Ⅲ-Ⅴ族异质结的光伏效应和相关现象

2.3.1　聚光:高效且经济

转换汇聚的太阳光为太阳电池效率的提升提供了另外一种可能。光生电流与光强呈线性关系增长，而开路电压与光强呈对数关系增长。因此，通过光线的汇聚，输出功率随光强呈现超线性增加，从而光电转换效率也会升高。根据太阳到地球轨道的距离计算出的最大聚光比是46 200。这个聚光比通常用在估算各种不同类型的太阳电池的热力学极限效率上。此外，与电池材料相关的一个理想参数的假设是:只有少数载流子复合的辐射通道才是有效的。具体来说，拥有数十个叠层的多结电池的极限效率约是87%，这个效率很接近卡诺循环的效率。因此，多结电池除了展示出其具有目前为止最高的效率和在不久的将来具有非常好的发展前景外，从原理上它也有着很好的开发前景。

与硅电池显著不同的是，基于GaAs的异质结太阳电池能够在几百甚至几千倍聚光比下高效地工作［27～30］，这个事实早在20世纪70年代末到20世纪80年代初就已得到证实。首批试制的基于聚光器的高功率AlGaAs/GaAs电池组件就始于那个时候［28］。如果高值电流流过光电池的内部电阻时不会产生明显的压降，那么在实际过程中就能够提高光电的转换效率，这就是为什么在研发聚光电池时最关键的问题是要设法降低其内部的欧姆损失。采用聚光器实现电池效率的提升具有非常诱人的前景，然而采用聚光组件的主要吸引力还是由于其可以减少半导体材料的用量。因为在产生相同的电功率下，聚光电池组件的使用量会随着聚光比的增加成比例减少。在这种情况下，置于聚光器(反射镜或透镜)焦平面的较小面积的太阳电池就能接收来自太阳的光能。这些聚光器可以用相对便宜的材料制作。尽管聚光组件的效率直接取决于所使用的太阳电池的效率，但太阳电池的成本在整个电池组件成本中所占的比例已不再重要，因此，尽管基于Ⅲ-Ⅴ族化合物的太阳电池比较昂贵，但聚光条件下它的采用还是经济可行的。

2.3.2　辐射复合的极限

所有半导体材料都具有或多或少的发光性质。目前存在两种非常有价值的发光激励方式。第一种方式是光激发，半导体内光生电子－空穴对的辐射复合被称为光致发光(PL)。由于可能的非辐射主体和表面通道趋于饱和，PL的内部量子场可能会随着光强的增加而增强，直到带间电子跃迁的基本复合机制成为主导因素。自该光照水平起至“非常高”的光强水平范围内，PL的内部(相应的外部)量子场的表征结果为常数，其可能会由于受激发射的产生而升高，也有可能会由于俄歇复合过程的激活而下降。

发光激励的第二种方式适用于有p-n结的半导体样品。在正向流动的电流中，电荷载流子被注入相反的区域并在那里复合。在外部电源作用下注入载流子的辐射复合被称为电致发光(EL)。通常，EL的内部量子场会随着通过p-n结的电流密度的增加而增强，这是由于泄漏和非辐射通道都趋向饱和，基本扩散机制起主导作用。高光强和流过p-n结的高电流密度是太阳电池在聚光条件下工作的主要特征。很明显，发光辐射在采用直接带隙材料制作的聚光太阳电池(如GaInP和GaAs，这些材料的辐射复合效率接近100%)的工作中起了很重要的作用。这与开路状态密切相关，在开路状态时没有光生电流从电池流向外部的电子负载。解释发光现象有利于理解采用多层异质结的太阳电池的一些工作特点，尤其是单体级联太阳电池。对太阳电池结构中的发光现象的详细分析非常重要，这使得我们可以提出系列切实可行的用于电池质量测试和效率评估的有效发光方法［29］。

一般来说，一个转换系统进行可逆操作的能力是这一系统是否具有高效潜力的基本特征。就光电转换器件而言，可逆原理意味着该器件具有把太阳光转换成电能的可能，反之亦然。对于具有高辐射复合效率的半导体材料所形成的光电池的p-n结来说，这种认识是合理的。这是具有直接带隙的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的固有特性。而且会产生可以发生在基于Ⅲ-Ⅴ族太阳电池的光敏区域内部或区域之间(这种性质是在对大量具有异质结的试验样品的研究过程中发现的)。

