含有布拉格反射器的Ga InP/Ga InAs/Ge太陽電池研究

高偉，高慧，許軍，張寶，劉長喜，王保民，穆杰

（中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384）

GAOWei,GAO Hui,XU Jun,ZHANG Bao,LIU Chang-xi,WANG Bao-min,MU Jie

含有布拉格反射器的Ga InP/Ga InAs/Ge太陽電池研究

高偉，高慧，許軍，張寶，劉長喜，王保民，穆杰

（中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384）

通過數學方法，對中心波長為880 nm的布拉格反射器進行了理論計算和設計。采用MOCVD技術在Ge襯底上外延生長了15個周期，中心波長為880 nm的AlAs/GaAs結構的布拉格反射器，并且成功植入到Ga InP/Ga InAs/Ge結構的太陽電池中，使中間電池減薄到1.5μm，并且在AM 0光譜下電池效率達到29.36%。

布拉格反射器；太陽電池；中心波長；反射率

1 理論計算

布拉格反射器是由兩層不同折射率的半導體材料交替生長構成。它的中心反射波長主要取決于膜層的折射率和光學厚度，反射器的每一層光學厚度都必須滿足1/4中心波長0的相關條件。達到特定的光的波長范圍內，使其對光將近100%反射，反之則對光的反射幾乎為零。

如果是多層的膜，反射系數可以利用轉移矩陣的方法計算[3]，每一層膜的光學特性可以用矩陣表示為：

從光譜來看，大于900 nm的紅外光不會被GaInAs中間電池吸收，所以在中間電池基區的下面生長中心波長為880 nm的布拉格反射器，使其反射相應范圍的光，提高中間電池的電流，就可以保證電流不變的情況下，減薄中間電池基區，提高抗輻照能力。通過理論計算，可以得出兩種不同材料組合所得到的布拉格反射器，見表1。

表1 不同材料的布拉格反射器

在GaInP/GaInAs/Ge結構的太陽電池中加入布拉格反射器，由于是在中間電池GaInAs材料的下面生長布拉格反射器，其晶格常數與AlAs和GaAs基本相同，晶格常數見圖1，考慮到材料之間的匹配性和工藝的易實現性，決定生長AlAs/GaAs的布拉格反射器更加容易，對于材料的完美性無影響。圖2給出了生長中心波長為880 nm的A lAs/GaAs布拉格反射器生長的周期數和反射率的曲線。從圖2中可以看出當周期數超過12時，中心反射波長處的反射率幾乎達到100%[4]。

圖1 III-V族化合物的禁帶寬度和晶格常數

圖2 布拉格反射器中心波長處反射率隨周期數變化

2 實驗

實驗采用德國生產的AIXTRON 2800型行星方式旋轉的反應室的MOCVD設備進行外延生長。使用P型(100)晶向偏(111)9°的單面拋光的Ge襯底，采用三級純化的H2作為載氣。原材料使用高純度的金屬有機物為III族源，包含：三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)、三甲基銦(TM In)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物二甲基鋅(DMZn)。生長溫度為600～700℃。首先生長15個周期層厚為73 nm的AlAs和60 nm的GaAs結構的布拉格反射器，外延結構如圖3所示。然后在中間電池下面，外延生長含有15個周期的布拉格反射器GaInP/GaInAs/Ge結構的太陽電池，外延結構如圖4所示。

圖3 布拉格反射器結構圖

圖4 三結太陽電池

為了生長高質量的材料，采用間斷的生長方法，使得層與層之間具有非常陡峭的界面。即生長完一層就停止，反應室只通入V族源氣體，從而實現組分穩定的材料，材料具有很好的光學特性。生長外延片制作后進行器件工藝，制作了尺寸為40mm×60mm的電池，電池表面蒸鍍雙層減反射膜。

3 結果與討論

采用電化學C-V的方法測試布拉格反射器的摻雜濃度，如圖5所示。從圖5中可以看出，生長出來的材料具有較高的摻雜濃度，能夠滿足使用的水平，不會給太陽電池造成串聯電阻變大的問題，也不會使填充因子變低。

圖5 電化學C-V測試曲線

為了驗證前期的理論計算，測試含有布拉格反射器的外延片，測試結果見圖6。從圖6中可以看出，在中心波長為880 nm時，光幾乎被100%反射，說明此反射器具有很好的光學干涉效果和對特定波長的光完全反射的能力。

