GaAs太陽能電池

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1、GaAs 太陽能電池 李永富 太陽光輻射主要是以可見光為中心，分布于 0.3 微米至幾微米光譜范圍，對應(yīng)光子能量 0.4eV~4eV 之間，總體來說，理想太陽能電池材料需要具備： 能帶在1.1eV~1.7eV之間（對應(yīng)光波長范圍 0.73~1.13Wm） 直接能帶半導(dǎo)體 組成材料無毒性 可利用薄膜沉積技術(shù)且可大面積制備 有良好的光電轉(zhuǎn)換效率 具有長期穩(wěn)定性 GaAs 是典型的 III-V 族化合物半導(dǎo)體材料，具有直接能帶隙，帶隙寬度為 1.42eV （ 300K ） ，可 以良好的吸收太陽光，因此，是很理想的太陽能電池材料。 GaAs 材料的主要特點(diǎn)： 光吸收系數(shù)高。

2、GaAs 太陽能電池的有源區(qū)厚度多選取 5um 左右，就可以吸收 95% 的太陽光譜 中最強(qiáng)的部分。 帶隙寬度與太陽光譜匹配。 GaAs 的帶隙寬度正好位于最佳太陽電池材料所需要的能隙范圍， 具 有更高的理論轉(zhuǎn)換效率。 耐高溫性能好。 GaAs 太陽能電池效率隨溫度升高降低比較緩慢，可以工作在更高的溫度范圍。 抗輻照性能強(qiáng)。 GaAs 是直接帶隙材料，少數(shù)載流子壽命較短，在離結(jié)幾個擴(kuò)散度外產(chǎn)生損傷， 對光電流和暗電流均無影響，因此， GaAs 太陽能電池具有較好的抗輻照性能。 多結(jié)疊層太陽電池的材料。由于 III-V 族三、四元化合物（ GaInP 、 AlGaInP 、 GaI

3、nAs 等）半導(dǎo) 體材料生長技術(shù)日益成熟，使電池的設(shè)計更為靈活，從而大幅度提高太陽電池的效率并降低成 本。 GaAs 基太陽能電池基本上可分為單結(jié)和多結(jié)疊層式太陽能電池兩類，如圖 1 所示。 對于單結(jié)GaAs太陽能電池，根據(jù)其生長方式的不同又可以分為 LPE GaAs及MOVPE GaAs太陽能 電池，襯底可選用GaAs或Ge,不過GaAs是直接帶隙材料，光吸收系數(shù)大，有源層厚度只需 3微米左 右，所以原則上在生長好 GaAs 電池后，可以選擇把襯底完全腐蝕掉，只剩下 5 微米左右的有源層， 從而制成超薄 GaAs 電池， 這樣就可以獲得很高的單位質(zhì)量比功率輸出。 目前超薄 （U

4、T）GaAs 電池的比 功率可達(dá) 670W/kg ，而 100微米高效 Si 電池的比功率僅為 330W/kg 。 但是，無論如何，單結(jié)也只能吸收和轉(zhuǎn)換特定波長范圍內(nèi)的太陽光，其理論效率也只有 27% ，為提 高能量轉(zhuǎn)換效率， 可以將太陽光光譜分成連續(xù)的若干部分， 用能帶寬度與這些部分有最好匹配的材料 做成電池，并按帶隙的不同從大到小的順序從上到下疊合起來，選擇性吸收和轉(zhuǎn)換太陽光光譜的不 同子區(qū)域，這就有可能最大限度地將光能變成電能，這樣的電池結(jié)構(gòu)就是疊層電池。 圖1 GaAs基太陽能電池分類 聚光 雙層誡反膜 電層濾反膜 未被Ga抬吸 收的長波長光 Tunnel Ju

5、nction Top CII: GalriP士 Tunnel Junction M idd Ie Cell: GgAs Contact 圖2機(jī)械疊層式多結(jié)電池（左）和單片式多結(jié)電池（右） 疊層太陽能電池的制備可以通過兩種方式得到，圖 2所示。一種是機(jī)械堆疊法，先制備出兩個獨(dú) 立的太陽能電池，一個是高帶寬的，一個則是低帶寬的，然后把高帶寬的堆疊在低帶寬的電池上面， 這種方式需要分別制備多個子電池，然后再進(jìn)行堆疊，體積受到限制，但 是無需進(jìn)行電流匹配，也不 再需要考慮晶格匹配；另一種是單片式多結(jié)電池， 先制備出一個完整的太陽能電池， 再在第一層電池 上生長或直接沉積在第一層

