基本介紹
- 中文名：磷化錮太陽電池
- 外文名：InP solar cells
- 屬性：Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體
結構,特點,影響因素,反向生長,低溫鍵合,發展狀況,
Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體是製造太陽能電池原件的主要材料之一，磷化銦是其主要代表之一。InP是微電子和光電子的基礎材料，為直接帶隙，禁帶寬度約1.3 eV，具有電子飽和漂移速度高、耐高溫、搞輻射等特點，在超速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨特的優勢。
結構
頂層n-InP的梯度摻雜形成 了一個厚約 250 nm的漂移場區 , 其中存在一個高達10V/cm的電場，使得本器件的收集載流子主要依賴於載流子的漂移而不是傳統的擴散 (儘管在p一InP區仍然依靠擴散) 。也正因此，這種設計應更能抗輻射的破壞，因為輻射會在晶體中造成缺陷而這使少數載流子的擴散長度減小，影響 器件的量子效率。 器件表面高達10cm的摻雜濃度的另一個好處是使得 由於表面費米能級釘扎 ( fermi level pinning )而 造成的方 向帶彎減小到5 nm以下 (通常這個帶彎為10-100 nm， 稱為 “ 死層 ”，dead laver)，從而使得器件的短波長 (藍 一紫外 )光回響得到改善 。 由於InP等許多材料對短波長光子的吸收係數通常都高於10cm因此這種改善是很有意義的，這對於 用於外層空間的太陽電池而言更是如此 。 因而本實驗集中在該器件的光譜回響方面，而暫不涉及太陽電池的其它參數，如轉換效率、重量比功率和抗輻射性能等的測量。
圖1
圖2
特點
Ⅲ－Ⅴ族化合物由於其獨特的性能，一直都是太陽電池發展的熱點方向：首先，Ⅲ－Ⅴ 族化合物大都是直接帶隙半導體，轉換效率高且提升空間大；其次，Ⅲ－Ⅴ 族化合物種類繁多，可以通過不同的組合結構來吸收不同波長範圍的太陽光，進一步提高其光電轉換效率。
與 GaAs及其他Ⅲ－Ⅴ族化合物相比，InP 太陽電池具有以下特點：① InP 材 料 禁 帶 寬 度 約 為1．3eV，直接躍遷型，因而可獲得較高的光電轉換效率，崔容強對太陽電池材料的極限參數進行了計算機模擬，結果表明InP的極限光電轉換效率比 GaAs高，並且從數據上看，InP 的極限光電轉換效率是已知材料中最高的，超過47%。②InP基太陽電池化學性能穩定。③InP 基太陽電池的抗輻射性能較好，其耐輻射劑量比 GaAs高一個數量級，比矽高兩個數量級；④InP電池可在工作狀態下自動退火恢復電性能 （而 GaAs退火溫度需要150～250 ℃，矽退火溫度需要450℃以上）。以上特點表明InP太陽電池壽命長，這對於惡劣的空間套用環境是必須的
影響因素
InP多結聚光太陽電池
1955年，E.D.Jackson就已提出以多種帶隙寬度不同的半導體材料構成多結太陽電池，1960年，M.Wolf將具有不同禁頻寬度的單結太陽電池進行堆疊，形成多結太陽電池，每結太陽電池吸收不同波長範圍的太陽輻射能，不僅提高了電池光電轉換效率，還有助於增加電池對太陽輻射光譜波長的利用 范 圍，這是太陽電池設計的一次質的飛躍。
反向生長
用IMM 技術生長多結太陽電池，一方面可以解決底電池與襯底晶格失配時的生長問題，使頂電池、中間電池與襯底晶格匹配，避免產生位錯等缺陷；另一方面可以對原始襯底進行回收利用，使成本大大降低。J.Boisvert等人對由三部分組成的InP基的亞電池單元以倒置結構生長。之後，使用大量的金屬有機物氣相外延工藝，生長了100μm厚的幾層太陽電池單元：先生長寬禁帶的化合物（頂電池），隨後是中間層，然後是緩衝層，最後是窄禁帶變形子電池 （底電池），這些晶格失配於生長基底。接下來將倒置結太陽電池豎直放置，並且
去除生長基底。
2004年，美國光譜實驗室與美國可再生能源實驗室聯合研究了 Ga0.44In0.56P/Ga0.92In0.08As/Ge三結變質太陽電池，在AM0條件下光電轉換效率達到28.8%；2007年，在 AM1.5和240倍太陽聚光條件下，美國光譜實驗室研製的Ga0.44In0.56P/Ga0.92In0.08As/Ge三結變質太陽電池取得了40.7%的光電轉換效率。
