砷化镓太阳电池与Si电池、硅光电池的比较

2020-04-15      1628 次浏览

GaAs太阳电池的发展是从上世纪50年代开始的,至今已有已有50多年的历史。1954年世界上首次发现GaAs材料具有光伏效应。在1956年,LoferskiJ.J.和他的团队探讨了制造太阳电池的最佳材料的物性,他们指出Eg在1.2~1.6eV范围内的材料具有最高的转换效率。目前实验室GaAs电池的效率最高已经能够达到50%。


GaAs太阳电池是一种Ⅲ~Ⅴ族化合物半导体太阳电池,与Si太阳电池相比,其特点为:


(1)转换效率高。


GaAs的禁带宽度相比于Si要宽,光谱响应特性与太阳光谱的匹配度也比Si要好。所以,GaAs太阳能电池的光电转化效率要高于Si太阳能电池。Si电池的理论效率仅为23%,而单节的GaAs电池理论效率为27%,而多节GaAs的电池理论效率更是高达50%。


(2)可以制成超薄型电池。


GaAs是直接带隙半导体,而Si是间接带隙半导体,在可见光到红外的光谱内,GaAs的吸收效率要远远高于Si。同样吸收95%的太阳光,Si要150μm以上的厚度,但是GaAs只要5μm~10μm,用GaAs制成的太阳能电池,在质量上可以大大减轻。


(3)耐高温


GaAs的本征载流子浓度低,GaAs太阳电池的最大功率温度系数(-210-3℃-1)较低比Si(-4.410-3℃-1)太阳电池小很多。200℃时,Si太阳电池已不能工作,而GaAs太阳电池的效率仍有约10%。这使得GaAs电池可以在聚光领域有很好的应用。


(4)抗辐射性能好


GaAs少子寿命短,在离结几个扩散度外出现的损伤,对光电流和暗电流均无影响。因此,其抗高能粒子辐照的性能优于间接禁带的Si太阳电池。在电子能量为1MeV,通量为11015个/cm2辐照条件下,辐照后与辐照前太阳电池输出功率比,GaAs单结太阳电池>0.76,GaAs多结太阳电池>0.81,而BSFSi太阳电池仅为0.70。


(5)可制成效率更高的多结叠层太阳电池


随着MOCVD技术的日益完善,Ⅲ~Ⅴ族三元、四元化合物半导体材料(GaInP、AlGaInP、GaInAs)的生长技术取得重大突破,为多结叠层太阳电池研制供应了多种可供选择的材料。


砷化镓电池与硅光电池的比较


1、光电转化率:


砷化镓的禁带较硅为宽,使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好。硅电池的理论效率大概为23%,而单结的砷化镓电池理论效率达到27%,而多结的砷化镓电池理论效率更超过50%。


2、耐温性


常规上,砷化镓电池的耐温性要好于硅光电池,有实验数据表明,砷化镓电池在250℃的条件下仍可以正常工作,但是硅光电池在200℃就已经无法正常运行。


3、机械强度和比重


砷化镓较硅质在物理性质上要更脆,这一点使得其加工时比容易碎裂,所以,常把其制成薄膜,并使用衬底(常为Ge[锗]),来对抗其在这一方面的不利,但是也新增了技术的复杂度。


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