超薄Ga InP/Ga InAs/Ge太陽(yáng)電池研究

高 偉， 張 寶， 薛 超， 高 鵬， 王保民

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384）

現(xiàn)代航天工程的發(fā)展對(duì)電源系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，一方面要求高功率，另一方面又要求盡量減小電源系統(tǒng)的質(zhì)量、體積，同時(shí)要降低成本[1]。自20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，以砷化鎵電池為基礎(chǔ)的高效率多結(jié)太陽(yáng)電池得到大力發(fā)展，但是由于使用的工藝設(shè)備、原材料等原因，電池的質(zhì)量比功率因剛性襯底的引入難以大幅度地降低。鑒于Ⅲ-Ⅴ族太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率高、抗輻照性能好、溫度特性優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，各國(guó)科研人員都在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行著超薄或柔性Ⅲ-Ⅴ族太陽(yáng)電池研究。

近年來(lái)，GaInP/GaInAs/Ge結(jié)構(gòu)的砷化鎵太陽(yáng)電池作為主要的電源被廣泛地應(yīng)用于各種航天器。這種結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池是在Ge襯底上通過(guò)MOCVD工藝進(jìn)行生長(zhǎng)GaInP結(jié)的頂電池和GaInAs結(jié)的中間電池與擴(kuò)散形成的Ge結(jié)的底電池串聯(lián)成三結(jié)太陽(yáng)電池，其中Ge材料既是襯底又是電池的重要組成部分。三結(jié)太陽(yáng)電池外延層僅有6μm厚左右，電池的質(zhì)量主要集中在Ge襯底上面，目前國(guó)內(nèi)制作三結(jié)太陽(yáng)電池所使用的Ge襯底一般為175μm厚，國(guó)外主要采用145μm厚。雖然襯底厚度超過(guò)140μm，但是作為Ge結(jié)使用僅僅為10μm左右。在保持光電轉(zhuǎn)換效率不變的情況下，使襯底變薄或使用超薄襯底制作三結(jié)太陽(yáng)電池就可大幅度減輕電池的質(zhì)量，從而使衛(wèi)星可搭載更多的設(shè)備，降低發(fā)射成本。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)生產(chǎn)的AIXTRON 2800型行星方式旋轉(zhuǎn)反應(yīng)室的MOCVD設(shè)備進(jìn)行外延生長(zhǎng)。采用三級(jí)純化的H2作為載氣。原材料使用高純度的金屬有機(jī)物為III族源，包含三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMA l)、三甲基銦(TMIn)等。氣體V族氫化物為AsH3、PH3，n型摻雜源為H2稀釋的硅烷 (SiH4)，p型摻雜源為金屬有機(jī)物二甲基鋅(DMZn)。生長(zhǎng)溫度為600～700℃之間。采用雙晶衍射儀進(jìn)行測(cè)試，確定外延層的晶格匹配。電池性能參數(shù)測(cè)試設(shè)備為微機(jī)控制光譜響應(yīng)測(cè)試儀、太陽(yáng)模擬器及數(shù)字化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。外延結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三結(jié)太陽(yáng)電池

實(shí)驗(yàn)使用175和80μm兩種厚度的襯底進(jìn)行生長(zhǎng)外延結(jié)構(gòu)。由于80μm的襯底很薄，在生長(zhǎng)前裝襯底的過(guò)程中要格外小心，以免造成碎裂。在外延的生長(zhǎng)過(guò)程中，由于在高溫的環(huán)境下進(jìn)行生長(zhǎng)，生長(zhǎng)材料的熱膨脹系數(shù)不同，會(huì)使得襯底發(fā)生變形，造成外延片破裂。我們通過(guò)延長(zhǎng)升降溫的時(shí)間，避免溫度的突變，使材料的之間應(yīng)力慢慢地釋放。在生長(zhǎng)關(guān)鍵外延薄層的過(guò)程中，改變生長(zhǎng)速率實(shí)現(xiàn)晶體質(zhì)量最優(yōu)，一般情況下，GaAs的生長(zhǎng)溫度低于700℃，在650～700℃間，能獲得性能優(yōu)異的GaAs晶體材料。采用間斷等生長(zhǎng)方法，使得層與層之間具有非常陡峭的界面，使載流子濃度應(yīng)有利于形成較高接觸電勢(shì)差的突變pn結(jié)，以提高電池開(kāi)路電壓，也實(shí)現(xiàn)了組分穩(wěn)定。減少外延片的破裂。

三結(jié)電池約10%的光電轉(zhuǎn)換來(lái)自由Ge結(jié)構(gòu)成的底電池的貢獻(xiàn)，由于考慮到后續(xù)要對(duì)厚的襯底進(jìn)行減薄，在減薄的過(guò)程中可能會(huì)對(duì)Ge結(jié)造成影響，從而影響到整體電池的性能，所以在外延生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)控制外延層的施主雜質(zhì)向p型Ge襯底內(nèi)的擴(kuò)散占主導(dǎo)地位，在Ge襯底上表面內(nèi)形成具有良好特性的p-n結(jié)。