6、電池上面，這種電池結(jié)構(gòu)緊湊，便于集成，但是對襯底材料質(zhì)量要求高， 且必須要考慮各外延層的晶格失配問題。 多結(jié)GaAs太陽能電池技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的主流， 2009年，比利時IMEC展示了其最新的 機(jī)械疊層GaAs/Ge多結(jié)太陽能電池，據(jù)稱其機(jī)械疊層的 GaAs/Ge多結(jié)太陽能電池轉(zhuǎn)換率直指 40%以 上，電池制備過程中，首先制造鑄電池以及單獨(dú)的引出端， 然后將GaAs子電池集成在該鋪電池之上， 各自分離的引出端可以用來單獨(dú)提取某個子電池的電流，降低了對電流匹配的需求，由于不同材料 并非依次生長在底層材料之上，因此也無需進(jìn)行晶格匹配。目前對于這種機(jī)械疊層多結(jié)太陽能電池 的研究還較少

7、，主要還是采用單片疊層式，如德國 Azurspace公司已經(jīng)具有了單片式 GaInP/GaAs/Ge 三結(jié)太陽能電池的批量生產(chǎn)能力，產(chǎn)品級別 (27%, 28%, 30%),產(chǎn)品采用Ge襯底。美國Spectralab 及Emcore等公司的三結(jié)GaInP/GaAs/Ge也具有了批量生產(chǎn)能力。 其部分最新產(chǎn)品的參數(shù)如表 1所示［各 公司網(wǎng)站產(chǎn)品］O 表1.美國Spectralab、Emcore公司及德國Azurspace公司三結(jié)GaInP/GaAs/Ge太陽能電池相關(guān)參數(shù) ［注］GaInP2為三元化合物Ga0.51In0.49P的簡稱 J商名稱 產(chǎn)品規(guī)格 壽命 初期 轉(zhuǎn)換 效率 壽

8、命 末期 轉(zhuǎn)換 效率 襯 底 外延 日? 日日斤 厚度 尺寸 重量 Spectralab GaInP2/GaAs/Ge Improved Triple Junction 26.8% 22.5% Ge MOVPE 140 am 2 31cm 2 84mg/cm GaInP2/GaAs/Ge Ultra Triple Junction 28.3% 24.3% Ge MOVPE 140 am - 2 32cm2 … ， 2 84mg/cm GaInP2/GaAs/Ge Next Triple Junction 29.9% 26.6%

9、Ge MOVPE 140 am “ 2 60cm c， ， 2 84mg/cm Emcore InGaP/GaAs/Ge 3rd Generation Triple-Junction 29.5% Ge MOCVD 140 am “ 2 ?32 cm c， ， 2 84mg/cm Azurspace GaInP2/GaAs/Ge 30% class 30% Ge MOVPE 150 ^20 am cc / c 2 30.18cm ~ ， 2 <86mg/cm GaInP2/GaAs/Ge 28% class 28% Ge M

10、OVPE 150 ^20 am cc / c 2 30.18cm ~ ， 2 <86mg/cm GaInP2/GaAs/Ge 27% class 27% Ge MOVPE 150 ^20 am cc / c 2 30.18cm ~ ， 2 <86mg/cm 福建三安是目前國內(nèi)GaAs基太陽能電池生產(chǎn)的領(lǐng)跑者，其聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)采用 GaInP/GaAs/Ge多結(jié)太陽能電池，主要采用MOCVD技術(shù)在Ge襯底上進(jìn)行外延層的生長。 并對GaAs/Ge 多結(jié)太陽能電池外延片生長的一系列基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，包括：解決非極性-極性外延問題 ， 在Ge襯底上成功外延生

11、長 GaAs;抑制GaAs-Ge界面可能出現(xiàn)的 活性結(jié)”；外延結(jié)構(gòu)設(shè)計，并探索各 外延層的厚度、載流子濃度、表面形貌、厚度均勻性、組份均勻性等結(jié)構(gòu)參數(shù)與生長室壓力、生長 溫度、V/m比、源流量、襯底托盤旋轉(zhuǎn)速率等 MOCVD生長工藝參數(shù)之間的關(guān)系。 GaAs/Ge多結(jié)太陽能電池外延片生長的批生產(chǎn)技術(shù)，包括均勻性、重復(fù)性、產(chǎn)能、成品率等批量生產(chǎn)工藝研究。 整個太陽電池制作過程包括電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計、各層電池材料的外延生長和電池的后續(xù)工藝制作 三個最基本環(huán)節(jié)，然后是太陽能電池性能測試，并根據(jù)相關(guān)性能進(jìn)行結(jié)構(gòu)及生長條件的優(yōu)化。 一.G aAs太陽能電池的制作 多結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及外延材料

