问题以及GaInP2背表面场钝化层在顶电池中的使用1GaInP2󰃗GaAs󰃗Ge叠层电池性能的一个重要的潜

随生长工艺变化而有所不同,有时仅为1182eV

左右1这与GaInP2材料存在有序结构相关,有序结构的存在使得GaInP2带隙变小,且有序性的大小受生长工艺影响71考虑此,我们解决顶、底子电池的电流匹配的办法是:在保证GaInP2生长条件不变情况下,调节顶电池的厚度1适当增加或减少顶电池的厚度,会相应减小或增加底电池的光子吸收率,改变底电池电流密度的大小,从而达到获得叠层电流匹配的目的1

如上所述,在GaInP2顶电池的基区下面加一层高掺杂的GaInP2材料,用作背表面场钝化层,其作用是:一为增加顶电池对光子的吸收率,二为抑制隧道结杂质向顶电池基区的扩散1

依据以上思路,叠层电池结构设计如图1所示1

图1　GaInP2󰃗GaAs󰃗Ge叠层电池结构示意图

Fig.1　ACross2sectionalviewoftheGaInP2󰃗GaAs󰃗Ge

tandemsolarcell

2　实验

我们的GaInP2󰃗GaAs󰃗Ge叠层电池是在低压MOCVD设备上生长的1以TMGa、TMIn、TMAl、PH3、AsH3为有机源,以DEZ、H2Se为p、n型掺杂剂,以经过钯扩散管提纯的H2气为载气(纯度达到6个9),以Ge单晶为衬底,晶向为(100)偏(110)7°28°1反应室压力(45～65)×133.3224Pa,衬底托盘转速80～100r󰃗min.

外延生长开始前,对Ge单晶在700℃通H2处理10min,然后通过AsH3降温到过渡层生长温度(400～450℃)1生长完过渡层,开始进行叠层电池的生长1GaAs和AlGaAs生长条件:温度都是600℃,󰂮󰃗󰂬比分别为50和80;GaInP2和AlInP2生长条件:温度分别是650℃和700℃,󰂮󰃗󰂬比分别是200和350;GaAs隧道结生长条件:P型层采用碳掺杂,用霍尔测试测得空穴浓度大于1020cm-3;n型层则用硒掺杂,得到电子浓度大于1019cm-3.

在损失机制是顶电池电流Jt和底电池电流Jb失配问题1在由几个子电池组成的叠层电池中,叠层电池电流受较小的子电池电流限制,最大光电转换效率是当Jt=Jb时1Jt、Jb大小主要与顶电池材料的带宽和顶电池厚度有关1实际情况是,用MOCVD法生长的GaInP2材料,其禁带宽度

2期　　　　　　　　　李辉等1GaInP2󰃗GaAs󰃗Ge叠层太阳电池材料的低压MOCVD外延生长211

3　测试结果

311　GaInP2󰃗GaAs󰃗Ge叠层电池材料的X射线

衍射分析

图2即是样品X射线衍射的回摆曲线1该曲线出现两个衍射峰,峰值很高,且双峰底部交叠1用电子探针能谱分析证实GaInP2外延层中Ga组份在015左右(误差<2%)1另外,AlInP2和AlGaAs窗口层非常薄,约0103Λm厚,二者的衍射峰通常难以测试到1因而样品衍射峰主要是GaInP2、GaAs和Ge三种材料的X射线衍射的叠

层电池基本元素的剖面分布状况1共测试了9种

元素(Ga、As、In、P、Zn、Se、C、Ge)的纵向分布1从图上看,GaInP2顶电池、GaAs隧道结和GaAs底电池的各层界面比较清晰、陡峭1隧道结的p型、底子n型掺杂杂质没有明显的互扩散和向顶、电池扩散的现象1

313　电池的特征参量测试

在完成电池材料生长后,我们进行了电池后工艺制作1电池面积为3cm21测试条件是室温,大气质量AMO1图4给出了电池样品在光照下的I2V曲线1测得叠层电池开路电压Voc=

