2019年中國光伏技術發展報告(4)

中國可再生能源學會光伏專業委員會

(中國可再生能源學會，北京 100190)

1.5.4 CdTe薄膜太陽電池發展趨勢的展望

CdTe薄膜太陽電池的小面積器件轉換效率達到了22.1%，但與其理論轉換效率28%相比，還有較大差距，因此未來還有較大的提升空間。若能顯著提高CdTe薄膜的少子壽命，同時降低各個界面的復合速率，解決好低電阻的歐姆接觸等問題，在不久的未來，CdTe薄膜太陽電池應該能實現轉換效率超過25%的目標。

產業化方面，隨著國內龍焱、中建材、中山瑞科等公司的投資、研發和生產，必然會推動大面積CdTe薄膜光伏組件效率的進一步提升和成本的快速降低。另外，隨著光伏市場的蓬勃發展，因CdTe薄膜光伏組件具有外觀精美、尺寸易于定制等特點，其與建筑相結合應用也可能是未來一個重要的發展方向。

1.6 砷化鎵(GaAs)薄膜太陽電池的研究進展

1.6.1 GaAs薄膜太陽電池的發展概況

2018 年，單結GaAs薄膜太陽電池的效率經歷了較快突破。2018年7月，美國Alta Devices公司更新了其柔性單結GaAs薄膜太陽電池的效率，達到28.9%，并經過了美國可再生能源實驗室NREL認證；時隔4個月，該公司又將電池效率提高至29.1%，并經過了德國Frauhfer-ISE認證；除此之外，日本Sharp公司，美國的SolAero、MicroLink Devices公司等都在III-V族薄膜太陽電池領域取得了研究進展。在三結薄膜太陽電池方面，目前效率最高的還是日本Sharp公司研發的倒裝型(Inverted Metamorphic Multijunction，IMM)電池，效率可達到37.9%。

柔性GaAs薄膜太陽電池在2018年被成功應用于多種無人飛行器、空間衛星及太陽能汽車等新領域。2018年8月6日，由 Twiggs發起的CubeSat 任務中，使用的商用化小型Asgardia-1衛星便采用由Alta Devices公司提供的柔性GaAs薄膜太陽電池作為動力能源。歐洲宇航聯盟Airbus宣布，其開發的Zephyr 無人機僅依靠機翼貼附柔性GaAs薄膜太陽電池和儲能電池作為動力源，成功在21.3 km的高空續航接近26天，創造了最長高空停留時間的世界紀錄。11月，波音公司旗下的極光飛行服務公司宣布，將在2019年春天開始太陽能供電無限飛行時間的奧德修斯(Odysseus)無人機的飛行，該無人機采用國際上最先進的GaAs薄膜太陽電池貼附在70 m寬的展翼上。10月11日，在美國密歇根州召開的“2018智能汽車表面”會議上，GaAs薄膜太陽電池技術成為亮點。電動智能汽車眾多復雜的傳感器供電全部依賴于蓄電池，而柔性GaAs薄膜太陽電池以曲面貼合性好的特點，能完全滿足汽車空氣動力學要求和美學外觀要求，在汽車蓄能方面具有巨大的應用前景。

受益于III-V族材料三、四元化合物(GaInP、AlGaInP、GaInAs等)生長技術的逐步成熟，在GaAs、InP、Ge襯底上外延生長正式結構，反式結構的太陽電池實現晶格匹配、帶隙匹配條件已變得相對容易。同時，晶圓鍵合技術、金屬鍵合技術及電鍍技術等相關技術設備的性能也得到了大幅提升?；贕aAs材料的多結疊層電池的設計可以非常靈活，但實現無損的外延層剝離、轉移并達到柔性效果的技術僅被少數先進科研、生產機構所掌握。柔性GaAs薄膜太陽電池的技術仍有待成熟，如何在傳統的航空航天領域大面積推廣GaAs薄膜光伏組件并經受住環境檢驗，如何將GaAs薄膜太陽電池的成本進一步降低，以得到軍民兩用移動能源領域的青睞，是當前GaAs薄膜太陽電池所面臨的挑戰和機遇。

現階段我國的GaAs薄膜太陽電池的應用領域仍以空間應用為主，并實現了衛星需求的自給自足。我國空間用三結GaAs太陽電池的光電轉換效率已普遍超過30%，接近國際先進水平(美國Spectrolab XTJ Prime系列產品的平均轉換效率為31%)。但GaAs薄膜太陽太陽電池的技術相對落后，自主研發的實驗室高效電池效率還未超過35%，而且國內尚無可用于民用消費品市場領域的GaAs薄膜太陽電池產品。相比于CIGS、CdTe薄膜太陽電池技術，GaAs薄膜太陽電池的效率更高，穩定性更強，因此，通過多種途徑降低GaAs薄膜太陽電池成本以提高其市場競爭力，是未來5年該領域需重點解決的關鍵問題。