12、的生長是電池制備中非常重要的環(huán)節(jié)，國內(nèi)對這方面 的研究單位主要有中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，四川大學(xué)，上海交通大學(xué)等，目前武漢光 電國家實驗室也在進(jìn)行相關(guān)的研究，外延材料的生長主要采用 MOCVD技術(shù)，多結(jié)電池結(jié)構(gòu)多采用 GaInP2/GaAs/Ge 級聯(lián)式。 1. GaAs太陽能電池結(jié)構(gòu)設(shè)計及外延生長 以GaInP2/GaAs雙結(jié)電池為例進(jìn)行分析，電池由寬禁帶的頂電池、隧道結(jié)和窄禁帶的底電池三部 分依次串聯(lián)而成，如圖3所示。頂電池用于吸收太陽光譜中的短波部分、低電池用于吸收太陽光譜中 的長波部分，隧道結(jié)用于對各子電池進(jìn)行電流匹配。 頃電池 罐道結(jié) 底電池 Of03Ml

13、p-CalnPj 0 7叩> n-GaAs (101 毋似即 小必—5 0 1,四 n石aAs 0 ［即 3 5pm |>+-GaA5 substrate 圖3. NREL公司GaInP2/GaAs雙結(jié)太陽能電池 圖3和圖4所示的是美國NREL先后開發(fā)的光電轉(zhuǎn)換效率分別是27.3%(AM1.5)和 29.5%(AM1.5)GaInP2/GaAs級聯(lián)電池。這兩種都是用 MOCVD法生長，III族元素氣源是TMIn , TMGa , TMAI , V族元素氣源是AsH3, PH3,摻雜劑是DEZn和HzSe。 圖3的電池其生長溫度 Tg=700 C, GaInP2(AlInP

14、2,)的生長速率是 80-100nm/min, V/III是30; GaAs(AlGaAs)120-150nm/min V/III 是35。GaAs隧道結(jié)生長速率 40nm/min。該電池的兩個子電池的基 區(qū)摻雜水平是2X1017cm-3。發(fā)射層、窗口層 Se摻雜水平是1018cm-3,而GaAs隧道結(jié)的摻雜濃度是 1019cm-3左右。級聯(lián)電池的短路電流 Jsc=13 .6mA/cm2,開路電壓Voc=2.29V ,填充因子FF=0.87,電池 面積是0.25cm2,頂電池帶寬 Eg=1.85eV。 0 025pm Alin? n-4xl0 "cm [Se] 0 1pm Oaln

15、P 0 6tlm(AMI 5) or G4lnF>(l 86eV)p=l 0 5kiii( AMO) _ 0 Jinin GalnRUteV) 0 OL Ipm GaAs p^SxlOlvcm IC] ?？?1 t pE GaAi rt-lxlO^cm^Se] 。lum GaInP 0 1 um GaAs n=lxl0lcm [Se] 3 5Ml GjlAs |。07即1 GaInP [Zn] U Gl-AS p=3xl0 em：億n 「 - subsuate GaAs GRRJD 0 S^m GaAS n=6x]

16、Olcm (Scl 窗口層 發(fā)射層 基區(qū) BSF層 隧道結(jié) 盲口層 發(fā)射層 基區(qū) BSF層 圖4. NREL公司改進(jìn)型GaInPRGaAs雙結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)參數(shù) 圖4電池生長工藝與圖3相似。該電池的參量Jsc=16.4mA/ cm 2,開路電壓Voc=2.398V ,填充因子 FF=0.882。這個電池與圖3電池相比，有三大技術(shù)突破 ：柵線設(shè)計、頂電池上表面鈍化和兩個子電池 背面鈍化。對柵線，在保證FF無損失的情況下，將柵線接觸面積從4.9%減小到1.9%(指占電池總面積), 并使效率提高了 0.8%;第二就是用較高質(zhì)量的 AllnP窗口層作頂電池上表面鈍化層。 由于太陽光

17、的短 波部分主要在頂電池的表面被吸收，如果頂電池窗口層的質(zhì)量較差，則器件在藍(lán)光尾部波長范圍內(nèi) 的量子效率會降低，這大約會造成頂電池電流 10%的損失；第三就是用背電場 (BSF)層作頂?shù)鬃与姵? 的背面鈍化層。BSF層用來減小界面復(fù)合，提高入射光子的利用率。而界面復(fù)合會減小基區(qū)的載流 子濃度，導(dǎo)致電池暗電流增大。 圖5為日本學(xué)者在1997年開發(fā)出的轉(zhuǎn)換效率達(dá) 30.28%的GaInP2/GaAs級聯(lián)電池。采用立式旋轉(zhuǎn)托 盤MOCVD設(shè)備，襯底材料是摻鋅的 GaAs(100)5 (110),以TMIn , TMGa , TMAs為III族源，以AsH3, PH3為V族源，以 hSe, D

18、EZn為摻雜劑。GaInP2生長速率為2.5 m/h GaAs底電池包括p+-InGaP BSF 層、p-GaAs基區(qū)、n+-GaAs發(fā)射區(qū)和 n+-AIInP 窗口層。InGaP頂電池則包括 p+-AlInP/p+-GaInP BSF 層、 p-InGaP基區(qū)，n-InGaP發(fā)射區(qū)和n+-AlInP窗口層。作者采用時間分辨光致發(fā)光譜估計 p-InGaP基區(qū)的 少子壽命約10-50ns, n-InGaP發(fā)射區(qū)和n+-AlInP窗口層界面復(fù)合速率約 5800cm/s。另外該級聯(lián)電池采 用AlInP-GaInP雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)隧道結(jié)，也即 n+-AlInP/ n++-InGaP/ p++-GaIn

