InxGa1-xAs材料在多結空間太陽電池中的應用進展

張煒楠，涂潔磊，2，胡 凱，李 雷，孫曉宇，姜德鵬，沈靜曼

（1.云南師范大學太陽能研究所，云南 昆明 650500；2.云南師范大學云南省農村能源工程重點實驗室，云南 昆明 650500；3.上海空間電源研究所，上海 200245）

0 引言

GaInP（1.90 eV）/GaAs（1.42 eV）/Ge（0.67 eV）三結太陽電池具有轉換效率高（約為Si太陽電池的2倍）、抗輻照性能優良、溫度特性好以及晶格匹配易于規模化生產等優勢，已全面取代Si太陽電池成為空間飛行器的主要電源［1-2］。經過10多年的發展，其轉換效率已達到32%（AM0，1 sun）和42%（AM1.5，508 suns）［3-4］，接近三結太陽電池的理論轉換效率極限。但由于GaAs（1.42 eV）與Ge（0.67 eV）的帶隙差較大，一部分能量以熱的方式在Ge子電池中散失［5］，因此，需要找到一種帶隙為1.0 eV的材料來彌合這個帶隙差。為了進一步提高多結空間太陽電池的轉換效率，需要通過調節其帶隙組合以實現子電池對整個太陽光譜的合理利用［6］。大量理論研究表明，帶隙組合為1.9/1.42/1.0/0.7 eV的四結太陽電池能夠獲得更好的電流匹配，在AM0條件下理論轉換效率可達38%～42%［7］。因此，找到帶隙寬度為1.0 eV和0.7 eV的子電池材料便成為近年來多結空間太陽電池的研究熱點之一。

GaAs是目前人們研究最透徹、應用最廣泛的Ⅲ-V族半導體之一，其作為直接帶隙半導體，具有1.42 eV的帶隙寬度。GaAs材料與太陽光譜匹配度好，是一種理想的太陽電池材料［8］。InxGa1-xAs材料作為三元合金Ⅲ-V族半導體材料，因其具有帶隙可調、響應波段廣、吸收系數大等物理特性，近年來成為多結空間太陽電池材料的研究方向之一。

目前InGaAs材料的報道主要集中在激光探測器領域，而在多結太陽電池領域中報道較少，相關綜述文獻更少。本文根據目前已經發表的文獻報道，系統討論了InxGa1-xAs材料的外延生長以及在多結空間太陽電池領域中的應用，并對InGaAs材料未來的發展趨勢進行了展望。

1 InGaAs材料的理論基礎

1.1 InGaAs材料的基本性質及其參數

材料的選取對于制備高效多結空間太陽電池非常重要［9］，尤其是在目前傳統三結空間太陽電池的轉換效率已經接近其理論極限的情況下，開發并使用一種新型材料對制備多結空間太陽電池就變得尤為關鍵［10］。InGaAs被認為是未來制備多結空間太陽電池的重要材料之一，下面簡單介紹InGaAs材料的基本性質及其參數。

InxGa1-xAs材料屬于直接帶隙Ⅲ-V族半導體材料，其具有閃鋅礦立方晶體結構。閃鋅礦立方晶體結構如圖1所示，它是由兩個面心立方晶格沿體對角線方向平移1/4長度套構而成。InGaAs材料的能帶結構如圖1所示，右上插圖為X、L、Γ 隨In的組分x的變化關系［11］。InxGa1-xAs材料的一些相關物理性質及電學參數見表1和表2［12］。

圖1 閃鋅礦立方晶體材料結構示意圖Fig.1 Structure diagram of sphalerite cubic crystal material

圖2 InxGa1-xAs材料的能帶結構示意圖，以及X、L、Γ 隨In的組分的變化關系［11］Fig.2 Schematic diagram of the band structure of InxGa1-xAs materials and the relationship of X，L，and Γ with the composition of In［11］

表1 InxGa1-xAs材料性質以及常用參數［12］（25 ℃）Tab.1 Properties and common parameters of InxGa1-xAs materials［12］（25 oC）

