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熱壁外延（HWE）在導(dǎo)電玻璃上生長(zhǎng)GaAs薄膜
引 言
目前，太陽(yáng)電池應(yīng)用最大的障礙就是成本高，世界商品化生產(chǎn)的太陽(yáng)電池主要是單晶硅、多晶硅和非晶硅電池。其中非晶硅電池成本較低，但功率衰減嚴(yán)重，性能不夠穩(wěn)定，至今未能很好解決。單晶硅和多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定、工藝比較成熟，但因所用的單晶硅和多晶硅均為間接帶隙材料，對(duì)光的吸收系數(shù)較低，需要較大的厚度才能有效吸收太陽(yáng)光，材料的費(fèi)用相對(duì)較高，成本難以大幅度降低。
以國(guó)產(chǎn)單晶硅太陽(yáng)電池在昆明地區(qū)（太陽(yáng)能輻射資源中偏上）發(fā)電為例，按系統(tǒng)價(jià)45元/Wp計(jì)算，壽命20年，其發(fā)電成本為1.45元/kWh，與昆明市電價(jià)0.4元/kWh相比，成本仍然過(guò)高，加之建成太陽(yáng)能發(fā)電站的初期投資大，這便成為地面推廣應(yīng)用的巨大障礙。
本文主要闡述GaAs薄膜太陽(yáng)電池的利用前景和利用HWE方法在導(dǎo)電玻璃上生長(zhǎng)GaAs薄膜取得的成果。
1薄膜太陽(yáng)電池的現(xiàn)狀
國(guó)際上目前相對(duì)成熟的多晶薄膜太陽(yáng)電池主要有CdS/CulnSe2和CdS/CdTe薄膜太陽(yáng)電池。其中前者的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)18%，后者的轉(zhuǎn)換效率達(dá)16%[1]。目前均有小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)。商品太陽(yáng)電池的效率一般為8%——10%。Cds/CulnSe2薄膜太陽(yáng)電池一般采用多元真空蒸發(fā)工藝制備，工藝較為復(fù)雜，成品率不很高。CdS/CdTe薄膜太陽(yáng)電池效率最高的是采用近距離升華（close-spaced sublimation）法制備[2]，該太陽(yáng)電池存在的主要問(wèn)題是大規(guī)模采用后，Cd的環(huán)境污染需要解決。
2光伏電池所面臨的問(wèn)題和提出的解決方案
低成本、長(zhǎng)壽命光伏電池需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：首先是研制能穩(wěn)定獲得高效率且低成本的半導(dǎo)體材料；其次，能用低成本的工藝路線生產(chǎn)這種光伏電池。經(jīng)研究，我們認(rèn)為：?jiǎn)尉Ш投嗑П∧aAs材料加上低成本的光伏電池生產(chǎn)工藝路線能滿足這兩點(diǎn)要求，這是由于：
a）GaAs的禁帶寬度在1.424ev(300k)[3]，能與太陽(yáng)光較好地匹配，相應(yīng)也就有好的高溫工作特性和高的光電轉(zhuǎn)換效率（目前單晶GaAs太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到25%，疊層太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)30%）；
b）GaAs為直接帶隙躍遷半導(dǎo)體材料，吸收系數(shù)大，5μm的厚度即可吸收95%以上的可利用太陽(yáng)光，因而可以作為薄膜太陽(yáng)電池，大幅度降低材料成本。與目前的GaAs電池相比，其材料成本可降低100倍；
c）單晶或多晶GaAs薄膜電池，其抗輻照性能好、壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性有可靠的保證。
雖然GaAs材料的價(jià)格昂貴，但對(duì)于GaAs薄膜太陽(yáng)電池，由于GaAs層很薄，所以需材料很少，價(jià)格并不高。例如制成GaAs/Si疊層太陽(yáng)電池，組件成本可大幅度下降，是一種很有希望的廉價(jià)太陽(yáng)電池。美國(guó)能源部目前已經(jīng)將高效GaAs疊層太陽(yáng)電池列為地面應(yīng)用太陽(yáng)電池的關(guān)鍵技術(shù)之一來(lái)進(jìn)行攻關(guān)。
