第五章GaAs 半导体材料§5.1 GaAs 材料的性质和太阳电池§5.2 GaAs 单晶材料§5.3 GaAs 薄膜单晶材料§5.4GaAs 晶体中的杂质第五章GaAs 半导体材料第五章GaAs 半导体材料近年来,太阳能光伏发电在全球取得长足发展。
常用光伏电池一般为多晶硅和单晶硅电池,然而由于原材料多晶硅的供应能力有限,加上国际炒家的炒作,导致国际市场上多晶硅价格一路攀升,最近一年来,由于受经济危机影响,价格有所下跌,但这种震荡的现状给光伏产业的健康发展带来困难。
目前,技术上解决这一困难的途径有两条:一是采用薄膜太阳电池,二是采用聚光太阳电池,减小对原料在量上的依赖程度。
常用薄膜电池转化率较低,因此新型的高倍聚光电池系统受到研究者的重视。
聚光太阳电池是用凸透镜或抛物面镜把太阳光聚焦到几倍、几十倍,或几百倍甚至上千倍,然后投射到太阳电池上。
这时太阳电池可能产生出相应倍数的电功率。
它们具有转化率高,电池占地面积小和耗材少的优点。
高倍聚光电池具有代表性的是砷化镓(GaAs 太阳电池。
第五章GaAs 半导体材料第五章GaAs 半导体材料砷化镓电池与硅光电池的比较1、光电转化率:砷化镓的禁带较硅为宽,使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好。
目前,硅电池的理论效率大概为23%,而单结的砷化镓电池理论效率达到27%,而多结的砷化镓电池理论效率更超过50%。
2、耐温性常规上,砷化镓电池的耐温性要好于硅光电池,有实验数据表明,砷化镓电池在250℃的条件下仍可以正常工作,但是硅光电池在200℃就已经无法正常运行。
3、机械强度和比重砷化镓较硅质在物理性质上要更脆,这一点使得其加工时比容易碎裂,所以,目前常把其制成薄膜,并使用衬底(常为Ge ,来对抗其在这方面的不利,但是也增加了技术的复杂度。
第五章GaAs 半导体材料第五章GaAs 半导体材料GaAs 太阳电池的发展是从上世纪50年代开始的,已有已有50多年的历史:•1954年世界上首次发现GaAs 材料具有光伏效应。
•1956年,LoferskiJ.J.和他的团队探讨了制造太阳电池的最佳材料的物性,他们指出Eg 在1.2~1.6eV 范围内的材料具有最高的转换效率。
(GaAs 材料的Eg=1.43eV ,在上述高效率范围内,理论上估算,GaAs 单结太阳电池的效率可达27%。
•20世纪60年代,Gobat 等研制了第1个掺锌GaAs 太阳电池,不过转化率不高,仅为9%~10%,远低于27%的理论值。
20世纪70年代,IBM 公司和前苏联Ioffe 技术物理所等为代表的研究单位。
•采用LPE (液相外延技术引入GaAlAs 异质窗口层,降低了GaAs 表面的复合速率,使GaAs 太阳电池的效率达16%。
不久,美国的HRL (HughesResearchLab 及Spectrolab 通过改进了LPE 技术使得电池的平均效率达到18%,并实现了批量生产,开创了高效率砷化镓太阳电池的新时代。
•从上世纪80年代后,GaAs 太阳电池技术经历了从LPE 到MOCVD ,从同质外延到异质外延,从单结到多结叠层结构的几个发展阶段,其发展速度日益加快,效率也不断提高,目前实验室最高效率已达到50%(来自IBM 公司数据,产业生产转化率可达30%以上。
第五章GaAs 半导体材料§5.1 GaAs 材料的性质和太阳电池•砷化镓是化合物半导体中最重要、用途最广泛的半导体材料,也是目前研究得最成熟、生产量最大的化合物半导体材料。