在三結(jié)太陽(yáng)電池中隧穿結(jié)是極為關(guān)鍵的，隧穿結(jié)用于相鄰兩級(jí)電池之間的“無(wú)壓降”歐姆連接，是兩端式整體級(jí)聯(lián)電池的關(guān)鍵技術(shù)之一。通常制作隧穿結(jié)要生長(zhǎng)十幾納米高摻雜的外延層。通過(guò)優(yōu)化隧穿結(jié)減少襯底減薄對(duì)電池的影響。大部分采用兩個(gè)異質(zhì)材料結(jié)構(gòu)的隧穿結(jié)，隧穿結(jié)外層由較里層低摻雜濃度的高禁帶寬度的化合物材料組成，隧穿結(jié)內(nèi)部高摻雜低禁帶寬度的材料組成，原理在于，外隧穿結(jié)稍低的摻雜濃度可使隧穿電流得到保證，同時(shí)作為WINDOWS層和背場(chǎng)阻止高摻雜濃度層向低濃度層擴(kuò)散，減少?gòu)?fù)合的發(fā)生。

因此在設(shè)計(jì)生長(zhǎng)隧穿結(jié)，要考慮材料、高摻雜、p/n的摻雜、外延條件等。可以提高隧穿結(jié)的電流、無(wú)電壓降的有效方法是高摻雜、減少厚度。一般，制作幾十納米厚的隧穿結(jié)。較寬的禁帶寬度材料（AlGaAs、GaInP等）隧穿結(jié)，少吸收光，因此各子電池更好地吸收光。三種GaAs/GaAs AlGaAs/GaAs A l-GaAs/GaInP制作的隧穿結(jié)做比較，A lGaAs/GaInP有更大的隧穿電流，可以使電流順利通過(guò)。為了進(jìn)一步降低隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)給GaInAs電池帶來(lái)的影響，需要盡可能提高隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)的禁帶寬度，以減少隧穿結(jié)材料對(duì)有效光子的吸收，使用GaInP結(jié)構(gòu)來(lái)代替原有的GaAs，可實(shí)現(xiàn)這樣的目的。由于GaInP材料對(duì)有效光子的吸收遠(yuǎn)低于GaAs，因此這種結(jié)構(gòu)的隧穿結(jié)能夠更好地透射光子進(jìn)入GaInAs子電池，能夠提高GaInAs子電池的光電轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而提高級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究，采用了特殊的生長(zhǎng)工藝，實(shí)現(xiàn)了GaInP材料的n型高摻雜，濃度達(dá)到1×1019/cm3以上。

通過(guò)一系列的努力生長(zhǎng)出來(lái)的外延片，對(duì)其進(jìn)行雙晶衍射儀進(jìn)行測(cè)試，兩種襯底的晶格匹配測(cè)試結(jié)果基本相同，見(jiàn)圖2。

圖2 雙晶衍射測(cè)試圖

兩種厚度的外延片分別進(jìn)行器件工藝制作，175μm厚的外延片首先要進(jìn)行襯底的減薄，減薄的方式有兩種，一種是通過(guò)機(jī)械研磨的方法進(jìn)行減薄，另外一種是通過(guò)化學(xué)腐蝕的方法進(jìn)行減薄。第一種方法容易對(duì)電池的外延結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，所以我們采用第二種方法，將外延層先鍵合到新的襯底上，然后通過(guò)腐蝕原始襯底，實(shí)現(xiàn)外延片的減薄。通過(guò)腐蝕掉一定厚度的襯底，實(shí)現(xiàn)了對(duì)外延片的減薄，由于所用的腐蝕液具有選擇性，并不會(huì)破壞外延層，用這種方法能較好地實(shí)現(xiàn)外延片的減薄。把襯底從175μm減薄到80μm，兩種外延片經(jīng)過(guò)如圖3方式進(jìn)行器件工藝制作，制作結(jié)果基本相同如圖4。

圖3 器件工藝流程圖

圖4 器件制作后電池

經(jīng)過(guò)劃片，制作了尺寸為40mm×60mm的電池，電池表面蒸鍍雙層減反射膜，此電池具有一定柔性，在外力下可適當(dāng)彎曲，如圖5。

圖5 80μm三結(jié)太陽(yáng)電池

2 結(jié)果與討論

采用外延優(yōu)化后的工藝和特殊的器件工藝制作的GaInP/GaInAs/Ge結(jié)構(gòu)三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，80μm厚襯底直接生長(zhǎng)的三結(jié)太陽(yáng)電池編號(hào)為3J001，175μm襯底減薄到80μm制作的電池編號(hào)為3J002，對(duì)其進(jìn)行光譜響應(yīng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 電池光譜響應(yīng)

