Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池材料
III-V族化合物半导体太阳能电池_2023年学习资料
從能隙大小來看，磷化銦-InP、砷化镓GaAs、以-及碲化鎘CdTe等半導體材料，是極適合於製作高-效率的 陽能電池·-■能带間隙小於1.4~1.5電子伏特的半導體材料，其光波-的波長分布於紅外光的光譜區域，適合於 外光的光-波吸收。-■倘若將不同能隙的半導體材料，進行不同薄膜層的堆-叠，可以使其波長感度變得較大的區域分 ，因而可-以吸收不同波長的光譜，進而提升光電轉换效率。
大部分III-V族化合物半導體，是直接能隙半-導體，其能量與動量的轉移過程僅需要光子的-釋出-■-在間接能 半導體方面，其能量與動量的轉移-過程不僅僅是光子的釋出，而且其晶體的晶格-熱振動將產生動量的變化，進而衍生 聲子的-遷移效應
電子能量-電洞-hc-Eg能隙能量-動量-a
砷化镓太陽能電池基本特性-1.-高的光電能量轉换效率。-2.-適合於大面積薄膜化製程·-3.-高的抗輻射線 能·-4.-可耐高溫的操作。-5.-低成本而高效率化的生產製程。-6.-適用於太空衛星系統·-7.-可設計 特殊性光波長吸收的太陽能電池。-8.-極適合於聚光型或集光型太陽能電池應用。-9.-具有正負電極導電支架而 於插件安排。
III-V族化合物半導體太陽能電池
III-V族化合物半導體，是發光二極體元件製-作的主要材料，亦是太陽能電池元件的主要材-料之一，其中又以砷 镓為代表性材料。-■太陽能電池的基本原理是「光電效應Opto-Electro Effect」o-太陽能電池 件是二極體元件中的一種，它不-能發光而能夠發電，故又稱為「光伏特二極體-元件Photovoltaic Di de;PVD」或「光伏-特電池Photovoltaic Cell;PWC」。
砷化镓鋁/砷化镓AlGaAs/GaAs-20-矽Si-10-照度：135mW1cm2-100--50-15 -200-250-集光型太陽能電池的光電轉换效率-及其電池操作溫度的關係圖
Ⅲ-Ⅴ族太阳电池的研究和应用
Ｏ ９ ３年 ， ｏ ｅ 等人 提 出在 Ｈｖｌ （ ） 度 就 能 充 分 吸 收 太 阳 光 ， 外 ， ａ ｓ ｌＰ等 材 料 还 具 效率 长 时 间未 能超 过 １ ％。直 到 １ ７ ｕｍ 的厚 此 Ｇ Ａ 、ｎ
ａ ｓ表 面 生 长 一 薄层 ＡＩ ａ — Ａ ｘ ｌ ｘ ｓ窗 口层 后 ，这 一 困 难 才 得 以 Ｇ 有 良好 的抗 辐 射 性 能 和 较 小 的温 度 系数 ，因 而 Ｇ Ａ ａ ｓ基 系 材 料 特 Ｇ Ａ 。 ＝ ＡＩ １ ｘ ｓ Ｇ Ｅ 一２１ 对 ｅ 别 适合 于 制 备 高效 率 、 间 用 太 阳 电池 。 Ｇ Ａ 空 ａ ｓ太 阳 电池 ， 无论 是 克服 当 ｘ ０８时 ， ｘ ａ 一 Ａ 是 间接 带 隙材 料 ，ｇ ． Ｖ， ｘ ｌ ｘ ｓ层 进 入 到 Ｇ Ａ Ｇ ａ ｓ层 单 结 电池 还 是 多结 叠 层 电池 所 获 得 的转 换 效 率 都 是 所 有 种 类 太 光 的 吸 收 很 弱 ，大 部 分 光将 透过 ＡＩ ａ — Ａ
ＡＩ ｌ ｘ ｓ层 起 到 了窗 口层 的作 用 。 Ｇ 由于 ＡＩ ａ — Ａ ／ ａ ｓ ｘ ｌ ｘ ｓＧ Ａ Ｇ 阳 电池 中最 高 的 。 据 最 新 报道 ， 国 Ｓ ｅ ｔ ｌ 美 ｐ ｃｒ ａ ｏ ｂ公 司 （ 谱 实 验 中 ， ｘ ａ — Ａ 光
界面 态 的 密度 低 ， 光 生载 流 子 的复 合 较 少 。采 对 室） 已研 制 出效 率高达 ４ ７ ０ ％的三结 聚光Ｇ ｉＰＧ ｌＡ ／ ｅ叠层 太 界面 晶格 失配 小 ， ａｎ ／ ａｎ ｓＧ
Ｅ－ ｍａｉ ｘａ ｈｘ ｉｎｇ＠ ｒ ｄ．ｅ ｉ ．ｒ ｅ ｓ ｍ ｃｌ ａｃ
慢。 因而 Ｇ Ａ ａ ｓ太 阳电 池 ， 特别 是 Ｇａｎ ／ ｌＡ ／ ｌＰ Ｇａｎ ｓ Ｇｅ三 结叠 层太 阳 电池在 空 间能源 领域 获得 了越 来越 广 泛的应 用 。 近年 来 。 光 川一 聚 Ｖ族 太 阳电池 的研 究进展 迅 速。 为其地 面应 用打 下 了基 础 。
砷化镓导热系数 -回复
砷化镓导热系数-回复砷化镓（GaAs）是一种有重要应用前景的半导体材料，具有很高的导热系数。
导热系数是指单位温度梯度下物质传热的能力，是描述物质导热性能的重要参数之一。
在本文中，我们将一步一步回答关于砷化镓导热系数的问题。
第一步：什么是砷化镓？砷化镓是一种由镓和砷组成的化合物，化学式为GaAs。