•优点:9砷化镓具有电子迁移率高(是硅的5-6倍、9禁带宽度大(它为1.43eV ,硅为1.1eV ,工作温度可以比硅高9为直接带隙,光电特性好,可作发光与激光器件9容易制成半绝缘材料(电阻率107-109Ωcm ,9本征载流子浓度低9耐热、抗辐射性能好9对磁场敏感9易拉制出单晶1、GaAs 材料的性质第五章GaAs 半导体材料•砷化镓是由金属镓与半金属砷按原子比1:1化合而成的金属间化合物。
它具有灰色的金属光泽,其晶体结构为闪锌矿型。
•砷化镓早在1926年就已经被合成出来了。
到了1952年确认了它的半导体性质。
•用砷化镓材料制作的器件频率响应好、速度快、工作温度高,能满足集成光电子的需要。
它是目前最重要的光电子材料,也是继硅材料之后最重要的微电子材料,它适合于制造高频、高速的器件和电路。
•砷化镓在我们日常生活中的一些应用•现在我们看电视、听音响、开空调都用遥控器。
这些遥控器是通过砷化镓发出的红外光把指令传给主机的。
•在许多家电上都有小的红色、绿色的指示灯,它们是以砷化镓等材料为衬底做成的发光二极管。
•光盘和VCD ,DVD 都是用以砷化镓为衬底制成的激光二极管进行读出的。
第五章GaAs 半导体材料2、GaAs 的晶体结构-闪锌矿结构•等轴晶系,a 0=0.540nm ;闪锌矿型结构,立方面心格子。
•Ga 2+分布于晶胞之角顶及所有面的中心。
•As 2-位于晶胞所分成的八个小立方体中的四个小立方体的中心。
•从配位多面体角度看,[GaAs4]四面体彼此以4个角顶相连。
第五章GaAs 半导体材料GaAs 的能带结构第五章GaAs 半导体材料3、GaAs 太阳电池(1GaAs 太阳电池结构第五章GaAs 半导体材料GaAs 太阳电池种类第五章GaAs 半导体材料衬底n +GaAsn -GaAs P -GaAs P -AlGaAs P -GaAs 衬底n +GaAs P +-GaAs P -GaInP P -GaAs n -GaAs n -GaInP P -AlGaInP P -GaInPn -GaInP n -AlInP 叠层的III-V 化合物太阳电池GaAs 太阳电池(1GaAs 太阳电池结构第五章GaAs 半导体材料(2GaAs 太阳电池特点GaAs 太阳电池是一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳电池,与Si 太阳电池相比,其特点为:a 光电转换效率高GaAs 的禁带宽度较Si 为宽,GaAs 的光谱响应特性和空间太阳光谱匹配能力亦比Si 好,因此,GaAs 太阳电池的光电转换效率高。
Si 太阳电池理论效率为23%,而单结和多结GaAs 太阳电池的理论效率分别为27 %和50 %。
第五章GaAs 半导体材料b 可制成薄膜和超薄型太阳电池GaAs 为直接跃迁型材料,而Si 为间接跃迁型材料。
在可见光范围内, GaAs 材料的光吸收系数远高于Si 材料。
同样吸收95 %的太阳光, GaAs 太阳电池只需5~10μm 的厚度,而Si 太阳电池则需大于150μm 。
因此,GaAs 太阳电池能制成薄膜型,质量可大幅减小。
c 耐高温性能好GaAs 的本征载流子浓度低,GaAs 太阳电池的最大功率温度系数(-2×10-3℃-1比Si 太阳电池(-4.4×10-3℃-1小很多。
200℃时,Si 太阳电池已不能工作,而GaAs 太阳电池的效率仍有约10 %。
第五章GaAs 半导体材料d 抗辐射性能好GaAs 为直接禁带材料,少数载流子寿命较短,在离结几个扩散度外产生的损伤,对光电流和暗电流均无影响。
