聚光Ⅲ-Ⅴ族异质结太阳电池

2.4.1　AlGaAs/GaAs单结电池

AlGaAs/GaAs异质结太阳电池的设计在太阳能转换方面开创了一个新的领域［20］。上述的研究都是有关AlGaAs/GaAs系统的理想异质结的制作和研究的，目的是提高太阳电池的性能及促进相关领域的发展。这些研究的成果之一就是在太阳电池的宽带隙窗口对这一想法的技术实施。这样做的目的就是保护电池光敏区域免受表面复合的影响。AlGaAs(宽带隙窗口)和p-n GaAs(光敏区域)之间的无缺陷异质结已被成功制作，这就为电子－空穴对的产生和其在p-n结处的收集提供了理想条件。尽管与硅电池相比其成本很高，但是由于具有GaAs光敏区域的光电池被证明具有更好的抗辐射性能，因此它们很快就在太空阵列中得到了实际应用。AlGaAs/GaAs太阳电池大规模应用的一个例子就是1986年安装在苏联和平号空间站的电池阵列(图2.5)。

图2.5　配备了AlGaAs/GaAs异质结太阳电池阵列的和平号空间站

Si和GaAs作为理想的半导体材料能在很大程度上满足太阳电池制作的要求。如果对比由这两种材料制作成的单个p-n结太阳电池的适应性的话，它们最大的可能光电转换效率几乎是一样的，都非常接近单结光电池的最大可能转换效率。很明显，硅材料毋庸置疑的优势就是来源丰富、无毒、价格相对便宜。所有这些因素和半导体电子设备工业的大规模发展决定了硅光电池在太阳光伏发展中起着极其重要的作用。尽管人们在各种薄膜电池阵列的研发中也付出了巨大努力，但世界上地面用太阳电池组件产品仍主要由晶体硅(既包括单晶硅，也包括多晶硅)制造。

直到20世纪80年代中期，硅和砷化镓太阳电池的结构和技术仍相对简单。硅基太阳电池采用了由扩散方法制备的浅p-n结的平面结构。人们采用相对简单的液相外延生长技术在GaAs电池上形成AlGaAs宽带隙窗口，该技术源于第一代异质结激光器结构的制作原理。不过对光电池而言，只需生长出一层宽带隙的p-AlGaAs，pn结则由p型材料融合掺杂扩散至n型砷化镓基底材料上形成，如图2.6(a)所示。

液相外延技术［38］的发展和用于异质结生长的新的外延技术的应用推动了基于GaAs的太阳电池的进一步发展，其中的主要成就是MOCVD技术的出现，该技术源于注入式激光器、发光二极管和基于Ⅲ-Ⅴ族化合物的第二代光电池的发展和改进过程。

以下的改进被引入太阳电池的结构中。首先，优化了宽带隙AlGaAs窗口，使其厚度与异质结激光器的纳米级活性区的厚度相当。AlGaAs层也可作为光电池三层减反射层的第3层组分(ARC，见图2.7(a))。在宽带隙AlGaAs窗口顶部生长了重掺杂的窄带隙的接触层，接触带之间区域的部分在后续生长处理过程中会被去除。其次，p-n结的背面引入了宽带隙层，和前面的宽带隙层一起，确保光吸收区域光生载流子的双面约束(图2.6(d))，这样可以减少载流子被p-n结收集前的复合损失。在单结AlGaAs/GaAs光电池异质结的优化阶段，新开发的MOCVD技术仍然可以和改进的低温液相外延技术相竞争。