3 GaAs/Glass的利用前景
對(duì)于空間用太陽(yáng)電池，要求其具有高的效率，輕的重量和高的抗輻射能力。為了獲得高效率，Ⅲ-Ⅴ族材料的串連結(jié)構(gòu)如In0.5Ga0.5P在GaAs或Ge襯底上生長(zhǎng)的外延層已經(jīng)被采用。太陽(yáng)電池用這些Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料比用Si半導(dǎo)體材料有更好的抗輻射力。為了進(jìn)一步提高抗輻射能力使用時(shí)必需在裸電池表面貼耐輻射的石英玻璃蓋片。但總的結(jié)果將大大增加太陽(yáng)電池的總重量。
空間用太陽(yáng)電池現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到商業(yè)應(yīng)用階段而不是初期的科學(xué)或軍用階段。降低空間用太陽(yáng)電池的成本就成了最重要的問(wèn)題。因此空間太陽(yáng)電池除了上面所提及的要求外還應(yīng)該是低成本的。然而，目前的GaAs單晶半導(dǎo)體材料是很貴的。加之，很厚的襯底通常對(duì)于光伏效應(yīng)是多余的，因?yàn)棰?Ⅴ族半導(dǎo)體對(duì)太陽(yáng)輻射波長(zhǎng)有相對(duì)高的吸收系數(shù)，幾微米的厚度對(duì)一個(gè)太陽(yáng)電池就足夠了。
直接在摻鈰的耐輻射的石英玻璃蓋片上生長(zhǎng)Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體薄膜電池將有望實(shí)現(xiàn)所有的要求。這也推進(jìn)了下面的情況：不使用造價(jià)高的半導(dǎo)體襯底；這種結(jié)構(gòu)成減輕了所用太陽(yáng)電池的整體。此外，這種積成工藝會(huì)大大降低太陽(yáng)電池板成本。
4 HWE生長(zhǎng)GaAs薄膜的意義
目前，國(guó)外采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、液相外延（LPE）和分子束外延（MBE）生長(zhǎng)技術(shù)，已經(jīng)在Si襯底表面制成高質(zhì)量單晶GaAs薄膜，采用多層結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率，例如1988年美國(guó)研制成的高效疊層多結(jié)太陽(yáng)電池，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)40%，德國(guó)夫朗和費(fèi)實(shí)驗(yàn)室制作的疊層GaAs/Si太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到36%（AMO,300K）。此外，利用化學(xué)束外延（CBE）在低溫條件下，已經(jīng)可以在玻璃襯底上生長(zhǎng)GaAs多晶薄膜材料。
云南師范大學(xué)太陽(yáng)能研究所則利用熱壁外延（HWE）的方法在導(dǎo)電玻璃上直接生長(zhǎng)GaAs薄膜。經(jīng)電子探針（EPMA）、X射線衍射（XRD）、Raman散射光譜（RSS）和熒光光譜（PL）分析其結(jié)構(gòu)特性、電學(xué)特性和光學(xué)特性，結(jié)果表明所制薄膜表面致密均勻、呈絨面結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸較大。薄膜的衍射峰符合標(biāo)準(zhǔn)光譜分布、半寬高僅為80nm，為高質(zhì)量結(jié)晶薄膜，因此采用HWE生長(zhǎng)的GaAs薄膜有好的結(jié)構(gòu)特征結(jié)晶質(zhì)量，適合作為太陽(yáng)電池的襯底材料。加之這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是，設(shè)備簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、操作簡(jiǎn)便，在較低的溫度下就可以生長(zhǎng)得到GaAs薄膜。這樣，較之其它方法來(lái)看，利用HWE來(lái)生長(zhǎng)GaAs薄膜更有利于降低整個(gè)太陽(yáng)電池的成本。因此有望成為今后高效、廉價(jià)太陽(yáng)電池材料的候選材料，具有很好的發(fā)展前景。
