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熱壁外延（HWE）在導電玻璃上生長GaAs薄膜
引 言
目前，太陽電池應用最大的障礙就是成本高，世界商品化生產(chǎn)的太陽電池主要是單晶硅、多晶硅和非晶硅電池。其中非晶硅電池成本較低，但功率衰減嚴重，性能不夠穩(wěn)定，至今未能很好解決。單晶硅和多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定、工藝比較成熟，但因所用的單晶硅和多晶硅均為間接帶隙材料，對光的吸收系數(shù)較低，需要較大的厚度才能有效吸收太陽光，材料的費用相對較高，成本難以大幅度降低。
以國產(chǎn)單晶硅太陽電池在昆明地區(qū)（太陽能輻射資源中偏上）發(fā)電為例，按系統(tǒng)價45元/Wp計算，壽命20年，其發(fā)電成本為1.45元/kWh，與昆明市電價0.4元/kWh相比，成本仍然過高，加之建成太陽能發(fā)電站的初期投資大，這便成為地面推廣應用的巨大障礙。
本文主要闡述GaAs薄膜太陽電池的利用前景和利用HWE方法在導電玻璃上生長GaAs薄膜取得的成果。
1薄膜太陽電池的現(xiàn)狀
國際上目前相對成熟的多晶薄膜太陽電池主要有CdS/CulnSe2和CdS/CdTe薄膜太陽電池。其中前者的實驗室光電轉(zhuǎn)換效率達18%，后者的轉(zhuǎn)換效率達16%[1]。目前均有小規(guī)模的實驗生產(chǎn)。商品太陽電池的效率一般為8%——10%。Cds/CulnSe2薄膜太陽電池一般采用多元真空蒸發(fā)工藝制備，工藝較為復雜，成品率不很高。CdS/CdTe薄膜太陽電池效率最高的是采用近距離升華（close-spaced sublimation）法制備[2]，該太陽電池存在的主要問題是大規(guī)模采用后，Cd的環(huán)境污染需要解決。
2光伏電池所面臨的問題和提出的解決方案
低成本、長壽命光伏電池需解決的關(guān)鍵科學問題：首先是研制能穩(wěn)定獲得高效率且低成本的半導體材料；其次，能用低成本的工藝路線生產(chǎn)這種光伏電池。經(jīng)研究，我們認為：單晶和多晶薄膜GaAs材料加上低成本的光伏電池生產(chǎn)工藝路線能滿足這兩點要求，這是由于：
a）GaAs的禁帶寬度在1.424ev(300k)[3]，能與太陽光較好地匹配，相應也就有好的高溫工作特性和高的光電轉(zhuǎn)換效率（目前單晶GaAs太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率已達到25%，疊層太陽電池轉(zhuǎn)換效率達30%）；
b）GaAs為直接帶隙躍遷半導體材料，吸收系數(shù)大，5μm的厚度即可吸收95%以上的可利用太陽光，因而可以作為薄膜太陽電池，大幅度降低材料成本。與目前的GaAs電池相比，其材料成本可降低100倍；
c）單晶或多晶GaAs薄膜電池，其抗輻照性能好、壽命長，穩(wěn)定性有可靠的保證。
雖然GaAs材料的價格昂貴，但對于GaAs薄膜太陽電池，由于GaAs層很薄，所以需材料很少，價格并不高。例如制成GaAs/Si疊層太陽電池，組件成本可大幅度下降，是一種很有希望的廉價太陽電池。美國能源部目前已經(jīng)將高效GaAs疊層太陽電池列為地面應用太陽電池的關(guān)鍵技術(shù)之一來進行攻關(guān)。
3 GaAs/Glass的利用前景
對于空間用太陽電池，要求其具有高的效率，輕的重量和高的抗輻射能力。為了獲得高效率，Ⅲ-Ⅴ族材料的串連結(jié)構(gòu)如In0.5Ga0.5P在GaAs或Ge襯底上生長的外延層已經(jīng)被采用。太陽電池用這些Ⅲ-Ⅴ族半導體材料比用Si半導體材料有更好的抗輻射力。為了進一步提高抗輻射能力使用時必需在裸電池表面貼耐輻射的石英玻璃蓋片。但總的結(jié)果將大大增加太陽電池的總重量。
空間用太陽電池現(xiàn)在已經(jīng)達到商業(yè)應用階段而不是初期的科學或軍用階段。降低空間用太陽電池的成本就成了最重要的問題。因此空間太陽電池除了上面所提及的要求外還應該是低成本的。然而，目前的GaAs單晶半導體材料是很貴的。加之，很厚的襯底通常對于光伏效應是多余的，因為Ⅲ-Ⅴ族半導體對太陽輻射波長有相對高的吸收系數(shù)，幾微米的厚度對一個太陽電池就足夠了。