圖6中紅色曲線為3J001測(cè)試結(jié)果，另外一條為3J002。從圖6可見(jiàn)，兩片電池在頂電池和中間電池的光譜響應(yīng)基本相同，在Ge結(jié)的底電池有些區(qū)別。經(jīng)過(guò)減薄的電池對(duì)Ge結(jié)有一定的損傷，會(huì)對(duì)電流吸收有些影響，但是由于Ge結(jié)吸收的光譜很寬，雖然有些影響，不會(huì)影響整體電池的電流匹配。

用太陽(yáng)模擬器在AM0的光譜下，對(duì)兩片三結(jié)太陽(yáng)電池進(jìn)行了電性能測(cè)試，電性能參數(shù)見(jiàn)表1，I-V曲線見(jiàn)圖7、圖8。

表1 兩片太陽(yáng)申池申性能參數(shù)

圖7 3J001電池I-V曲線

圖8 3J002電池I-V曲線

目前制作成功的這種超薄的三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池質(zhì)量是目前大量生產(chǎn)三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的一半。將測(cè)試樣品用物理分析天平進(jìn)行稱重，進(jìn)行功率、質(zhì)量比計(jì)算，與正常厚度的三結(jié)太陽(yáng)電池進(jìn)行比較，不難發(fā)現(xiàn)其比功率大幅度提高，如表2所示。

不難算出，薄的太陽(yáng)電池質(zhì)量比功率分別是正常電池的2.14倍和1.99倍，其作為空間電源的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)明顯顯現(xiàn)出來(lái)。

表2 太陽(yáng)電池的質(zhì)量比功率

質(zhì)量減輕主要是由于襯底變薄了造成的，這就意味著同樣一根Ge單晶棒可切出更多的襯底片，節(jié)約了購(gòu)買(mǎi)襯底的成本，同樣也使得空間飛行器可攜帶更多的設(shè)備。不管是通過(guò)化學(xué)方法使電池減薄還是直接用80μm厚襯底直接生長(zhǎng)的三結(jié)太陽(yáng)，襯底變薄也給器件工藝帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因?yàn)橐r底變薄后與正常175μm襯底制作的正常三結(jié)太陽(yáng)電池相比，電池更加易碎，提高了器件工藝的破損率。由于很薄，外延片是彎曲的，給光刻也帶來(lái)不小的麻煩，使得光刻的圖形不理想。在腐蝕的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)側(cè)向腐蝕很嚴(yán)重，腐蝕液從電池的側(cè)面進(jìn)入破壞了邊緣的外延層，使得表面的缺陷態(tài)增加，復(fù)合電流會(huì)增大，甚至?xí)谶吘壧幊霈F(xiàn)局部微短路使電池性能下降。如果不解決這些問(wèn)題襯底變薄帶來(lái)的成本降低會(huì)被器件工藝上所增加成本抵消掉。通過(guò)研制合理有效的專用工具和提高工人的熟練程度來(lái)降低破損率，努力消除光刻帶來(lái)的不良影響，通過(guò)改進(jìn)腐蝕工藝和對(duì)晶片側(cè)面的保護(hù)，盡可能的減少腐蝕液從側(cè)面腐蝕外延片，從而得到滿意的外延片。

目前國(guó)際上德國(guó)的AZUR SPACE公司開(kāi)展了相關(guān)的研究，制作的太陽(yáng)電池在AM0的光譜下，光電轉(zhuǎn)換效率接近30%，按照目前我們制作電池的質(zhì)量來(lái)計(jì)算，質(zhì)量比功率可達(dá)到791.2W/kg。AZUR SPACE公司接下來(lái)研究20μm厚的三結(jié)太陽(yáng)電池，進(jìn)一步提高質(zhì)量比功率。我們通過(guò)對(duì)外延工藝和器件工藝的優(yōu)化和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)電池性能的進(jìn)一步提高。

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，采用優(yōu)化后的外延工藝和特殊的器件工藝，可在薄的襯底和正常厚度的襯底制作出具有一定柔性的GaInP/GaInAs/Ge結(jié)構(gòu)的超薄砷化鎵太陽(yáng)電池，在保證效率的同時(shí)，可以大幅度地減輕質(zhì)量，有效地提高衛(wèi)星的發(fā)射質(zhì)量，節(jié)約發(fā)射成本，同時(shí)可降低襯底的成本，由于具有一定柔性，可應(yīng)用得更加廣泛。

[1]SENFT D C.Opportunities in photovoltaic for space power generation[C]//IEEE Photovoltaic Specialists Conference.Florida，USA：IEEEPiscataway，2005：536-541.