低溫鍵合
採用直接鍵合技術可以解決晶格嚴重失配材料的連線，並且將失配產生的位錯和缺陷限制在幾個納米的薄層 區 域。SBT太陽電池在 GaAs和InP襯底上分別外延兩層，然後直接鍵合到一起，隨後去除GaAs基體，並對InP襯底進行打磨。所有的亞電池均在單獨的晶格匹配的基體上生長，這使材料的質量以及隨後的性能表現均得到提高，同時也就需要保證整個晶圓大面積的區域都具有非常低的粗糙度。
Soitec公司利用 InPact公司的InP襯底，並採用低溫半導體直接鍵合技術，成功製作出在 AM1.5,297倍光照 下光電轉換效率達44.7%的聚光太陽電池， 電池 的 開 路 電 壓VOC=4.165V，短路電流 ISC=192.1mA，填充因子FF=86.5%，如圖3所示，這是目前所獲得的最高的光電轉換效率。
圖3
發展狀況
InP由於其抗輻射性能好和轉換效率高，在空間領域有很 廣 泛 的 應 用 前 景。1990 年1月，日 本首次在科學試驗衛星 “飛天”號上使用InP太陽電池作為電 源，此 後，各 國 對InP 在 太 陽 電 池 上的套用進行了研究。1987年，美國發射了LIPS－Ⅲ號衛星， 發射該衛星是為了測試聚光太陽電池，2010 年， 第 七 次 國 際 空 間 站 材 料 試 驗（MISSE-7）衛星發射， 這 也 是 太 陽 電 池 試 驗 的一次突破，這兩者均包含對InP 太陽電池的試驗。美國海軍研究實驗室 （NRL）、倫敦帝國理工學院以及MicroLink 設備公司共同設計了一個具有三個結合點的太陽電池， 這種電池具有可以打破50%的轉換效率障礙的可能性，電池使用與InP基底晶格匹配的材料， 其能帶間隙可以直接達到從0.7eV 到1.8eV。德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所 （Fraunhofer ISE）的科研人員開發出了光電轉換效率高達41.1% 的太陽電池，這種電池內部的三個子電池由 CaAs, InP和GaN相互疊加而成，每個子電池都能特別有效地轉化一定波長範圍的太陽光，使整個太陽光譜都可用於能源生產。
光譜實驗室堅持推動反向生長太陽電池技術以及半導體鍵合技術在太空及近太空套用領域的發展，已經證明，在 AM0光照、28 ℃條件下，3結點IMM太陽電池光電轉換效率超過32.5%；4結點SBT電池光電轉換效率達到33.5%。從套用前景上看，半導體鍵合技術遠遠好於反向生長技術，半導體鍵合技術沒有厚的緩衝層，採用直接鍵合技術，將生長於InP和 GaAs襯底上的子電池鍵合到一起。
李果華等人用計算機模擬的方法對輕型InP光伏太陽電池進行了計算機強抗輻射模擬。通過對比轉換效率和輻照強度發現，即使經 10MeV.cm的輻射輻照後，InP光伏太陽電池仍可獲得7%的光電轉換效率；這就說明InP光伏太陽電池在太空中無需防護保護，3200km 極地軌道上太空飛行器就能在10年中穩定地從InP 光伏太陽電池中獲取能量，這是一項超越性的發現。江南大學理學院光信息科學與技術系的科研人員趙斐等人對雙梯度摻雜漂移機制InP太陽電池進行了計算機模擬，為器件的設計提供相關參考數據。
高聚光型太陽電池已成為全球太陽能產業矚目的新焦點，SolarJunction公司的最新電池在日照強度為947 W/m時光電轉換效率為 44%， 打破了該公司2011年4月創造的日照強度418W/m2時43.5%的紀錄。 李果華等人對單晶薄膜InP太陽電池的光譜回響進行研究，採用分子束外延技術在p-InP襯底上外延InP電池，與初期構想致，有望獲得高效率的InP太陽電池。
InP太陽電池由於製造成本高，還未廣泛地套用於太空和地面領域，但是其較好的抗輻射性以及高的轉換效率，使其具有良好的發展前景。國外每年有1000 kg的 InP 用 量，而國內卻很少，這是不容忽視的。InP太陽電池今後的發展方向 為：首先繼續進行大直徑InP單晶生長的研究，多疊層結構中採用聚光型太陽電池系統來進一步增加太陽電池的光電轉換效率，InP納米線太陽電池製作工藝簡單，有助於節約成本，是未來InP太陽電池的發展方向之一。