19、P/p+-AlInP 多層結(jié)構(gòu)。研究表 明，AlInP-GaInP雙異質(zhì)Z^勾使GaInP隧道結(jié)的峰值電流密度從 5mA/cm2,增加到400mA/cm 2。級聯(lián)電 池的上下電極分別采用 Au-Ge/Ni/Au和Au材料。頂電極柵線設(shè)計面積小于 2%, MgF2/ZnS雙層抗反膜 在波長400-900nm范圍內(nèi)反射率小于2%。在室溫和100mW/cm2,光強(qiáng)下，測得電池的短路電流密度 Jsc=14.22mA/cm 2,開路電壓Voc=2.488V ,填充因子FF=0.856,轉(zhuǎn)換效率Eff=30.28%，性能良好。 Au Ai^Ge/Ni/Au MftF/ZtlS

20、 n-G>A$ 300nm MlF/ZnS 窗口層 發(fā)射區(qū) 基區(qū) BSF層 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)隧道 窗口層 發(fā)射區(qū) 基區(qū) BSF層 nr -AllnP <2 x 1 OTicm1 (Si doped) n-lnGaP 50nm 23lO^cmJ (S) doped) p-lnGaP 550nm 1 5 \ lOkmfZn。叩cd I jf/nGaP 30nm 2 x IO,lcm f (Zn doped) p-AHnP jOnm 21 JO^cm1 (Si doped) p^lnGaP I5hitl S x 10T\:m1 (Zn doped) nJnGaP I5nm I x

21、 10,JcmT (S< doped) n*-AllnP 50nm 1 10l\m1 (Si doped) n--GaAs lOOnm ⑸ doped) p-GaAs 3000nm 1 x 10rcm1 (Zn doped) pFnGaP lOOflm 2 IO|4tm (Zn doped) p*.GaA5 JOOnm 7x iCcm1 (Zn doped) p-GaAs substrate <1 x 10IJan J (Zn dop^d) Au 圖5. GaInPRGaAs雙結(jié)太陽能電池 根據(jù)以上分析可知，GaAs多結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括 GaInP2頂電池、GaA

22、s電池，以及 隧道結(jié)的設(shè)計，相對于 GaAs襯底材料，Ge具有更低的成本，更高的機(jī)械強(qiáng)度，且可以極大地提高太 陽能光譜的利用率。如果采用 Ge襯底，需引入Ge底電池以實現(xiàn)三結(jié)電池的制備，則還需要考慮 Ge 電池的設(shè)計以及GaAs/Ge界面的控制。 AA .ivckngth (nm) 二二==9-15二 W 工 PE』二月二3票方 圖6.三結(jié)GaAs太陽能電池對太陽光譜的利用率 ATJ: InGaP/InGa As/G - n/p Polarity Window ru Window Middle Emi 加 r BSF^ InGaP InGaAs "BSF Mt

23、ollitk>n 圖7. GaInPRGaAs/Ge三結(jié)太陽能電池 鑒于公司目前該方面經(jīng)驗的欠缺，建議借鑒國內(nèi)同行的研究，從 Ge底電池的開始，對其中的一 系列關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。以美國 Emcore公司的三結(jié)太陽能電池為例，包括 （1）多結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)材 料的MOCVD工藝生長控制技術(shù)研究（各外延層的厚度、載流子濃度、表面形貌、厚度均勻性、組份 均勻性等結(jié)構(gòu)參數(shù)與生長室壓力、生長溫度、 V/III比、源流量、襯底托盤旋轉(zhuǎn)速率等 MOCVD生長 工藝參數(shù)之間的關(guān)系）。該技術(shù)的攻克是獲得高效率多結(jié)太陽電池的前提； （2） Ge單晶襯底的制備， Ge底電池的設(shè)計與制備（基區(qū)及發(fā)射區(qū)厚

24、度摻雜濃度 ）；（3） Ge襯底上GaAs的外延生長，重點(diǎn)抑制 Ge/GaAs界面的活性結(jié)；（4） Ge襯底上GaAs中電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計（基區(qū)、發(fā)射區(qū)及窗口區(qū)厚度摻雜濃度 的設(shè)計）與制備；（5） Ge襯底上GalnP頂電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備（基區(qū)、發(fā)射區(qū)及窗口區(qū)厚度摻雜濃 度的設(shè)計）；（6）超薄層隧穿結(jié)生長控制技術(shù)研究，高水平摻雜的實現(xiàn)以及摻雜元素與相鄰子電池之 間互擴(kuò)散的抑制，這是實現(xiàn)各子電池電流匹配的關(guān)鍵； （7）子電池背電場BSF層的設(shè)計。 2. GaAs太陽能電池的工藝制備 GaAs太陽電池后工藝制作工藝主要包括電池上、下電極和增透膜的制作。二者的工藝的控制直 接影響到整個太陽電池的性