1.6.2 GaAs薄膜太陽電池研究的國際進展

1.6.2.1 單結GaAs太陽電池

圖24 LG開發的效率為27.8%的剛性襯底GaAs太陽電池Fig.24 Rigid substrate GaAs solar cell with an efficiency of 27.8% developed by LG

1)剛性GaAs太陽電池。①2018年韓國LG電子公司研發的單結GaAs襯底型太陽電池(剛性，不可彎曲)效率達到27.8%。電池芯片采用如圖24所示的外延結構，窗口層采用與GaAs晶格匹配的帶隙更寬的AlInP材料。在該公司的后續研發計劃中，還提到將GaInP作為頂電池來制備多結III-V族電池，即采用p-AlxGa1-xInP/n-AlxGa1-xInP/n-GaInP插入帶隙漸變緩沖層的異質結結構。經試驗驗證，其開路電壓比單純采用GaInP同質p-n結的電池高0.1 V，填充因子也提高了0.7%。②德國Fraunhofer ISE于2018年9月報道[105]了其在MehrSi項目所使用的Aixtron機器中，開發出了沉積面積超過700 cm2、生長速度高達140 μm/h的高速MOVPE生長工藝，所研制的剛性襯底GaAs太陽電池的效率最高達到23.6%，雖不及前述報道的采用外延技術制備器件的效率高，但卻是降低GaAs外延成本、提高產量的先驅性研究。研究者提高生長速率的方法之一是降低出氣孔與襯底之間的距離，二是降低載氣流量，提高各前驅體氣分壓。研究者對生長溫度、載氣流量、V/III元素比和片源間距等參數對p型GaAs材料的少子擴散長度、生長速度及電池效率進行了綜合表征，從理論上澄清了：隨著生長速率的提高，少子擴散長度會下降；生長速率提高后，材料內部產生的大量As原子的反位缺陷可通過降低V/III元素比來得到抑制。

2)柔性GaAs薄膜太陽電池。2018年11月，經德國Fraunhofer ISE認證，美國Alta Devices公司的單結GaAs薄膜太陽電池轉換效率達到29.1%。該公司采用反向外延生長和襯底剝離技術(Epitaxial Lift-Off，ELO)，制備出聚合物襯底支撐的柔性單結GaAs薄膜太陽電池[106]。

值得一提的是，柔性GaAs薄膜太陽電池研發效率的紀錄比剛性GaAs薄膜太陽電池的高出1.3%，這得益于該類電池具有增強的內光提取結構，即增大了器件內光生載流子的非輻射復合壽命，復合機制由發射熒光的輻射復合主導，并在器件p型背場層外直接覆蓋一層高反射率的金屬層。

1.6.2.2 雙結疊層太陽電池

2018 年，由NREL開發的1.7eV/1.1eV帶隙組合的Ga0.68In0.32As0.34P0.66/Ga0.79In0.21As一體化雙結疊層薄膜太陽電池，在AM1.5標準測試條件下，單個太陽效率達到32.6%，而38.1倍聚光條件下的效率了達到35.5%，創造了該類結構的世界紀錄，器件的結構側剖圖如圖25所示[107]。該器件采用倒裝生長晶格失配體系，以n+-GaInP/p-GaInAsP異質結作為頂電池，采用n+-GaInAs/p-GaInAs同質結作為底電池，頂、底電池之間插入的p++-AlGaAs/n++-GaAs隧道結及AlxGa1-xInAs組分漸變緩沖層，通過硅片做基底支撐。在該電池中，研究人員研究了襯底表面吸附原子反應和重構動力學，在650 ℃的溫度下，借助襯底切偏角和反應溫度實現了對沉積原子排列的精確調控，攻克了GaInAsP四元合金材料相分離，以及AlxGa1-xInAs組分漸變緩沖層之間穿越位錯殘余等諸多關鍵技術，從而使2個子電池的材料帶隙-電壓差(Woc=Eg/q-Voc)達到0.39 V，說明這2個電池都具有很好的結特性。

