热壁外延（HWE）在导电玻璃上生长GaAs薄膜

热壁外延（HWE）在导电玻璃上生长GaAs薄膜
引 言
　　目前，太阳电池应用最大的障碍就是成本高，世界商品化生产的太阳电池主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅电池。其中非晶硅电池成本较低，但功率衰减严重，性能不够稳定，至今未能很好解决。单晶硅和多晶硅电池的转换效率高、性能稳定、工艺比较成熟，但因所用的单晶硅和多晶硅均为间接带隙材料，对光的吸收系数较低，需要较大的厚度才能有效吸收太阳光，材料的费用相对较高，成本难以大幅度降低。
　　以国产单晶硅太阳电池在昆明地区（太阳能辐射资源中偏上）发电为例，按系统价45元/Wp计算，寿命20年，其发电成本为1.45元/kWh，与昆明市电价0.4元/kWh相比，成本仍然过高，加之建成太阳能发电站的初期投资大，这便成为地面推广应用的巨大障碍。
　　本文主要阐述GaAs薄膜太阳电池的利用前景和利用HWE方法在导电玻璃上生长GaAs薄膜取得的成果。
　　1薄膜太阳电池的现状
　　国际上目前相对成熟的多晶薄膜太阳电池主要有CdS/CulnSe2和CdS/CdTe薄膜太阳电池。其中前者的实验室光电转换效率达18%，后者的转换效率达16%[1]。目前均有小规模的实验生产。商品太阳电池的效率一般为8%——10%。Cds/CulnSe2薄膜太阳电池一般采用多元真空蒸发工艺制备，工艺较为复杂，成品率不很高。CdS/CdTe薄膜太阳电池效率最高的是采用近距离升华（close-spaced sublimation）法制备[2]，该太阳电池存在的主要问题是大规模采用后，Cd的环境污染需要解决。
　　2光伏电池所面临的问题和提出的解决方案
　　低成本、长寿命光伏电池需解决的关键科学问题：首先是研制能稳定获得高效率且低成本的半导体材料；其次，能用低成本的工艺路线生产这种光伏电池。经研究，我们认为：单晶和多晶薄膜GaAs材料加上低成本的光伏电池生产工艺路线能满足这两点要求，这是由于：
　　a）GaAs的禁带宽度在1.424ev(300k)[3]，能与太阳光较好地匹配，相应也就有好的高温工作特性和高的光电转换效率（目前单晶GaAs太阳电池光电转换效率已达到25%，叠层太阳电池转换效率达30%）；
　　b）GaAs为直接带隙跃迁半导体材料，吸收系数大，5μm的厚度即可吸收95%以上的可利用太阳光，因而可以作为薄膜太阳电池，大幅度降低材料成本。与目前的GaAs电池相比，其材料成本可降低100倍；
　　c）单晶或多晶GaAs薄膜电池，其抗辐照性能好、寿命长，稳定性有可靠的保证。
　　虽然GaAs材料的价格昂贵，但对于GaAs薄膜太阳电池，由于GaAs层很薄，所以需材料很少，价格并不高。例如制成GaAs/Si叠层太阳电池，组件成本可大幅度下降，是一种很有希望的廉价太阳电池。美国能源部目前已经将高效GaAs叠层太阳电池列为地面应用太阳电池的关键技术之一来进行攻关。
　　3 GaAs/Glass的利用前景
　　对于空间用太阳电池，要求其具有高的效率，轻的重量和高的抗辐射能力。为了获得高效率，Ⅲ-Ⅴ族材料的串连结构如In0.5Ga0.5P在GaAs或Ge衬底上生长的外延层已经被采用。太阳电池用这些Ⅲ-Ⅴ族半导体材料比用Si半导体材料有更好的抗辐射力。为了进一步提高抗辐射能力使用时必需在裸电池表面贴耐辐射的石英玻璃盖片。但总的结果将大大增加太阳电池的总重量。
　　空间用太阳电池现在已经达到商业应用阶段而不是初期的科学或军用阶段。降低空间用太阳电池的成本就成了最重要的问题。因此空间太阳电池除了上面所提及的要求外还应该是低成本的。然而，目前的GaAs单晶半导体材料是很贵的。加之，很厚的衬底通常对于光伏效应是多余的，因为Ⅲ-Ⅴ族半导体对太阳辐射波长有相对高的吸收系数，几微米的厚度对一个太阳电池就足够了。
　　直接在掺铈的耐辐射的石英玻璃盖片上生长Ⅲ-Ⅴ族半导体薄膜电池将有望实现所有的要求。这也推进了下面的情况：不使用造价高的半导体衬底；这种结构成减轻了所用太阳电池的整体。此外，这种积成工艺会大大降低太阳电池板成本。
　　4 HWE生长GaAs薄膜的意义
　　目前，国外采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、液相外延（LPE）和分子束外延（MBE）生长技术，已经在Si衬底表面制成高质量单晶GaAs薄膜，采用多层结构可以进一步提高转换效率，例如1988年美国研制成的高效叠层多结太阳电池，转换效率高达40%，德国夫朗和费实验室制作的叠层GaAs/Si太阳电池光电转换效率已达到36%（AMO,300K）。此外，利用化学束外延（CBE）在低温条件下，已经可以在玻璃衬底上生长GaAs多晶薄膜材料。
　　云南师范大学太阳能研究所则利用热壁外延（HWE）的方法在导电玻璃上直接生长GaAs薄膜。经电子探针（EPMA）、X射线衍射（XRD）、Raman散射光谱（RSS）和荧光光谱（PL）分析其结构特性、电学特性和光学特性，结果表明所制薄膜表面致密均匀、呈绒面结构，晶粒尺寸较大。薄膜的衍射峰符合标准光谱分布、半宽高仅为80nm，为高质量结晶薄膜，因此采用HWE生长的GaAs薄膜有好的结构特征结晶质量，适合作为太阳电池的衬底材料。加之这种方法最大的优点是，设备简单、稳定性高、操作简便，在较低的温度下就可以生长得到GaAs薄膜。这样，较之其它方法来看，利用HWE来生长GaAs薄膜更有利于降低整个太阳电池的成本。因此有望成为今后高效、廉价太阳电池材料的候选材料，具有很好的发展前景。