25、能。 （1）電極的優(yōu)化設(shè)計 在太陽電池的設(shè)計過程中，上下表面電極對電池輸出性能的影響十分顯著，通過對電極進(jìn)行優(yōu) 化設(shè)計，可以降低電極與半導(dǎo)體材料的比接觸電阻，進(jìn)而降低整個電池的串聯(lián)電阻，減小電極的電 阻性功率損耗，提高電池的填充因子，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。 電極的優(yōu)化設(shè)計包括電極形狀的設(shè)計及電極金屬體系材料的選擇。目前，電極形狀基本都采用 梳狀密柵式，主柵位于電池邊緣，垂直于細(xì)柵。從減小電池串聯(lián)電阻的角度來說，柵線應(yīng)盡可能加 寬，間距應(yīng)盡可能小，可有效降低電流在電極表面流經(jīng)的距離，并相應(yīng)地降低串聯(lián)電阻。但是這樣 就增加了電池的遮光損失。因此在保證盡可能增加光照面積和減小電極引起的功率

26、損耗的前提下， 使電極面積與電池面積之比盡可能小，一般來說遮光面積占電池表面積的 3.5到4.5%即可 選擇太陽電池電極材料的原則是： （1）電極材料接觸層能形成良好的歐姆接觸； （2）電極材料與接 觸層具有高的結(jié)合強(qiáng)度；（3）電極材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能。由前面幾幅圖可知， GaAs太陽電池多在 頂電池的窗口層之上再生長一層重?fù)诫s GaAs材料，這主要是為了更好的與電極進(jìn)行歐姆接觸，減小 電池的串聯(lián)電阻。另外，由前幾幅電池結(jié)構(gòu)示意圖可知，國外器件進(jìn)行設(shè)計時多采用 n-on-p型，頂電 池窗口層之上采用了重?fù)诫s的 n型GaAs材料用作接觸層，這可能的原因是n型GaAs材料的歐姆接觸更

27、 容易制作。至于電極金屬體系的選擇，n型GaAs材料采用Ti/Au , Ti/Pt/Au等均可獲得良好的歐姆接觸， 考慮到成本因素，采用 Ti/Au更合適，G甜料多采用Au/Ge/Ni金屬體系。 接下來就是半導(dǎo)體材料與金屬的合金化過程，該過程一般都存在著一個最佳合金條件，這就需 要進(jìn)行快速熱退火（RTA）處理，急速冷卻有利于形成平滑的接觸界面和良好的粘附性能，與此同時， 也得到了低電阻的接觸系統(tǒng)。此外，急速冷卻、快速升溫以及盡可能低溫短時間的合金條件都有利 于維持接觸界面的高摻雜濃度。這種高摻雜濃度可以導(dǎo)致較低的勢壘高度，并可能使熱離子發(fā)射轉(zhuǎn) 變成隧道式的穿越，這是低特征接觸電阻率的內(nèi)在

28、原因，這樣的合金條件還可防止有害成份或雜質(zhì) 原子對半導(dǎo)體或外延層的滲透擴(kuò)散。最佳合金條件與金屬體系生長方式、生長速度、半導(dǎo)體材料表 面處理過程、摻雜程度等都有很大的關(guān)系，因此并不能照搬他人的合金條件，可以針對自己的工藝 條件進(jìn)行專門的研究，通過傳輸線模型 （TLM）進(jìn)行分析。 半導(dǎo)體材料與金屬的合金化之后很難與其他金屬進(jìn)行低阻互聯(lián)，此時還需要對電極進(jìn)行加厚， 可進(jìn)一步減少太陽電池電極的串聯(lián)電阻，電極加厚多采用電鍍 Ag,表2所示為一種鍍銀配方。此外， 為防止Ag的氧化，有時還會在Ag表面鍍一薄層金。 表2無氧化物的鍍銀配方 名稱 含量（克/升） 磺基水楊酸 100-120 硝

29、酸銀 10-20 醋酸俊 20-40 氫氧化鉀 5-10 氨水 適1 PH值 5.5-6.5 陰極電流密度（mA/cm2 ） 1-4 溫度（C） 20-30 陰極面積/陽極面積 1/3 （2）增透膜的優(yōu)化設(shè)計 太陽電池光轉(zhuǎn)換效率損失的過程中，反射損失占了很大一部分，它降低了太陽電池單位面積入 射的光子數(shù)，從而影響電池的能量轉(zhuǎn)換效率?？梢栽诳諝夂吐懵兜拇翱趯硬牧辖缑嬷g插入一層 1/4 波長的增透膜，使反射光的損耗降到最低限度。 太陽電池所用的抗反射膜必須滿足如下要求： （a）在應(yīng)用波段范圍吸收最?。唬╞）有良好的光學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性； （c）與窗口層