圖25 NREL開發的雙結疊層太陽電池Fig.25 Dual-junction stacked solar cell developed by NREL

1.6.2.3 三結疊層太陽電池

1)集成一體化疊層兩端電池。MicroLink公司于2018年報道，其在6寸晶圓線上開發出的IMM結構柔性GaAs薄膜太陽電池的效率達到了37.75%[108]，芯片功率質量比達到3000 W/kg@AM0，封裝好的組件功率質量比達到1500 W/kg@AM0。圖26為該公司研制的IMM三結薄膜太陽電池的外延結構示意圖和1×2電池陣列封裝圖。

圖26 IMM三結薄膜太陽電池的外延結構示意圖和1×2電池陣列封裝圖Fig.26 Schematic diagram of the epitaxial structure of the IMM triple-junction thin film solar cell and the package of the 1×2 solar cell array

2) III-V//Si機械疊層四端太陽電池。在最新的三結電池技術進展中，NREL/CSEM/EPFL開發出III-V族集成一體化雙結電池和硅SHJ電池的機械疊層三結電池，創造效率達到35.9%的四端三結太陽電池(簡稱GaInP/GaAs//Si)[109]，結構側剖示意圖如圖27所示。GaInP/GaAs對總效率的貢獻值為30%，Si底電池對總效率的貢獻值為5.9%。研究人員嘗試將三結子電池進行全串聯做成兩端結構后，電池效率衰減到30.9%，測試后發現是由于底電池的光生電流密度限制。四端和兩端器件的前后性能差異對比說明，子電池獨立工作模式在應對光譜變化和材料帶隙不匹配問題時更具有突出優勢。

圖27 GaInP/GaAs//Si機械疊層四端太陽電池Fig.27 GaInP/GaAs//Si mechanical stack four-terminal solar cell

3)III-V//Si鍵合疊層兩端電池。雖然NREL研制的四端疊層器件不適用兩端結構，但Fraunhofer ISE卻開發了基于鍵合技術的集成一體化式的兩端三結Ga0.51In0.49P/GaAs//Si太陽電池，效率達到33.3%，電池面積為3.984 cm2，Voc=3.127 V，Jsc=12.7 mA/cm2，FF=83.5%[110]。從圖28可以看出，該電池是將GaInP/GaAs雙結電池獨立分割后鍵合到大面積TOP-con結構的硅電池上。一般而言，進行2個異質襯底鍵合需要中間插入薄的金屬層或過渡層，并在適當高溫下完成，但這不適用于疊層太陽電池，因為這樣會導致較多的光吸收損失。而直接進行晶片鍵合對晶片表面的顆粒物密度和表面粗糙度又有巨大限制，并且對于直接晶片鍵合的界面，需考慮到載流子輸運依賴于兩側能帶是否匹配，摻雜濃度是否合適，界面是否過多等問題。針對這些關鍵的技術矛盾問題，研究人員先是將FZ的晶格襯底表面粗糙度降至0.5 nm；然后利用快原子束激活直接鍵合技術，在120 ℃的低溫下，將n-GaAs和n++-Si發射極在10 kN壓力下進行表面激活后快速鍵合；最后利用ELO技術將GaAs襯底剝離下來，實現襯底重復利用[111]。

圖28 GaInP/GaAs/Si鍵合疊層兩端電池的實物圖和側剖結構示意圖Fig.28 Physical picture of GaInP / GaAs / Si bonded laminated battery at both ends and schematic diagram of cross-section

4)III-V//Si光譜分裂四端電池。上述高效疊層電池無一例外是利用III-V族電池跟硅電池進行疊層，這是因為硅材料帶隙為1.1 eV，做底電池更符合三結疊層電池的最優帶隙匹配原則。但目前市面上更為普遍的三結疊層電池是在Ge襯底上外延獲得的GaInP/Ga(In)As/Ge結構，帶隙值為1.88eV/1.42eV/0.67eV。從電流的匹配度來看，這種電池結構遠非最佳。這主要是因為GaAs與Ge禁帶寬度差較大，被Ge 底電池吸收的太陽光產生的光電流是GaInP頂電池和GaAs中電池的2倍。由于串聯疊層電池需要電流匹配，一半的光生電流被白白浪費，對太陽電池的效率基本上沒有貢獻[112]。要解決這一技術瓶頸，可以將GaAs 與Ge 吸收邊之間的光譜進行進一步的分割，在二者之中再加入一個“第三結”，而將Ge 作為第四結材料，從而進一步提高電池效率[113]。但目前已知的具有約1 eV帶隙的常規III-V族半導體材料與鍺材料晶格都不匹配。

新南威爾士大學GREEN教授在前人工作的基礎上，創造性地開發出新型光譜分裂四端疊層電池。其采用具有特定透射波長的反射型濾光片，將GaInP/GaInAs/Ge疊層電池的吸收光譜進行反射，將硅電池的吸收光譜進行透射，從而將第三結電池以光譜分裂的形式獨立出來。新型光譜分裂型太陽電池系統示意圖如圖29所示。