2.3.3　异质结作为一种工具来研究半导体的性能

对具有辐射中间转换太阳电池异质结的研究结果证明了光子辅助载流子传输的重要性，如图2.3［29，30］。在这种结构中，经过宽带“窗口”层1的太阳光在窄带的层2中被吸收并且产生电子－空穴对。少数载流子由于界面势垒的存在被限制在这一层内并且在此复合，产生量子能为hν2的二级窄带宽的PL辐射。反过来，PL辐射传播到电池结构中并且在p-n结附近被吸收，形成产生光电流的少数载流子。如果从低能级开始考虑这一结构的响应光谱，就可以估计p-n结的灵敏性，因为入射光在穿过p-n结区域的过程中在窄能级层中没有被吸收。自p-n结的自校准后，在窄能级层中的吸收/再发射机制被激发，在光谱响应曲线上出现了一个明显的向下阶梯。再发射后的光谱响应信号(P2)和发射前的信号(P0)的比例是由发光的内部量子效率ηi决定的。ηi是通过考虑各向同性发光的本体吸收系数和半导体材料的折射率计算出来的。20世纪70年代中期，上述的ηi的计算方法已经用在AlGaAs－GaAs异质结的直接带隙AlGaAs各层的研究中了，计算得出:在室温条件下，当光强为10－5W/cm2时，ηi=95%;当光强为1 W/cm2时，ηi=97%［30］。

图2.3　具有辐射中间转换的异质结的示意［43，44］和基于该异质结的光电池的响应光谱

与此同时，一种新材料的首个多层异质结的研究也已开展，这是一种与GaAs和GaAsP基底晶格匹配的InGaP－InGaAsP新材料，是通过液相外延生长出来的，这种材料是为了促进可见激光的发展而研制的。特别地，在光强为10－4W/cm2、温度为300 K的条件下，在InGaAsP的光敏区测量出60%的内部量子效率［31］。而当光强为300 W/cm2时，其测量结果达到了80%。人们注意到，活性层和宽带宽In0.5Ga0.5P发射层的带隙差仅为120 meV，以至于在预测ηi的值时，InGaAsP层就会出现对光生载流子明显的排斥现象。此后［32］，有人证实了在更高的光强下有可能获得更高的ηi值(大约90%)，而且，当活性层和发射层间的带隙差别越大时，ηi值还具有进一步增大的趋势。

估算光激发下的ηi值的另外一种方法是记录多层异质结的PL光谱(图2.4)。短波入射光在层1中产生最靠近表面的光线hν1。由于结构的高折射率和自发发光的各向同性，这部分发光的大部分(＞95%)不能离开结构，且在窄带隙层3中被吸收并产生光线hν3。如果异质结中存在另一个吸收层(图2.4中的层5，其可能是吸收基底)，在层3中产生的光线的分离条件与层1中的相似。如果层3的ηi为100%，从样品中出去的光子能量为hν3的光线数量将会与光子能量为hν1的光线数量相近，这部分光在层1中生成;因此，通过直接比较光谱轮廓线hν1和hν3下面的区域面积，并考虑自身的吸收和一些其他的因素，就可对层3中的ηi进行更加精确的估算。

在20世纪70年代中期，上述的ηi的计算方法已应用到AlGaAs－GaAs异质结的研究上，得出室温下其ηi值约为100%［33］。稍后，在无任何额外吸收层的双异质结发光区域的直接光激发中(在结构内部光线中实现样品的多路效应)，测量出其光致发光的外部量子效率高达75%［34］。此外，实验证明在室温条件下，ηi值范围为97.2%±0.2%。对于采用液相外延生长技术制备的异质结InGaP/GaAs，其发光区域的厚度变化范围为0.01～1.5μm，证实其界面复合速率可低至5 cm/s［35］。

图2.4　估算第3层光子激发的ηi值的一种异质结示意图和这种异质结的光致发光光谱

对采用现代有机金属化学气相沉积(MOCVD)生长的在聚光条件下工作的(Al)InGaP/InGaAsP异质结进行相应的研究令人关注。事实上，在ηi足够高时，对多结电池异质结中各电池间的光子辅助载流子传输的研究就很重要了。相关研究对于促进热光伏这一全新的太阳能转换方式的发展起到非常重要的作用［36］。实际上，该方法的优势需要在非常高的外部电致发光量子效率条件下才能得以实现。MOCVD生长领域的研究成果会有助于提高异质结的质量，这种提高可超过目前砷化镓基底光敏区域内获得的异质结质量［37］。