圖6 反射率測試

通過反射率和電化學C-V的測試，說明制作的布拉格反射器具有優異的性能，完全可以用到GaInP/GaInAs/Ge結構的太陽電池中。通過減薄中間電池基區的厚度，從而減少帶電粒子輻照后基區材料產生非輻射的復合中心，使光生電流減少。通過生長薄的基區并加入具有反射功能的布拉格反射器，使得特定的光被反射，可以改進載流子的吸收，這樣就補償了基區減薄的影響。帶有布拉格反射器基區1.5μm厚的中間電池與不帶反射器基區3μm厚的中間電池產生的光生電流相同，達到18mA/cm2。這就使得這種電池具有更強的抗輻照能力。光譜響應見圖7。

圖7 電池光譜響應

測試了三結電池的光照I-V曲線，光電性能為：開路電壓2.67 V，短路電流413.7mA，填充因子0.86，光電轉換效率29.36%(AM 0，25℃)，見圖8。

4 結論

通過優化布拉格反射器生長工藝，設計合適的周期數，精確控制材料組分，保持較高的晶體質量，成功地在GaInP/GaInAs/Ge結構三結太陽電池結構中引入布拉格反射器，在保證頂電池與中間電池的電流匹配的同時，減薄中間電池的基區，從而提高太陽電池的耐輻照能力。

圖8 電池I-V曲線

[1]LANTRATOV V M,EMELYANOV V M,KALYUZHNYY N A, et al.Improvement of radiation resistance ofmultijunction[J].Advances in Scienceand Technology,2010,74:225-230.

[2]SHVARTSM Z,CHOSTA O I,KOCHNEV IV,etal.Radiation resistant AlGaAs/GaAs concentrator solar cellswith internal Bragg reflector[J].Solar Energy Materialsand Solar Cells,2001,68:105-122.

[3]KATO T,SUSUAWA H,HIROTANIM,et al.GaAs/GaAlAs surface em itting IR led with Bragg reflector grown by MOCVD[J]. Journalof Crystal Grow th,1991,107:832.

[4]喬在祥，陳文浚，孫強，等.太陽電池用Bragg反射器的設計及研究[J].電源技術，2000，24(2)：90-93.

GaInP/GaInAs/Ge solar cells research containing Bragg reflector

The theoretical calculation and design of the centerwavelength of 880 nm Bragg reflectorwas carried out by the method ofmathematics.Using the technique ofMOCVD epitaxialy grow ing 15 cycles on Ge substrate,Bragg reflector of the center wavelength of 880 nm AlAs/GaAs structure successfully im planted into the Ga InP/GaInAs/Ge structure solar cells,leading the Ga InAs cells thinning to 1.5μm,solar cells efficiency reaching 29.36%under AM0 spectrum.

Bragg reflector;solar cells;centerwavelength;reflectivity

TM 914

A

1002-087 X(2014)05-0841-03

GAOWei,GAO Hui,XU Jun,ZHANG Bao,LIU Chang-xi,WANG Bao-min,MU Jie

2013-12-20

高偉(1982—)，男，遼寧省人，工程師，主要研究方向為太陽電池。陽電池可以獲得高的轉換效率和低的輻照衰降。

近年來，GaInP/GaInAs/Ge結構的砷化鎵太陽電池作為主要的電源被廣泛應用于各種航天器。由于航天器在空間飛行過程中會受到一些高能粒子的輻射，使電池材料受到破壞，導致性能下降。這些損害使內部形成額外的非輻射的復合中心，這些復合中心會使部分光生載流子在到達空間電荷區前被俘獲，尤其是基區深處的少子會更多地被俘獲，從而降低了太陽電池的短路電流和開路電壓[1]。

在GaInP/GaInAs/Ge結構的太陽電池中，頂電池GaInP和底電池Ge受輻照的影響很小，因此增加GaInP/GaInAs/Ge結構電池的抗輻照能力，首先要提高中間電池GaInAs的抗輻照性能。提高太陽電池的抗輻照能力可以采取不同的方式：在太陽電池的基區使用低摻雜；減薄電池的基區厚度；生長布拉格反射器(Bragg reflectors)等。采用半導體材料的布拉格反射器已經在激光器和其他半導體光學器件中得到了廣泛的應用。通過兩種不同折射率材料的組成，在一個比較嚴格的光譜范圍內，接近100%的光譜可以獲得反射。電池內部采用布拉格反射器增強光吸收作用，這個電介質層可以增加太陽光的長波波段光譜響應，從而減薄基區厚度。正因為如此，電池可以減少載流子的擴散長度，提高抗輻照能力。與其他方法相比，嵌入的布拉格反射器不會導致太陽電池串聯電阻的增加或降低pn結的感光特性[2]。布拉格反射器也起到了背場的作用，保證了少數載流子在基區的吸收。因此，含有布拉格反射器的太