因此,其抗高能粒子辐照的性能优于间接禁带的Si 太阳电池。
在电子能量为1MeV ,通量为1×1015个/cm 2辐照条件下,辐照后与辐照前太阳电池输出功率比,GaAs 单结太阳电池> 0.76,GaAs 多结太阳电池> 0.81,而BSF Si 太阳电池仅为0.70。
e 可制成效率更高的多结叠层太阳电池MOCVD 技术的日益完善, Ⅲ-Ⅴ族三元、四元化合物半导体材料( Ga InP 、AlGa InP 、Ga InAs 等生长技术取得的重大进展,为多结叠层太阳电池研制提供了多种可供选择的材料。
第五章GaAs 半导体材料(3多结GaAs 太阳电池单结GaAs 电池只能吸收特定光谱的太阳光,其转换效率不高。
不同禁带宽度的Ⅲ-V 族材料制备的多结GaAs 电池,按禁带宽度大小叠合,分别选择性吸收和转换太阳光谱的不同子域,可大幅度提高太阳电池的光电转换效率。
理论计算表明:双结GaAs 太阳电池的极限效率为30%,三结GaAs 太阳电池的极限效率为38%,四结GaAs 太阳电池的极限效率为41%。
20世纪80年代中期,国外逐步开始研制高效率多结叠层电池。
多结叠层电池效率高、温度系数低、抗辐射能力强,其空间应用更具吸引力。
第五章GaAs 半导体材料GaAs 太阳电池的发展已有40 余年的历史。
20世纪50年代首次发现GaAs 材料具有光伏效应后,LOFERSKI 确立了太阳电池光电转换效率与材料禁带宽度E g 间的关系:即E g = 1.4~1.6 eV 的材料光电转换效率高。
而GaAs 材料的E g = 1.43 eV ,能获得较高的转换效率。
JENNY 等首次制成GaAs 太阳电池,其效率为6.5%。
60年代GOBAT 等研制了第1个掺锌GaAs 太阳电池,但转换效率仅为9%~10%,远低于27% 的理论值。
70年代,WOODAL 等采用LPE 技术,在GaAs 表面生长一层宽禁带Al x Ga 1-x As 窗口层,大大减少了表面复合,转换效率提高至16%,开创了高效率砷化镓太阳电池的新纪元。
(4砷化镓太阳电池技术的进展与前景第五章GaAs半导体材料砷化镓太阳电池技术的进展与前景20 世纪80年代后, GaAs太阳电池技术经历了从LPE到MOCVD,从同质外延到异质外延,从单结到多结叠层结构的几个发展阶段,其发展速度日益加快,效率也不断提高,最高效率已达到29%。
与硅太阳电池相比,GaAs太阳电池具有更高的光电转换效率、更强的抗辐照能力和更好的耐高温性能,是公认的新一代高性能长寿命空间主电源。
从80 年代至今,GaAs太阳电池在空间主电源领域的应用比例日益增大。
第五章GaAs半导体材料§5.2 GaAs单晶材料Ga:As=1:1时,生成GaAs,而且随着温度的降低,在冷却过程中不发生相变,要制备GaAs可以先制备组分为1:1的液相,再降温结晶。
1237℃以上,在液相时,Ga和As可以无限互溶成为均匀的液体。
只要温度大于Ga的熔点29.5℃,As的比例小于50%,Ga与As的互熔体与GaAs共存,•As的比例大于50%,温度低于810℃,As与GaAs共存。
•温度高于810℃,Ga与As的互熔体与GaAs共存第五章GaAs半导体材料曲线4-2-1是纯砷的蒸汽压与温度的关系曲线。
Ga-As体系的P-T 图曲线7-6-5-2是As(g,GaAs(g和液相三相平衡共存时体系的温度和压强的关系曲线。
如果直接加热,则当温度达到800℃以上时,纯砷的蒸气压已超过106Pa,所以如果用直接加热的方式制备GaAs,纯砷的蒸气压过高。