2

2230mV,短路电流密度Jsc=12.6mA󰃗cm,填充因子FF=0.675,转换效率Γ=13.65%1

加,左侧、右测峰分别是Ge衬底和GaAs外延层的,GaInP2外延层的衍射峰位置应在二者之间1说明GaInP2结晶质量不错,与衬底和GaAs外延层晶格失配较小1测试还说明,Ge衬底的半峰宽

(生长前衬底半峰宽<22″),表明电池材已达69″料存在较强应变1

图4　GaInP2󰃗GaAs󰃗Ge叠层电池光照下的I2V曲线

Fig.4　LightI2Vcurveofthetwo2terminalof

GaInP2󰃗GaAs󰃗Getandemsolarcell

4　总结

图2　GaInP2󰃗GaAs󰃗Ge叠层电池的X射线衍射回摆曲线

Fig.2　X2raydiffractionrockcurveofGaInP2󰃗GaAs󰃗Ge

tandemsolarcellepi2wafer

GaInP2󰃗GaAs󰃗Ge叠层电池具有高转换效率、

312　叠层电池二次离子质谱仪(SIMS)测试

图3是用二次离子质谱仪(SIMS)测试的叠

耐辐射、长寿命、高的功率󰃗重量比等优点,是极具潜

力的新一代空间太阳电池1国外如美国、德国、日本等已经进入边开发、边生产、边应用的工业时期1我国在此领域的研究才刚刚起步1本文用LP2MOCVD设备,在Ge单晶衬底上外延生长出GaInP2󰃗GaAs󰃗Ge叠层电池材料,并借此制作出转

2换效率为13165%,Voc=2230mV,Jsc=12.6mA󰃗cm

的电池样品1从测试结果看,电池的转换效率有待提高1虽然影响电池性能的因素很多,但在本实验中仍然是材料质量和后工艺制作问题1需要指出的是,本电池样品的后工艺制作是按照GaAs󰃗Ge单结工艺流程来做的,还未完全优化,

这是造成转换效率较低的原因之一1另外,X射线衍射测试结果说明电池材料存在明显的应力,质量也有待提高,这也是影响电池性能的突出因

图3　GaInP2󰃗GaAs󰃗Ge叠层电池的SIMS纵向分布曲线Fig.3　SIMSdepthprofileoftheGaInP2󰃗GaAs󰃗Ge

tandemsolarcell

素8,因而本文叠层电池生长及制作工艺尚待进一步优化1

212　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光子学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　30卷

参考文献

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LP-MOCVDGROWTHOFGaInP2󰃗GaAs󰃗GeTWO-JUNCTION

SERIES-CONNECTEDTANDEMSOLARCELLS

LiHui,WangTao,LiBaoxia,SaiXiaofeng,GaoHongkai

Xi′anInstituteofOpticsandPrecisionMechanism,theChineseAcademyofScience,Xi′an710068

Receiveddate:2001206219

Abstract　Atwo2terminalGaInP2󰃗GaAs󰃗Getandemsolarcellhasbeenobtainedonahome2madelowpressureMOCVDsystem.

ThecrystalqualityofthesolarcellwasstudiedbytheX2ray

diffractometer.TheSIMSdepthprofileofthecellwasalsoinvestigated.Besides,thewholetandem

solarcellwasmadeandthecellperformanceparametersweremeasured.Theefficiency(AMO)ofthedeviceis13.65%.TheopencircuitvoltageVoc,shortcircuitcurrentdensityJscwere2230mVand

2

12.6mA󰃗cm,respectively.

Keywords　LP2MOCVD;GaInP2󰃗GaAs󰃗Ge;Tandemsolarcell

LiHui　wasborninShaanxiProvincein1977.HegothisB.SdegreeatMicroelectronicsformNorthwestUniversityin1998.Atpresent,heisstudyingtowardsMasterdegreeatXi′anInstituteofOpticsandPrecisionMechanism,theChineseAcademyofScienceandconcentratingonthe.materialsystemofGaInP󰃗GaAs󰃗GebyMOCVDforoptronicdevices