表2 InxGa1-xAs材料相關電學參數［12］（25 ℃）Tab.2 Electrical parameters of InxGa1-xAs materials［12］（25 oC）

由于InGaAs材料中In和Ga都是ⅢA族元素，所以In和Ga可以由任意比例組成。InxGa1-xAs的禁帶寬度隨組分x的增大而減小，從GaAs的1.42 eV直至InAs的0.35 eV之間連續可調；但其晶格常數卻隨組分x的增大而增大，從GaAs的5.653 3×10-10m直至InAs的6.058 3×10-10m，同時材料的響應波長可以在870～3 500 nm之間連續調節，很好地覆蓋了太陽電池需要的可見光長波波段［13］。但InGaAs材料的少數載流子壽命隨x的變化而減小，在太陽電池中，少數載流子壽命對電池的光電轉換效率有著至關重要的影響。由于擴散長度與少子壽命有關，因此，對于禁帶寬度為1.0 eV和0.7 eV子電池的厚度分配，就成為該種太陽電池是否具有高轉換效率的關鍵因素之一［14］。

綜上所述，InGaAs材料不僅可以改變材料本身的禁帶寬度，響應波長也非常適合太陽電池的吸收光譜，進而開辟了制備多結空間太陽電池的新途徑。與此同時，InGaAs材料可以通過MOCVD、MBE等設備進行材料生長，其生長出的材料均勻性和穩定性良好，因此，InGaAs材料是制備多結空間太陽電池可選材料之一。

1.2 InGaAs材料的晶格失配現象

在材料生長的過程中，當襯底的晶格常數與外延層的晶格常數不匹配時，就會產生晶格失配現象［12］。晶格失配幾乎在任何異質外延中都會發生［15］。InxGa1-xAs材料在In的組分為0.30時，其禁帶寬度為1.0 eV；在In的組分為0.58時，其禁帶寬度為0.7 eV，然而In0.3Ga0.7As與Ge和GaAs晶格失配度約為2%，與In0.58Ga0.42As晶格失配度約為3%，所以生長出高質量的In0.3Ga0.7As（1.0eV）和In0.58Ga0.42As（0.7eV）材料較為困難。晶格失配一般定義為

式中：ae為外延層的晶格常數；as為襯底的晶格常數。

半導體異質外延技術使得人類可以按照自己的想法，通過控制一種材料的組分來實現我們需要的電學功能和性能，它是實現各種新型光電結構器件的基礎［16］。但伴隨著異質外延的發展，晶格失配就成為我們不能忽視的一個問題。晶格失配會直接導致應力和形變的產生，使得外延材料的質量下降，從而降低了電池的性能。目前通過引入緩沖層（Buffer Layer）來釋放應力并適配位錯，是目前國內外解決InGaAs材料的晶格失配問題的主要手段之一［17］。

2 InGaAs材料生長

InGaAs材料最初被應用于紅外探測器［18］。2002年，Makiuchi等報道了InGaAs/InP背面入射光電探測器，由于InGaAs材料的電子遷移率可以達到12 000 cm2·V-1·s-1，該探測器表現出優異的高速響應特性。2001年，日本Takamoto等［19］采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術在Ge襯底上生長InGaP/In0.01Ga0.99As太陽電池，In0.01Ga0.99As替代GaAs作為中間電池，使其晶格與Ge襯底具有更好的匹配。同時In0.01Ga0.99As拓展了中間電池對光譜的吸收，提高了短路電流。目前，外延生長In-GaAs材料的技術主要有MOCVD和分子束外延（MBE）。

2.1 MOCVD生長

MOCVD技術具有高產量、高質量的優點，適用于規模化生產，因此，目前商用空間太陽電池的生產多采用MOCVD技術。2004年，Spectrolab公司采用InGaAs材料首次制備了（Al）GaInP/GaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge 6結太陽電池，其電池轉換效率為23%，開路電壓為5.3 V［20］。