30、的結(jié)合性和牢固 度好；（d）保證多層膜之間、膜與 GaInP2/GaAs/Ge級聯(lián)太陽電池基體間之間的折射率相匹配。目前 國外比較成熟的增透膜體系為 TiOx/Al 2O3雙層介質(zhì)膜體系，國內(nèi)也采用過 MgF2/ZnS雙層介質(zhì)膜體系。 （3）太陽能聚光系統(tǒng)的引入 目前應(yīng)用于地面發(fā)電系統(tǒng)的 GaAs基太陽能發(fā)電系統(tǒng)大多都采用聚光系統(tǒng)，聚光型太陽能 （Concentration photovoltaic,簡稱CPV）技術(shù)通過透鏡或鏡面將接收到的太陽能放大成百上千倍，然 后將放大的能量聚焦于效率極高的小光電池上。通過放大太陽能，該技術(shù)可以有效地光電池中半導(dǎo) 體材料的用量。由于透鏡會聚太陽光

31、，會導(dǎo)致會聚光斑上的溫度較高，造成太陽電池溫度的升高， 轉(zhuǎn)換效率下降，所以耐熱的 GaAs等III/V化合物電池成為高倍率 CPV系統(tǒng)的必然選擇。 CPV系統(tǒng)模組主要由太陽能電池、高聚光鏡面菲涅爾透鏡等光學(xué)聚光元件、 太陽光追蹤器組成。 應(yīng)用菲涅爾透鏡的作用就是將光線從相對較大的區(qū)域面積轉(zhuǎn)換成相當(dāng)小的面積上，這種透鏡也被稱 做集光器或聚光器。 圖8 Emcore公司CPV系統(tǒng)實物圖（左）及CPV系統(tǒng)原理圖（右） 在太陽聚光領(lǐng)域，菲涅爾透鏡是聚光太陽能系統(tǒng) （CPV）中重要的光學(xué)部件之一。太陽菲涅爾透鏡 聚光鏡就是，透鏡的焦點(diǎn)剛好落在太陽能芯片上。當(dāng)透鏡面垂直面向太陽時，光

32、線將會被聚焦在電 池片上，匯聚了更多的能量，因而需要較小的電池片面積，大大節(jié)約了成本。 應(yīng)用菲涅爾透鏡能夠 將太陽光聚焦到入光面 1/10至1/1000甚至更小的接收面 （高性能電池片） 上，比傳統(tǒng)平板光伏發(fā)電 效率提高30%以上，滿足太陽能聚光發(fā)電 （CPV）高能量的需求。 菲涅爾透鏡作為聚光光伏系統(tǒng)中重要的光學(xué)器件, 其性能優(yōu)劣直接影響著 CPV系統(tǒng)的聚光率的 高低。從光學(xué)效果上來講，要求有盡量高的光線透過率、能量匯聚率及較高的聚光倍數(shù)；另外太陽 能電池需要在戶外使用，要求能抵擋外界環(huán)境的侵蝕，以及具有較強(qiáng)的抗凍耐熱能力，保證在戶外 長時間正常工作。 因此，對菲涅爾透鏡本

33、身品質(zhì)具有較高的要求，其設(shè)計和制造設(shè)計到多個技術(shù)領(lǐng)域，包括光學(xué) 工程，高分子材料工程，CNC機(jī)械加工，金剛石車削工藝， 鍍饃工藝；模壓、注塑、澆鑄等制造工藝。 目前，國內(nèi)對于這種聚光太陽能系統(tǒng)的研究剛剛起步，這應(yīng)該是一個研究熱點(diǎn)。 二.GaAs太陽能電池的性能測試 1 .太陽能電池測試光源 一般用于太陽能電池的光源在室外是太陽光，在室內(nèi)主要是熒光燈和白熾燈。在涉及到太陽光 做光源時，常用到 Air Mass (AM)的概念。 AM0 :表示太陽光通過的大氣量為零，即為大氣層以外的太陽光。其值就是太陽常數(shù)，為 140mW/cm2。宇宙用的太陽能電池的特性，通常是對 AM0的太陽光而言

34、的。 AM1 :表示太陽在正上方、恰好是赤道上海拔為零米處正南中午時的垂直日射光。晴朗時的光 強(qiáng)約為100mW/cm2,該值有時被稱為一個太陽。所謂太陽的單位多半用于聚光型的太陽能電池，例 如三個太陽意味著300mW/cm 2。 AM1.5和AM2 :分別指天頂角為48度和60度時的太陽光，光強(qiáng)是 100mW/cm 2和75mW/cm2。 室內(nèi)最一般的照明光源是熒光燈， 其特點(diǎn)是大部分的輻射能量分布在波長 400-700納米的可見光 范圍。 日光色 圖9熒光燈的光譜 如果能夠得到與標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜一致的并且光照強(qiáng)度又可以任意改變的人工光源當(dāng)然是最理想的 太陽能電池的測試光源，