圖29 新型光譜分裂型太陽電池系統示意圖Fig.29 Schematic diagram of new spectral split solar cell system

之后，GREEN教授表示，上述電池使用的濾光片透射波長范圍是880～1030 nm，還是存在較多的長波被Ge底電池吸收的情況，從而Ge電池產生的光電流仍然比其他兩個子結產生的光電流要高。為解決此問題，并同時解決系統結構復雜的缺點，GREEN又提出新一代光譜分裂太陽電池的概念，即采用內置濾光片實現特定波長的反射，如圖30所示。其分別在InP襯底和GaAs襯底上制備晶格匹配的外延層，做2個獨立工作的電池單元，每個電池單元都由三結子電池疊層而成，子電池之間存在布拉格反射鏡，是MOCVD外延的晶格匹配且高電導的高低折射率材料周期層疊而成。GaAs基底的疊層子電池帶隙組合正好與InP基底疊層子電池帶隙組合互補。GaAs基底的疊層電池將1.4 eV以下的長波太陽光進行定向反射到InP基底疊層電池上，實現精確的電流匹配。采用此類組合結構的光譜分裂型太陽電池有諸多好處：①可以在不同的襯底上分別生長晶格匹配的多結材料，對太陽光譜進行精確分區利用；②每個電池單元的疊層子結數目都不超過3個，避免類似于Spectrolab公司研制的五結III-V族電池采用鍵合形成兩端電極的技術[114]，極大地放松了對電流匹配的限制；③較低的帶隙材料一般都具有較大的暗電流密度，而較高帶隙材料的暗電流密度較小，將高、低帶隙材料進行分組疊層，也避免低帶隙材料對高帶隙材料暗電流密度的影響。

圖30 內置濾光片結構的光譜分裂太陽電池系統Fig.30 Spectral split solar cell system with built-in filter structure

1.6.3 GaAs薄膜太陽電池研究的國內進展

漢能在2014年并購Alta Devices后，對2項轉換效率的世界紀錄又數次刷新，分別是單結GaAs電池(29.1%)和單結GaAs組件(25.1%)。為降低GaAs電池的生產成本，促進GaAs電池在民用領域的應用進程，漢能自主開發了全球最大產能的MOCVD設備，其具有快速溫控和高速外延等優點。

上?？臻g電源研究所在柔性高效III-V族多結太陽電池開發和應用領域也進行了研究[115]。他們采用MOCVD技術在4英寸GaAs襯底上制備了GaInP/GaAs/InGaAs三結太陽電池，之后通過低溫鍵合和外延層剝離方法將外延層轉移到柔性襯底上。其在50 μm聚酰亞胺薄膜上制備的30 cm2的大面積柔性太陽電池實現了31.5%的轉換效率(AM0光譜)，其Voc=3.01 V、Jsc=16.8 mA/cm2、FF=84.5%、電池面密度為168.5 g/m2、比功率達2530 W/kg。

2018 年天津恒電空間電源有限公司制備出50 μm厚的最大面積為12.25 cm2的電池，其光電轉換效率為29.52%(AM0，25 ℃)；制備的80 μm厚的最大面積為30.18 cm2的電池，其光電轉換效率為29.7%(AM0，25 ℃)。通過設計新型背電極解決了超薄片翹曲的問題，并經過了溫度沖擊、焊點拉力和穩態濕熱等可靠性試驗考核，均滿足要求[116]。

三安光電股份有限公司大力開發GaInP/GaAs/Ge三結疊層電池，電池全部采用n-on-p結構，尺寸為2種，分別為40 mm×80 mm和40 mm×60 mm。目前量產芯片初始平均轉換效率達到31%，經1×1015/cm2的電子輻照后，性能可保持在26.2%，已實現 2萬片的空間電池外延片的生產和銷售。此外，該公司還承擔“高倍聚光多結太陽電池外延芯片”項目，其開發的標準1 cm2的GaInP/GaAs/Ge聚光電池在1000倍聚光條件下，電池轉換效率為36%～40%。

天津藍天太陽科技有限公司依托863課題“兆瓦級高倍聚光化合物太陽電池產業化關鍵技術”，在高倍聚光III-V族太陽電池襯底剝離技術、晶格失配外延技術、漸變緩沖層和1.0 eV子電池的設計生長優化、反向生長三結電池、鍵合剝離等技術方面也走在前列，目前剛性襯底III-V族電池的效率達到了35.9%(AM1.5，1個太陽)。