但是通過MOCVD技術生長高質量的InGaAs還面臨著許多困難。一方面由于MOCVD生長In-GaAs材料需要較高的生長溫度，同時該材料對溫度又極其敏感，1 ℃的溫度變化就會使帶隙產生漂移，因此，控制生長溫度對于制備高質量的InGaAs材料非常重要。1986年，Amano等［21］首次提出了兩步生長法，即低溫條件下在襯底與外延層之間生長一層組分固定的緩沖層，之后在高溫條件下生長外延層。低溫生長的緩沖層為外延層提供成核中心，成為外延層的模板，在釋放應力的同時把晶格失配的應變限制在緩沖層內，降低材料的失配位錯密度。高溫生長外延層的過程中，使緩沖層進行重結晶，提高了外延層的質量。這種方法不僅在技術上更加簡單，在生長過程中也更容易控制，是實現高質量InGaAs材料生長的一種有效途徑。此外，MO源帶來的C污染是MOCVD生長InGaAs材料的另一方面困難。非故意摻雜的C背景濃度高達1017cm-3，相關的缺陷導致InGaAs材料的光學和電學性能的退化。為解決此問題，采用退火工藝可以減少材料相關缺陷的濃度［22］。

2.2 MBE生長

MBE可以實現InGaAs的低溫外延生長，且由于不需要使用含C的生長源，可以有效地避免C污染的問題，是制備高質量InGaAs材料的另一有效方法。目前使用MBE方法生長的多結空間太陽電池的InGaAs子電池的電流密度，可以與其他子電池進行良好的匹配。

華南理工大學探究了MBE技術下摻雜濃度、基底溫度等對InGaAs材料質量的影響，實驗結果顯示，在GaAs襯底上生長單結In0.3Ga0.7As電池在AM0非聚光條件下獲得了良好的電學效果［23］。德國Fraunhofer［24］使用MEB技術生長的InGaP/GaAs/InGaAs三結太陽電池，獲得了714.8 mA的短路電流和44.4%的轉換效率。MBE技術由于其生長工藝復雜，生產成本較高，因此，在產業化發展方面需要進行進一步優化。

3 InGaAs材料在空間太陽電池中的應用

3.1 In0.3Ga0.7As材料在空間太陽電池中的應用

在2009年第三十四屆國際光伏專家會議（PVSC）上，Spectrolab公司報道了光電轉換效率為31.7% 的含有In0.3Ga0.7As材料的鍵合三結太陽電池［25］。2010年，日本Sharp公司［26］報道的InGaP/GaAs/In0.3Ga0.7As（1.0 eV）倒裝結構三結太陽電池轉換效率達到32%，實現了當時三結太陽電池的效率突破。然而該芯片面積僅為1 cm2，并且由于In0.3Ga0.7As底電池缺陷影響，其轉換效率隨時間逐漸下降。3年后，日本Sharp公司改進后的倒裝結構三結太陽電池光電轉化效率為37.9%，這也是迄今為止倒裝三結太陽電池的最高效率［3］。

日本Sharp公司Takamoto［27］等提出的InGaP/GaAs/InGaAs（1.0eV）倒裝（IMM）結構三結太陽電池，在AM1.5條件下實現了37.9%的高轉換效率，其基本結構與電池I-V曲線如圖3所示。

圖3 InGaP/GaAs/In0.3Ga0.7As（1.0eV）倒裝三結太陽電池結構示意圖和I-V 曲線［27］Fig.3 Structure diagram of InGaP/GaAs/In0.3Ga0.7As（1.0 eV）IMM 3J solar cells and I-V curves［27］

該種太陽電池效率提升的主要原因有：1）通過降低隧穿結的串聯電阻使得電池的填充因子（FF）提升；2）通過優化減反射膜及窗口層提升短路電流密度（Jsc）；3）通過改變組分x增加底電池InGaAs的帶隙Eg（1.0 eV）提升電池的開路電壓（Voc）［26］。