35、但是目前而言還是很困難的，只能在某些方面滿足要求。 現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)照明電源主要采用 Xe燈光源以及充氣鴇燈泡(A光源)等。其余的所謂 B、C、D光源都是由A光源加上不同的光學(xué)濾光片組合而成，從而改變了色溫度。 如果要想得到在太陽光下的電池的轉(zhuǎn)換效率和輸出特性，特別是把室外太陽光直接作為測試光 源時，必須注意取光條件以及日照的變化，周圍有建筑物時，還要考慮它們的散射光的影響，因而 比較復(fù)雜。所以多采用模擬太陽來作為測量用光源。 模擬太陽是Xe燈和濾光鏡的組合。包括短弧氤燈（ Xe燈）、反射鏡、空氣質(zhì)量濾光器、積分器、 石英透鏡等裝置。 石英透鏡 反射， 空氣質(zhì)量流光器 圖10太

36、陽模擬器的基本組成 由氤燈發(fā)出的光經(jīng)過反射鏡（蒸鋁的凹面鏡）而聚焦，接著通過空氣質(zhì)量濾光鏡除去氤燈特有 的在800-1000nm的光譜，并使整個光譜接近于 AM1或AM1.5的太陽光。然后利用積分器和石英透鏡 形成面分布均勻的平行光，使得在測量平面上的太陽能電池受到均勻模擬太陽光的照射。目前國內(nèi) 已經(jīng)有多家單位可提供空氣質(zhì)量濾光鏡。 用來裝置太陽模擬器的電光源通常有以下幾種： 鹵光燈：簡易型太陽模擬器常用鹵光燈來裝置。但鹵光燈的色溫值在 2300K左右，它的光譜和 日光相差很遠(yuǎn)，紅外線含量太多，紫外線含量太少。作為廉價的太陽模擬器避免采用昂貴的濾光設(shè) 備，通常用3cm厚的水膜來濾除一

37、部分紅外線，使它近紅外區(qū)的光譜適當(dāng)改善，但卻無法補(bǔ)充過少 的紫外線。 冷光燈：冷光燈是由鹵鴇燈和一種介質(zhì)膜反射鏡構(gòu)成的組合裝置。這種反射鏡對紅外線幾乎是 透明的，而對其余光線卻能起良好的反射作用。因此經(jīng)反射后紅外線大大減弱而其它光線卻成倍增 加。和鹵鴇燈相比，冷光燈的光譜有了大幅度改善，而且避免了非常累贅的水膜濾光裝置。因此目 前簡易型太陽模擬器多數(shù)采用冷光燈。為了使它的色溫盡可能的提高些，和冷光罩配合的鹵鴇燈常 設(shè)計成高色溫，可達(dá) 3400K，但使它的壽命大大縮短，額定壽命僅 50小時。因此需經(jīng)常更換。 氤燈：氤燈的光譜分布從總的情況來看比較接近于日光， 但在0.8 pnrO.I科此間有

38、紅外線，比太 陽光大幾倍。因此必須用濾光片濾除，現(xiàn)代的精密太陽模擬器幾乎都用氤燈作電源，主要原因是光 譜比較接近日光，只要分別加上不同的濾光片即可獲得 AM0或AM1.5等不同的太陽光譜。氤燈模擬 器的缺點(diǎn)從光學(xué)方面來考慮是它的光斑很不均勻，需要有一套復(fù)雜的光學(xué)積分裝置來使光斑均勻。 從電路來考慮是它需要一套復(fù)雜而比較龐大的電源及起輝裝置。總的來說，氤燈模擬器的缺點(diǎn)是裝 置復(fù)雜，價格昂貴，特別是有效輻照面積很難做得很大。 脈沖氤燈：脈沖式太陽模擬選用各種脈沖氤燈作為光源，這種光源的特點(diǎn)是能在短時間內(nèi)發(fā)出 比一般光源強(qiáng)若干倍的強(qiáng)光，而且光譜特性比穩(wěn)態(tài)氤燈更接近于日光。由于亮度高通?？煞?/p>