2018 年，華北電力大學可再生能源學院陳諾夫研究組對GaInP/GaAs/InGaAs倒裝三結太陽電池進行了理論設計與優化[117]。采用Matlab語言對倒裝結構電池體系底電池帶隙和各子電池厚度進行了模擬優化。其指出，GaInP(1.90 eV)/GaAs(1.42 eV)/InGaAs(1.0 eV) 各結厚度的最佳厚度組合為1.35、2.83和3.19 μm且底電池帶隙為1.0 eV時，光電轉換效率最高達44.4%，僅比最高轉換效率低0.3%。

臺灣國立虎尾科技大學報道了一種利用等離激元技術實現表面減反射效果的方法[118]。研究人員利用醋酸鋅溶液、氫氧化鈉溶液和硝酸銀溶液按照特定的比例混合，以旋涂的方式覆蓋到GaInP/(Al)GaAs/Ge三結電池上，后經200 ℃熱退火形成銀納米顆粒(AgNPs)和ZnO的混合減反膜，電池轉換效率在AM0條件下達到34.17%，而僅采用SiNx減反膜的電池在同樣條件下的轉換效率僅為 30.2%。

在電池的理論進展方面，香港大學深圳研究院于2018年報道了一種創新地研究GaInP/GaAs異質結構的單結太陽電池中少子復合壽命[119]的技術方法。研究人員利用一種變溫時間積分光致發光光譜設備，測算到p型GaInP材料中的電子具有220 μs的超長壽命。對于這種現象的產生，研究人員采用載流子局域態集體(localized-state ensemble，LSE)的時間分辨熒光譜進行解釋，指出在局域態中的載流子輻射復合發射的熒光光子有38%的比例會以光子再吸收的形式被循環利用，這也是GaInP材料中的電子輻射復合壽命具有超長值的原因。

中科院物理研究所近期對基于柔性金屬基底的InGaP/GaAs雙結太陽電池進行了研究[120]。與國際上采用金屬膜鍵合轉移電池外延層技術不同，其采用在芯片上直接電鍍技術，實現較厚的Cu支撐基底，以減少鍵合過程給芯片引入的應力，通過光致發光峰的位置進行驗證，轉移完成的柔性電池效率比最初在GaAs基底時提高了0.84%。但是當柔性電池遭受較強的應力彎曲時，效率下降明顯。經過100次彎折實驗后，電池效率仍維持在較高值，從而從實驗上為柔性III-V族電池提供了一種新的技術途徑。

1.6.4 GaAs薄膜太陽電池的發展趨勢展望

當前以GaAs 為代表的III-V族化合物半導體太陽電池的研究方向，除繼續發展各類晶格和能帶匹配的外延層結構之外，還將在以下技術方面產生較多突破。

1)帶隙≥1.8 eV的寬帶隙GaInP、AlInP、AlGaInP等材料作為頂電池異質結發射極或是窗口層；帶隙≤1 eV窄帶隙GaInAs、GaInAsP等材料作為疊層電池的底電池結構的深入研究，以及相關的晶格失配外延和反向生長等技術的發展。

2) III-V族/Si疊層電池快速發展，雖然目前Si直接外延GaAs材料制備出的電池性能較差，但目前已發展出應變緩沖層、循環退火等先進技術，目前報道的電池效率已接近20%。未來該研究領域將不再局限于III-V族和Si材料的機械疊層或鍵合技術。

3)大產能快速外延技術的發展。一旦GaAs薄膜太陽電池的民用市場被打開，成本降低帶來的市場需求會引發國際知名的MOCVD設備公司集中開發大產能和快速沉積的量產型設備，一些降低氣源成本的改進設備(動態氫化物氣相外延)也將得到普遍應用。

4)新型高效的技術手段也將在GaAs薄膜太陽電池上得到重點開發，包括量子點、量子阱材料在光吸收層的插入，上下轉換的熒光材料拓展GaAs電池吸收光譜、等離激元光散射體對太陽光譜的增強吸收等。

5)單結、多結非聚光電池效率繼續提升。目前單結電池的量產效率＞26%，通過采用低電阻接觸層、高質量鈍化層、細柵電極等技術，單結電池的量產效率可提升到27%以上。

6)柔性輕質GaAs薄膜太陽電池的耐候性、抗輻射性等的研究將集中報道。隨著GaAs 薄膜超輕柔封裝結構的不斷完善，其在各使用環境下的性能將獲得檢驗，尤其是在極端環境下；其抗輻射加固技術的開發也將獲得重視。