砷化镓太阳电池

  砷化镓(GaAs)太阳电池是在Si太阳电池的基础上发展起来的,它与Si太阳电池对比,具有高光电转换效率、低衰减率、抗辐射能力强、光谱响应好及耐高温等特点。但它比起Si电池工艺更复杂、成品率低、价格昂贵,长期没有被使用。

 

  我所是1978年开始进行GaAs太阳电池研究,由于人员、经费等原因,于2000年结束,前后持续了二十余年。期间负责此项目的人员变动也较大,先后有杨倩志、吴鼎芬、管丽民、闵慧芳、汪乐等人员负责该课题。

 

  我所是最早在我国开展GaAs太阳电池研究的单位,不久就有中科院半导体所、电子工业部18所等也开展研究。但是该项目长期没有政府的资助,又需要一定的投入,加上成品率低很难用于商品使用,有的单位先后停止研究,唯有我所在邹元爔院士的坚持下继续研究。邹元爔院士认为经过研究和努力,电池质量、效率会不断提高,再降低成本,充分利用该电池的优点,一定会在Si电池不能使用的领域发挥作用。另一方面,我所自制的仪器设备也有条件,成功地测试了GaAs等半导体材料内深能级杂质和缺陷性能。

 

  他还与我们一起出席了文革后全国第一次全国性学术会议——全国物理年会,全国物理领域各学科的专家、权威全部出席。会议期间,庐山封山,从住宿宾馆到会场,每隔十米由解放军站岗守卫。我们在半导体物理分会场上作了GaAs深能级的报告。邹所长认为制作GaAs太阳电池的材料是用液相外延方法制得,它与单晶材料的深能级缺陷会有不同。他想通过GaAs太阳电池的制作,结合他的深能级结构模型,研究太阳电池材料中的结构缺陷以及它与电池光电能转换效率等参数的关系。

 

  正是由于邹所长的支持和研究组内同志的努力,我所GaAs太阳电池项目在较困难的条件下还是坚持下来了。虽然GaAs太阳电池课题由于多方原因,研究人员不断变化,但大家始终抱着一个希望,总结前任的经验,确定深入研究的方向,不断提高电池性能。围绕液相外延镓铝砷层与砷化镓PN结制作工艺的改进,提高结特性,电池栅结构设计和制作,提高电机性能,提高减反射膜特性等方面开展研究,使GaAs太阳电池性能逐步提高,制作的电池面积逐步扩大。

 

  期间,由我所研制的GaAs太阳电池首次在国内进行地面标定试验和一系列环模试验,首次经卫星搭载进行空间标定试验,为我国GaAs太阳电池性能定标作准备。接着我国首次将我所研制的GaAs太阳电池送上宇宙,经过绕地球飞行,电池性能稳定,标准误差仅为+0.24%,成为当时国际上标定试验成功的少数国家之一。1990年,又将我所的GaAs太阳电池在第二颗“风云一号”卫星上进行4W功率组件飞行试验。卫星飞行三个多月后,组件平均输出功率为4.17W,电池转换效率为16.3%AMO,25°C)。AMO指大气质量为零(宇宙空间)的辐射条件下的效率。地面太阳照射下得到的效率一般是AMO辐射条件下测试值的1.35倍左右。

 

  1995年国防科工委准备在863项目中设立高效GaAs太阳电池课题,这是我国国家项目第一次设立GaAs太阳电池项目,我所积极争取。由于我所在此课题上一直坚持,并做出一定成绩,我所作为该项目的主要单位,同北京半导体所一同获取了该项目的经费。

 

  在完成863项目的过程中,我们围绕“高效”、“实用”的课题要求,提出研究方案和研究步骤,不断改进液相外延PN结合ALXGaI-XAs层组合的工艺,提高掺杂浓度及厚度控制的稳定性和均匀性,提高减反射膜制作工艺降低反射,提高电极欧姆性能。在研制高效GaAs太阳电池不断改进工艺的同时,也进行一系列理论研究,详细分析多种特殊情况对结特性的影响,边界效应对暗电流的影响,串联电阻,旁路漏电造成的途径与结特性的关系理论分析,栅线电阻与发射层薄膜层对电阻性能的影响,提出了最佳栅线和电池结构设计方案,并培养了博士研究生。最终该项目通过了国防科工委组织的专家组的评审和验收,与中科院半导体所联合申请报奖。由于GaAs太阳电池效率最高达19.1%AMO,25°C),获得一定数量(小批量)面积2x2cm22x42,电池效率大于18%AMO,25°C 的电池。这一结果在当时国际上用液相外延法制作的GaAs太阳电池中属于较好的,已经达到实用要求,而且能达到该水平的单位也是较少的,因而获得中国科学院科技进步奖二等奖。

 

  我所在研究GaAs太阳电池的过程中还为航天811所培养了人才,手把手地培养了他们的科技人员三年,协助他们建立了一套液相外延制备GaAs太阳电池设备,使他们回所后立即能自己研制GaAs太阳电池。现在他们已是提供我国航天卫星上使用的太阳电池的两个单位之一,在我国通讯小卫星上也有他们提供的GaAs太阳电池。

 

  另外值得一提的是MOCVD设备。在我们承担863项目时,国际上制备GaAs太阳电池除了液相外延法之外,用MOCVD制作GaAs太阳电池也已很成熟,已制备出单结GaAs太阳电池效率可大于20%AMO,25°C),但是该设备长期对我国禁运。在这样的情况下,我所机电工程第一个开始在我国制造MOCVD设备,并不断尝试,至少对设备进行了四次大的改进,使该设备从开始真空度不够高到操作调解灵敏,能生长出厚度较均匀、成分比例可控的薄膜,制备出效率15%AMO,25°C),面积1x1 cm2GaAs太阳电池。目前研制和生产GaAs太阳电池均由MOCVD设备制作,至今我国已引进了数百台MOCVD设备制备LEDGaAs太阳电池。

    

  (作者:汪乐  原化合物半导体材料与器件室副主任、化合物半导体材料室主任、研究员;管丽民  原化合物半导体器件研究室副研究员)




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