引 言
目前，太陽(yáng)電池應(yīng)用最大的障礙就是成本高，世界商品化生產(chǎn)的太陽(yáng)電池主要是單晶硅、多晶硅和非晶硅電池。其中非晶硅電池成本較低，但功率衰減嚴(yán)重，性能不夠穩(wěn)定，至今未能很好解決。單晶硅和多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定、工藝比較成熟，但因所用的單晶硅和多晶硅均為間接帶隙材料，對(duì)光的吸收系數(shù)較低，需要較大的厚度才能有效吸收太陽(yáng)光，材料的費(fèi)用相對(duì)較高，成本難以大幅度降低。
以國(guó)產(chǎn)單晶硅太陽(yáng)電池在昆明地區(qū)（太陽(yáng)能輻射資源中偏上）發(fā)電為例，按系統(tǒng)價(jià)45元/Wp計(jì)算，壽命20年，其發(fā)電成本為1.45元/kWh，與昆明市電價(jià)0.4元/kWh相比，成本仍然過(guò)高，加之建成太陽(yáng)能發(fā)電站的初期投資大，這便成為地面推廣應(yīng)用的巨大障礙。
本文主要闡述GaAs薄膜太陽(yáng)電池的利用前景和利用HWE方法在導(dǎo)電玻璃上生長(zhǎng)GaAs薄膜取得的成果。
1薄膜太陽(yáng)電池的現(xiàn)狀
國(guó)際上目前相對(duì)成熟的多晶薄膜太陽(yáng)電池主要有CdS/CulnSe2和CdS/CdTe薄膜太陽(yáng)電池。其中前者的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)18%，后者的轉(zhuǎn)換效率達(dá)16%[1]。目前均有小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)。商品太陽(yáng)電池的效率一般為8%——10%。Cds/CulnSe2薄膜太陽(yáng)電池一般采用多元真空蒸發(fā)工藝制備，工藝較為復(fù)雜，成品率不很高。CdS/CdTe薄膜太陽(yáng)電池效率最高的是采用近距離升華（close-spaced sublimation）法制備[2]，該太陽(yáng)電池存在的主要問(wèn)題是大規(guī)模采用后，Cd的環(huán)境污染需要解決。
2光伏電池所面臨的問(wèn)題和提出的解決方案
低成本、長(zhǎng)壽命光伏電池需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：首先是研制能穩(wěn)定獲得高效率且低成本的半導(dǎo)體材料；其次，能用低成本的工藝路線生產(chǎn)這種光伏電池。經(jīng)研究，我們認(rèn)為：?jiǎn)尉Ш投嗑П∧aAs材料加上低成本的光伏電池生產(chǎn)工藝路線能滿足這兩點(diǎn)要求，這是由于：
a）GaAs的禁帶寬度在1.424ev(300k)[3]，能與太陽(yáng)光較好地匹配，相應(yīng)也就有好的高溫工作特性和高的光電轉(zhuǎn)換效率（目前單晶GaAs太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到25%，疊層太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)30%）；
b）GaAs為直接帶隙躍遷半導(dǎo)體材料，吸收系數(shù)大，5μm的厚度即可吸收95%以上的可利用太陽(yáng)光，因而可以作為薄膜太陽(yáng)電池，大幅度降低材料成本。與目前的GaAs電池相比，其材料成本可降低100倍；
c）單晶或多晶GaAs薄膜電池，其抗輻照性能好、壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性有可靠的保證。
雖然GaAs材料的價(jià)格昂貴，但對(duì)于GaAs薄膜太陽(yáng)電池，由于GaAs層很薄，所以需材料很少，價(jià)格并不高。例如制成GaAs/Si疊層太陽(yáng)電池，組件成本可大幅度下降，是一種很有希望的廉價(jià)太陽(yáng)電池。美國(guó)能源部目前已經(jīng)將高效GaAs疊層太陽(yáng)電池列為地面應(yīng)用太陽(yáng)電池的關(guān)鍵技術(shù)之一來(lái)進(jìn)行攻關(guān)。
3 GaAs/Glass的利用前景