39、在離太 陽電池較遠(yuǎn)的位置進(jìn)行測量，因此改善了輻照均勻性，可得到大面積的均勻光斑。 2 .電學(xué)性能測試 圖11太陽能電池的典型電流-電壓特性曲線 圖11所示為太陽能電池的典型電流 -電壓特性曲線。太陽能電池可以處于四種狀態(tài)：無光照；有 光照，短路；有光照，開路；有光照，有負(fù)載。通常作為電源時，太陽電池處于第四種狀態(tài)。描述 太陽能電池輸出特性的主要有(1)開路電壓Voc； (2)短路電流Isc； (3)最佳工作電壓Vm； (4) 最佳工作電流Im； (5)最大輸出功率Pm； (6)光電轉(zhuǎn)換效率 刀；(7)填充因子FF; ( 8)伏安特 性曲線或伏安特性；(9)短路電流溫度系數(shù) %

40、簡稱電流溫度系數(shù)；(10)開路電壓溫度系數(shù) 3,簡 稱電壓溫度系數(shù)；(11)內(nèi)部串聯(lián)電阻Rs； (12)內(nèi)部并聯(lián)電阻Rs。 通過對光照條件下，太陽能電池伏安特性的測試研究可以獲得太陽能電池輸出特性。 1)標(biāo)準(zhǔn)測試條件 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定地面標(biāo)準(zhǔn)陽光光譜采用總輻射的 AM1.5標(biāo)準(zhǔn)陽光光譜。地面陽光的總輻照度規(guī)定為 100mw/cm2。標(biāo)準(zhǔn)測試溫度規(guī)定為25 C對定標(biāo)測試，標(biāo)準(zhǔn)測13t溫度的允許差為 + 1 C。對非定標(biāo)準(zhǔn)測試。標(biāo)準(zhǔn)測試溫度允許差為 +2℃o如受客觀條件所限，只能在非標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行測試，則必須將測 量結(jié)果換算到標(biāo)準(zhǔn)測試條件。 2)測量儀器與裝置 測試框圖如圖12所示，測量太陽

41、電池的電壓和電流，應(yīng)從被測器件的端點(diǎn)單獨(dú)引出電壓線和電 流線。 拓而贏*— ^?"?1 I a- TM- -Fiji- I 電壓劇量線 圖12太陽能電池伏安特性測試框圖 (1)標(biāo)準(zhǔn)太陽電池 標(biāo)準(zhǔn)太陽電池用于校準(zhǔn)測試光源的輻射照度。對 AM1.5工作標(biāo)準(zhǔn)太陽電池作定標(biāo)測試時，用 AM1.5二級標(biāo)準(zhǔn)太陽電池校準(zhǔn)輻射度。在非定標(biāo)測試中，一般用 AM1.5工作標(biāo)準(zhǔn)輻照度，要求時 用AM1.5級標(biāo)準(zhǔn)太陽電池。 (2)電壓表(包括一切測量電壓的裝置)電壓表的精度應(yīng)不低于 0.5級。 電流表內(nèi)阻應(yīng)小到能保證在測量短路電流時，被電池兩端的電壓不超過開路電壓的 3%。當(dāng)要求 更精確時，在開

42、路電壓的3%以內(nèi)可利用電壓和電流的線性關(guān)系來推算完全短路電流。推薦用數(shù)學(xué)毫 伏表測量取樣電阻兩端電壓降的方法來測量電流。表頭可選用用 keithley 2400數(shù)字多用表。 ⑶取樣電阻 取樣電阻的精確度應(yīng)不低于 +0.2%。必須采用四端精密電阻電池短路電流和取樣電阻值的乘積應(yīng) 不超過電池開路電壓的 3%。 (4)負(fù)載電阻 負(fù)載電阻應(yīng)能從零平滑地調(diào)節(jié)到 10KQ以上。必須有足夠的功率容量，以保證在通電測量時不會 因發(fā)熱而影響測量精度。當(dāng)可變電阻不能滿足上述條件時，應(yīng)采用等效的電子可變負(fù)載。 (5) 函數(shù)記錄儀 函數(shù)記錄儀有于記錄太陽電池的伏安特性曲線。函數(shù)記錄儀的精密應(yīng)不低于 0.5 級。對函數(shù)記 錄儀內(nèi)阻的要求和對電壓表內(nèi)阻的要求相同。 (6) 溫度計 溫度計或測溫系統(tǒng)的儀器誤差應(yīng)不超過 +0.5 C 測量系統(tǒng)的時間響應(yīng)不超過 1秒。測量探頭的體 積和形狀應(yīng)保證它能盡量靠近太陽能電池的 pn結(jié)進(jìn)行安裝。 所規(guī)定的測試項目中，開路電壓和短路電流可以用電直接測量，其它參數(shù)從伏安特性求出。太 陽電池伏安特性應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)地面陽光、太陽模擬器或其它等效的模擬陽光下測量。太陽電池的伏安特 性應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)條件下測試，如受客觀條件所限，只能在非標(biāo)準(zhǔn)條件下測試，則測試結(jié)果應(yīng)換算到標(biāo)準(zhǔn) 測試條件。在測量過程中，單體太陽電池的測試溫度必須恒定在標(biāo)準(zhǔn)測試溫度。