直接在摻鈰的耐輻射的石英玻璃蓋片上生長Ⅲ-Ⅴ族半導體薄膜電池將有望實現(xiàn)所有的要求。這也推進了下面的情況：不使用造價高的半導體襯底；這種結(jié)構(gòu)成減輕了所用太陽電池的整體。此外，這種積成工藝會大大降低太陽電池板成本。
4 HWE生長GaAs薄膜的意義
目前，國外采用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、液相外延（LPE）和分子束外延（MBE）生長技術(shù)，已經(jīng)在Si襯底表面制成高質(zhì)量單晶GaAs薄膜，采用多層結(jié)構(gòu)可以進一步提高轉(zhuǎn)換效率，例如1988年美國研制成的高效疊層多結(jié)太陽電池，轉(zhuǎn)換效率高達40%，德國夫朗和費實驗室制作的疊層GaAs/Si太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率已達到36%（AMO,300K）。此外，利用化學束外延（CBE）在低溫條件下，已經(jīng)可以在玻璃襯底上生長GaAs多晶薄膜材料。
云南師范大學太陽能研究所則利用熱壁外延（HWE）的方法在導電玻璃上直接生長GaAs薄膜。經(jīng)電子探針（EPMA）、X射線衍射（XRD）、Raman散射光譜（RSS）和熒光光譜（PL）分析其結(jié)構(gòu)特性、電學特性和光學特性，結(jié)果表明所制薄膜表面致密均勻、呈絨面結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸較大。薄膜的衍射峰符合標準光譜分布、半寬高僅為80nm，為高質(zhì)量結(jié)晶薄膜，因此采用HWE生長的GaAs薄膜有好的結(jié)構(gòu)特征結(jié)晶質(zhì)量，適合作為太陽電池的襯底材料。加之這種方法最大的優(yōu)點是，設備簡單、穩(wěn)定性高、操作簡便，在較低的溫度下就可以生長得到GaAs薄膜。這樣，較之其它方法來看，利用HWE來生長GaAs薄膜更有利于降低整個太陽電池的成本。因此有望成為今后高效、廉價太陽電池材料的候選材料，具有很好的發(fā)展前景。
引 言
目前，太陽電池應用最大的障礙就是成本高，世界商品化生產(chǎn)的太陽電池主要是單晶硅、多晶硅和非晶硅電池。其中非晶硅電池成本較低，但功率衰減嚴重，性能不夠穩(wěn)定，至今未能很好解決。單晶硅和多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定、工藝比較成熟，但因所用的單晶硅和多晶硅均為間接帶隙材料，對光的吸收系數(shù)較低，需要較大的厚度才能有效吸收太陽光，材料的費用相對較高，成本難以大幅度降低。
以國產(chǎn)單晶硅太陽電池在昆明地區(qū)（太陽能輻射資源中偏上）發(fā)電為例，按系統(tǒng)價45元/Wp計算，壽命20年，其發(fā)電成本為1.45元/kWh，與昆明市電價0.4元/kWh相比，成本仍然過高，加之建成太陽能發(fā)電站的初期投資大，這便成為地面推廣應用的巨大障礙。
本文主要闡述GaAs薄膜太陽電池的利用前景和利用HWE方法在導電玻璃上生長GaAs薄膜取得的成果。
1薄膜太陽電池的現(xiàn)狀
國際上目前相對成熟的多晶薄膜太陽電池主要有CdS/CulnSe2和CdS/CdTe薄膜太陽電池。其中前者的實驗室光電轉(zhuǎn)換效率達18%，后者的轉(zhuǎn)換效率達16%[1]。目前均有小規(guī)模的實驗生產(chǎn)。商品太陽電池的效率一般為8%——10%。Cds/CulnSe2薄膜太陽電池一般采用多元真空蒸發(fā)工藝制備，工藝較為復雜，成品率不很高。CdS/CdTe薄膜太陽電池效率最高的是采用近距離升華（close-spaced sublimation）法制備[2]，該太陽電池存在的主要問題是大規(guī)模采用后，Cd的環(huán)境污染需要解決。
2光伏電池所面臨的問題和提出的解決方案
低成本、長壽命光伏電池需解決的關(guān)鍵科學問題：首先是研制能穩(wěn)定獲得高效率且低成本的半導體材料；其次，能用低成本的工藝路線生產(chǎn)這種光伏電池。經(jīng)研究，我們認為：單晶和多晶薄膜GaAs材料加上低成本的光伏電池生產(chǎn)工藝路線能滿足這兩點要求，這是由于：
