聚光多结太阳电池的生产

单体级联多结太阳电池是一种多层结构，包括各种各样的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。材料的禁带宽度可以通过改变像GaxIn1－xP或(AlxGa1－x)yIn1－yAs这类三元和四元合金的不同组成来改变。除禁带宽度外，晶格中原子的结合能以及晶格常数也是组成的函数。高质量晶体的生长通常需要晶格匹配的材料，这就在选择合适的化合物方面提出了更高的要求。最优的Ga0.5In0.5P/Ga0.99In0.01As/Ge三结电池就是采用晶格完全匹配的结构。除了光敏p-n结，上述结构还包括许多具有不同成分的其他层，如图4.3所示。这些其他层可以作为钝化层、内部扩散的势垒层，也可作为隧道二极管的组成部分。一个典型的三结太阳电池有20多个单层，其厚度为10 nm或几个微米，掺杂水平为每立方厘米1016～1020。

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的多层结构可以通过外延生长进行生产。以前研究过的方法有多种，比如液相外延法(LPE)、分子束外延法(MBE)和金属有机气相外延法(MOVPE)，而MOVPE法被证明是最廉价的方法，采用此法生长出的晶格完美均匀并且有可控的界面。目前，AIXTRON公司和VEECO公司拥有可以生长12″×4″衬底结构的大面积商业化反应器。这些反应器主要是为大规模生产在外延生长上具有类似要求的发光二极管而设计的。

图4.3　一个典型的单体级联三结太阳电池的结构

每个有效的子电池包括至少一个窗口、发射极、基底背面场层。在子电池间高掺杂的薄层作为隧道二极管，在电池内部进行串联

由于地球上太阳光的能量密度很低，光伏发电通常要用很大的太阳电池面积。即使聚光比在500倍左右，也还是需要提供大量的化合物半导体材料来满足地球对能源的需求。例如，一个年产1 GW的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池(效率为35%，聚光比为500个太阳)的生产线每年需要110个MOVPE反应器，消耗15 tGe衬底、18.2 t砷化氢、10.5 t磷化氢、大约2 t的有机金属化合物，如三甲基镓、三甲基铟［14］。虽然生产量庞大，但是可以在2～3年的时间内完成。如果年产量超过20 GW的规模，这种技术可能会受限于Ge原材料的不足。这种情况下，应追求获取Ge材料的新方法，或者将多结电池转移到不同的基底材料上，例如Si或者GaAs。

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳电池能够成功开发的一个最重要的原因，是通过MOVPE技术可以在这些材料上生长出高质量的晶格。在太阳电池中，长的少数载流子寿命是获得高质量电池的必要条件。这个参数受晶体内或界面间的非辐射复合的影响。直到20世纪90年代末，人们才发现由MOVPE方法生长的晶体质量与原材料的纯度关系密切。典型的原材料包括氢化物(如砷化氢或磷化氢)和金属有机体(如三甲基镓、三甲基铝或三甲基铟)。自那以后，人们大大改善了这些原材料的纯度。结果是现在的材料质量更多地取决于自身的生长条件。现在太阳电池生产工艺的进一步优化集中在寻找生长温度、反应压力、掺杂源及其分布、物质组成和不同材料之间的界面切换序列的最优参数上。所有这些都是影响晶体完美性、少数载流子寿命、太阳电池性能的重要参数。

由MOVPE方法生长出外延层后，接下来对其进行光刻、湿化学蚀刻过程、金属膜的蒸发及介电减反射层等工艺过程。这些过程是在洁净的环境下操作的，类似于其他光电器件的制作环境。金属栅线的遮掩设计必须仔细优化，以避免由串联电阻和遮光引起的损失。需要优化的重要参数包括电池产生的电流密度和顶区接触电阻以及金属本身的电阻。金属栅线较大的高宽比更有助于减小由金属覆盖的电池面积。尤其对于工作在高电流密度下的聚光电池，串联电阻引起的损失是至关重要的，因此金属栅线对于特定的应用要进行精心设计。

在这一领域，人们发表了许多论文，而且在其中可以找到一般的设计规则，如Blieske等［15］以及Algora和Díaz［16］所写的文章。光刻和湿化学蚀刻过程用来定义太阳电池的区域(微刻蚀过程)，其结果是硅片上会形成许多小型的聚光太阳电池，如图4.4所示。