對(duì)于空間用太陽(yáng)電池，要求其具有高的效率，輕的重量和高的抗輻射能力。為了獲得高效率，Ⅲ-Ⅴ族材料的串連結(jié)構(gòu)如In0.5Ga0.5P在GaAs或Ge襯底上生長(zhǎng)的外延層已經(jīng)被采用。太陽(yáng)電池用這些Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料比用Si半導(dǎo)體材料有更好的抗輻射力。為了進(jìn)一步提高抗輻射能力使用時(shí)必需在裸電池表面貼耐輻射的石英玻璃蓋片。但總的結(jié)果將大大增加太陽(yáng)電池的總重量。
空間用太陽(yáng)電池現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到商業(yè)應(yīng)用階段而不是初期的科學(xué)或軍用階段。降低空間用太陽(yáng)電池的成本就成了最重要的問(wèn)題。因此空間太陽(yáng)電池除了上面所提及的要求外還應(yīng)該是低成本的。然而，目前的GaAs單晶半導(dǎo)體材料是很貴的。加之，很厚的襯底通常對(duì)于光伏效應(yīng)是多余的，因?yàn)棰?Ⅴ族半導(dǎo)體對(duì)太陽(yáng)輻射波長(zhǎng)有相對(duì)高的吸收系數(shù)，幾微米的厚度對(duì)一個(gè)太陽(yáng)電池就足夠了。
直接在摻鈰的耐輻射的石英玻璃蓋片上生長(zhǎng)Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體薄膜電池將有望實(shí)現(xiàn)所有的要求。這也推進(jìn)了下面的情況：不使用造價(jià)高的半導(dǎo)體襯底；這種結(jié)構(gòu)成減輕了所用太陽(yáng)電池的整體。此外，這種積成工藝會(huì)大大降低太陽(yáng)電池板成本。
4 HWE生長(zhǎng)GaAs薄膜的意義
目前，國(guó)外采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、液相外延（LPE）和分子束外延（MBE）生長(zhǎng)技術(shù)，已經(jīng)在Si襯底表面制成高質(zhì)量單晶GaAs薄膜，采用多層結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率，例如1988年美國(guó)研制成的高效疊層多結(jié)太陽(yáng)電池，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)40%，德國(guó)夫朗和費(fèi)實(shí)驗(yàn)室制作的疊層GaAs/Si太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到36%（AMO,300K）。此外，利用化學(xué)束外延（CBE）在低溫條件下，已經(jīng)可以在玻璃襯底上生長(zhǎng)GaAs多晶薄膜材料。
云南師范大學(xué)太陽(yáng)能研究所則利用熱壁外延（HWE）的方法在導(dǎo)電玻璃上直接生長(zhǎng)GaAs薄膜。經(jīng)電子探針（EPMA）、X射線衍射（XRD）、Raman散射光譜（RSS）和熒光光譜（PL）分析其結(jié)構(gòu)特性、電學(xué)特性和光學(xué)特性，結(jié)果表明所制薄膜表面致密均勻、呈絨面結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸較大。薄膜的衍射峰符合標(biāo)準(zhǔn)光譜分布、半寬高僅為80nm，為高質(zhì)量結(jié)晶薄膜，因此采用HWE生長(zhǎng)的GaAs薄膜有好的結(jié)構(gòu)特征結(jié)晶質(zhì)量，適合作為太陽(yáng)電池的襯底材料。加之這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是，設(shè)備簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、操作簡(jiǎn)便，在較低的溫度下就可以生長(zhǎng)得到GaAs薄膜。這樣，較之其它方法來(lái)看，利用HWE來(lái)生長(zhǎng)GaAs薄膜更有利于降低整個(gè)太陽(yáng)電池的成本。因此有望成為今后高效、廉價(jià)太陽(yáng)電池材料的候選材料，具有很好的發(fā)展前景。
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