a）GaAs的禁帶寬度在1.424ev(300k)[3]，能與太陽光較好地匹配，相應也就有好的高溫工作特性和高的光電轉(zhuǎn)換效率（目前單晶GaAs太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率已達到25%，疊層太陽電池轉(zhuǎn)換效率達30%）；
b）GaAs為直接帶隙躍遷半導體材料，吸收系數(shù)大，5μm的厚度即可吸收95%以上的可利用太陽光，因而可以作為薄膜太陽電池，大幅度降低材料成本。與目前的GaAs電池相比，其材料成本可降低100倍；
c）單晶或多晶GaAs薄膜電池，其抗輻照性能好、壽命長，穩(wěn)定性有可靠的保證。
雖然GaAs材料的價格昂貴，但對于GaAs薄膜太陽電池，由于GaAs層很薄，所以需材料很少，價格并不高。例如制成GaAs/Si疊層太陽電池，組件成本可大幅度下降，是一種很有希望的廉價太陽電池。美國能源部目前已經(jīng)將高效GaAs疊層太陽電池列為地面應用太陽電池的關(guān)鍵技術(shù)之一來進行攻關(guān)。
3 GaAs/Glass的利用前景
對于空間用太陽電池，要求其具有高的效率，輕的重量和高的抗輻射能力。為了獲得高效率，Ⅲ-Ⅴ族材料的串連結(jié)構(gòu)如In0.5Ga0.5P在GaAs或Ge襯底上生長的外延層已經(jīng)被采用。太陽電池用這些Ⅲ-Ⅴ族半導體材料比用Si半導體材料有更好的抗輻射力。為了進一步提高抗輻射能力使用時必需在裸電池表面貼耐輻射的石英玻璃蓋片。但總的結(jié)果將大大增加太陽電池的總重量。
空間用太陽電池現(xiàn)在已經(jīng)達到商業(yè)應用階段而不是初期的科學或軍用階段。降低空間用太陽電池的成本就成了最重要的問題。因此空間太陽電池除了上面所提及的要求外還應該是低成本的。然而，目前的GaAs單晶半導體材料是很貴的。加之，很厚的襯底通常對于光伏效應是多余的，因為Ⅲ-Ⅴ族半導體對太陽輻射波長有相對高的吸收系數(shù)，幾微米的厚度對一個太陽電池就足夠了。
直接在摻鈰的耐輻射的石英玻璃蓋片上生長Ⅲ-Ⅴ族半導體薄膜電池將有望實現(xiàn)所有的要求。這也推進了下面的情況：不使用造價高的半導體襯底；這種結(jié)構(gòu)成減輕了所用太陽電池的整體。此外，這種積成工藝會大大降低太陽電池板成本。
4 HWE生長GaAs薄膜的意義
目前，國外采用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、液相外延（LPE）和分子束外延（MBE）生長技術(shù)，已經(jīng)在Si襯底表面制成高質(zhì)量單晶GaAs薄膜，采用多層結(jié)構(gòu)可以進一步提高轉(zhuǎn)換效率，例如1988年美國研制成的高效疊層多結(jié)太陽電池，轉(zhuǎn)換效率高達40%，德國夫朗和費實驗室制作的疊層GaAs/Si太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率已達到36%（AMO,300K）。此外，利用化學束外延（CBE）在低溫條件下，已經(jīng)可以在玻璃襯底上生長GaAs多晶薄膜材料。
云南師范大學太陽能研究所則利用熱壁外延（HWE）的方法在導電玻璃上直接生長GaAs薄膜。經(jīng)電子探針（EPMA）、X射線衍射（XRD）、Raman散射光譜（RSS）和熒光光譜（PL）分析其結(jié)構(gòu)特性、電學特性和光學特性，結(jié)果表明所制薄膜表面致密均勻、呈絨面結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸較大。薄膜的衍射峰符合標準光譜分布、半寬高僅為80nm，為高質(zhì)量結(jié)晶薄膜，因此采用HWE生長的GaAs薄膜有好的結(jié)構(gòu)特征結(jié)晶質(zhì)量，適合作為太陽電池的襯底材料。加之這種方法最大的優(yōu)點是，設備簡單、穩(wěn)定性高、操作簡便，在較低的溫度下就可以生長得到GaAs薄膜。這樣，較之其它方法來看，利用HWE來生長GaAs薄膜更有利于降低整個太陽電池的成本。因此有望成為今后高效、廉價太陽電池材料的候選材料，具有很好的發(fā)展前景。
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