2013年廈門乾照報道了采用階變緩沖層技術（step-graded）外延生長了具有更優帶隙組合的GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As（1.0 eV）倒裝三結太陽電池，在AM0的條件下獲得了32.64% 的轉換效率［15］。由于采用了漸變緩沖層技術，使得外延材料的表面形貌得到了良好的改善，如圖4所示。2018年上海空間電源研究所報道了大面積、高性能柔性GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As三結太陽電池，轉換效率達31.5%（AM0）［28］。目前，含有In0.3Ga0.7As材料的倒裝三結太陽電池具有較高的轉換效率，其制備技術也日漸成熟，得到產業界的廣泛認同，有望成為產業界下一代高效多結空間太陽電池產品。

3.2 In0.58Ga0.42As材料在空間太陽電池中的應用

2012年，Patel［29］等報道了 InGaP/GaAs/In0.3Ga0.7As/In0.58Ga0.42As四結空間太陽電池，在AM0條件下獲得了34.5%的轉換效率。該種太陽電池最顯著的特點是通過改變In和Ga的組分調節帶隙，分別制成第三結和第四結子電池，并且對可見光譜的吸收進行了優化，同時通過優化梯度層（grade layer）以減少螺旋位錯［30］。含有In0.58Ga0.42As（0.7 eV）材料的倒裝四結空間太陽電池結構示意圖及其I-V曲線如圖5所示。這些實驗數據表明，其轉換效率通過使用新材料和工藝優化后，得到了明顯的提高［31］。

圖4 顯微鏡下倒裝三結電池外延材料表面形貌［15］Fig.4 SEM surface morphology of the epitaxy material for IMM 3J solar cell［15］

圖5 InGaP/GaAs/In0.3Ga0.7As/In0.58Ga0.42As倒裝四結太陽電池示意圖和I-V 曲線［29］Fig.5 Schematic diagram of InGaP/GaAs/In0.3Ga0.7As/In0.58Ga0.42As IMM 4J solar cells and I-V curves［29］

2016年，云南師范大學薛丹等［32］設計了含有In-GaAs材料的四結太陽電池并對其進行仿真，并對太陽電池結構進行重新設計，對各子電池進行電流匹配優化，并對發射區和基區厚度進行調整，最終獲得了34.87% 轉換效率的倒置四結太陽電池。2018年，北京空間飛行器總體設計部張曉鵬等［33］報道了高效倒裝四結太陽電池的優化設計，通過對隧穿結的摻雜濃度、厚度以及材料方面進行設計優化，使得倒裝四結太陽電池的效率獲得了明顯提升。目前，含有In0.58Ga0.42As材料的倒裝四結太陽電池尚處于理論實驗研究階段，對于雙緩沖層的設計及電池的各項優化報道越來越多，同時各項理論數據較倒裝三結空間太陽電池也有顯著提高。

4 InGaAs材料空間太陽電池的抗輻照性能

除了高光電轉換效率外，良好的抗輻照性能也是多結空間太陽電池的重要要求之一［34］。空間環境中的帶電粒子（質子、電子）能量范圍大，當太陽電池受到空間粒子輻照時，會產生兩種作用：一種是電離作用；另一種是位移作用。粒子輻照在太陽電池內部引入復合中心，導致少數載流子壽命縮短，其中，少子壽命τ與輻照注量φ關系式為

式中：τ、τ0分別為輻照前、后的少數載流子壽命；kτ為壽命損傷系數。

少數載流子擴散長度L和少數載流子壽命關系式為

式中：D為相對損傷系數。

少數載流子擴散長度與輻照注量φ關系式為

式中：L0和L分別為輻照前后少數載流子擴散長度；KL為損傷系數［35］。

因此，太空中的輻射環境會導致多結空間太陽電池性能的退化。目前評價一款空間太陽電池的性能不僅要求其具有高轉換效率，還要具備良好的抗輻照性能［36］。下面主要介紹兩種材料的抗輻照性能。

4.1 In0.3Ga0.7As材料空間太陽電池中的抗輻照性能

2016年 Imaizumi等［37］對 InGaP/GaAs/In0.3Ga0.7As（1.0 eV）倒裝三結太陽電池及其子結進行了1 MeV電子和3 MeV質子輻照實驗。實驗數據見表3，其中n0表示二極管系數，I0為暗電流。盡管In0.3Ga0.7As材料的帶隙較低，但是該材料Voc和ISC的輻照退化結果與InGaP材料相當。實驗通過對In0.3Ga0.7As子結電池輻照前、后結果分析得出該材料具有良好的抗輻照性能。

2018年，哈爾濱工業大學劉秋月等［38］報道了電子和質子綜合輻照對InGaAs電池性能影響，并運用了模擬和實驗相結合的方式對該材料分別進行了電子輻照、質子輻照以及電子、質子共同輻照實驗，并對其輻照后性能做出了綜合評價，得出In-GaAs材料在各種輻照條件下退化幅度均優于傳統三結太陽電池。近年來，對于In0.3Ga0.7As材料的倒裝空間三結太陽電池的輻照性能報道越來越多，這些實驗結果為未來該種電池進入空間領域打下了堅實的基礎。

4.2 In0.58Ga0.42As材料空間太陽電池中的抗輻照性能

2012年，Aiken等［29］在倒裝三結空間太陽電池的基礎上，在In0.3Ga0.7As（1.0 eV）子電池下插入In0.58Ga0.42As（0.7 eV）底電池，并進行了1 MeV的電子輻照實驗，其電池的輻照前、后量子效率（EQE）如圖6所示。結果表明，該倒裝四結空間太陽電池在壽命初期（BOL）時的效率為34%，并且在壽命末期（EOL）時的剩余系數高于82%。

2014年，美國Spectrolab報道了倒裝四結空間太陽電池在空間環境下的測試。結果表明，IMM4J空間太陽電池在1 MeV電子輻照環境及干燥氮氣環境經過250 ℃熱浸1 600 h后，其效率退化結果優于傳統三結空間太陽電池［39］。2017年，云南師范大學賴旺富等［40］報道了倒置四結太陽電池的電子輻照性能研究及其仿真分析，利用Apsys模擬軟件對四結太陽電池進行仿真并制備樣品進行電子輻照實驗。實驗結果表明，經過電流匹配設計的四結太陽電池具有良好的轉換效率及抗輻照性能，并找出電流限制結進行相關理論分析，為該種電池在未來的空間應用打下堅實的基礎。2017年，哈爾濱工業大學張延清等［41］報道了對倒裝三結和四結空間太陽電池及其關鍵子電池結構的1 MeV電子輻照試驗，以及InxGa1-xAs子電池與倒裝四結空間太陽電池輻照后的低溫退火效應，揭示了該電池的電能恢復規律及其缺陷穩定性。實驗結果表明，該電池與倒裝三結太陽電池相比，其光電轉換效率提升明顯，但抗輻照性能需要進行進一步的優化。

5 結束語

本文詳細地介紹了InGaAs材料近年來在多結空間太陽電池的應用發展及其抗輻照性能，通過與傳統GaInP/GaAs/Ge結構的三結太陽電池對比發現，含有InGaAs材料的多結空間太陽電池無論是在理論轉換效率，還是在抗輻照性能上都具有更加優異的表現。由于InGaAs材料帶隙可調，響應波段范圍廣，在未來更多結太陽電池研究領域，該材料是優秀的候選者之一，所以對InGaAs材料在多結空間太陽電池領域的深入研究就變得為重要。

但由于該種太陽電池采用了晶格失配材料，需要在電池結構中增加漸變緩沖層，并且運用了鍵合、剝離等新工藝，使得其生長成本增加，同時在生長過程中會產生一定缺陷，最終導致其實際效率與理論效率還有一部分差距。因此，隨著對InGaAs材料的研究不斷深入，該材料在未來多結太陽電池的研究方向主要是通優化電池結構、探索更優生長條件并設計更可靠的緩沖層來獲得含有高質量In-GaAs材料的多結空間太陽電池，從而進一步提升多結太陽電池的轉換效率和抗輻照性能，最終實現提升衛星整體有效載荷和服役時間的目的。