它是一种Ⅲ族-Ⅴ族半导体材料，具有明显的半导体特性。
砷化镓具有较高的电子迁移率和较小的禁带宽度，使其在光电子器件、太阳能电池、激光器等领域中具有广泛的应用。
第二步：什么是导热系数？导热系数（thermal conductivity）是描述物质传热性能的物理量，表示单位时间内，单位厚度、单位温度梯度的偏导热量。
导热系数越大，表示物质具有更好的导热性能，能够更有效地传导热量。
第三步：砷化镓的导热系数是多少？砷化镓具有很高的导热系数，一般在300K温度下约为40～50 W/(m·K)。
与其他常见的半导体材料相比，如硅（Si）的导热系数约为148 W/(m·K)，砷化镓的导热系数较低。
然而，与与其他Ⅲ族-Ⅴ族半导体材料相比，如砷化铝（AlAs）的导热系数约为70～90 W/(m·K)，砷化镓的导热系数相对较高。
这使得砷化镓在高功率器件中具有很好的散热性能。
第四步：砷化镓导热系数高的原因是什么？砷化镓导热系数高的原因主要有以下几个方面。
首先，砷化镓是由金属镓和非金属砷两种元素组成的一种化合物材料，其晶体结构比较复杂，具有很多晶格振动模式和振荡态，导致其内部能量传递的途径较多。
其次，砷化镓的晶格常数较小，相对密度较高，原子间的相互作用强烈，导致其导热性能较好。
此外，砷化镓的热散射率较低，表明其热导电性能较好。
第五步：如何提高砷化镓的导热系数？尽管砷化镓已经具有较高的导热系数，但在某些高功率器件和高温环境下，要求更高的散热性能。
为此，可以采取以下几种方法来提高砷化镓的导热系数。
首先，通过合理的形状设计优化器件的散热结构，增加砷化镓器件与散热器之间的接触面积，提高热量的传导效率。
ⅲ-ⅴ族半导体 -回复
ⅲ-ⅴ族半导体-回复ⅲⅴ族半导体ⅲⅴ族半导体是指周期表中第3A族和第5A族元素的化合物，其中ⅲ族元素包括硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）等，ⅴ族元素包括磷（P）、砷（As）、锑（Sb）、铋（Bi）等。
这些元素在半导体材料中具有重要的性质和应用。
ⅲⅴ族半导体在电子、光电子、光伏和光学等领域中都有广泛的应用。
它们常常以化合物的形式存在，例如磷化镓（GaP）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等。
这些化合物具有较大的能带差，使得它们具有优异的载流子输运性能和光电转换效率。
在ⅲⅴ族半导体中，砷化镓（GaAs）是最具代表性的一种材料。
它是一种直接带隙半导体，具有优异的电学、光学和热学性质。
GaAs晶体结构紧密，晶格匹配性好，因此它可以与硅（Si）等材料形成异质结构，用于制作高频率、高速度的集成电路。
此外，GaAs还具有较高的光吸收系数，可用于制造激光器、光电探测器、光电二极管等光电元件。
除了GaAs，ⅲⅴ族半导体中的砷化铟（InAs）、磷化铟（InP）等也具有重要的应用。
砷化铟是一种窄带隙半导体，它在红外光谱范围内具有高敏感度和高速度的特点，被广泛应用于红外探测器、激光器和红外光电子器件中。
磷化铟是一种较宽带隙的半导体，它具有较高的光吸收系数和较好的载流子迁移率，被广泛应用于光通信、光伏和太阳能电池等领域。
在ⅲⅴ族半导体中，磷化镓（GaP）和磷化砷（GaAs）是常用的研究材料。
磷化镓是一种特殊的半导体材料，它具有优异的光电性能和光电子器件的制备灵活性，广泛用于LED、光电探测器、激光器等光电子器件中。
磷化砷是一种宽带隙半导体，具有较高的光吸收系数和较好的电子迁移率，广泛应用于光伏和光电子器件中。
然而，ⅲⅴ族半导体也存在一些挑战和问题。
首先，ⅲⅴ族半导体材料的制备和加工工艺相对复杂，成本较高。
其次，ⅲⅴ族半导体材料在制备过程中容易因掺杂不均匀等问题导致结构和性能的不一致性。
此外，ⅲⅴ族半导体的热稳定性较差，容易受到表面缺陷和杂质的影响。
GaAs
特点（与Si相比）
光电转换效率高： GaAs禁带宽度比 Si大、光谱响应特性和空间太阳 光谱匹配能力亦比Si强，因此转化效率高 可制成薄膜和超薄型太阳电池： GaAs 为直接禁带半导体，光吸收率 高于Si，因此GaAs太阳能电池可制成薄膜型，质量大幅度减小 耐高温性能好 抗辐射性能好
制备技术
国外技术的发展
单结GaAs/Ge太阳能电池
多结GaAs太阳能电池
双结GaAs太阳能电池
三结GaAs太阳能电池
四结GaAs太阳能电池
单结GaAs/Ge 太阳能电池 :为克服GaAs／GaAs太阳电池 单晶材料成本高、机械强度较差，不符合空间电源低 成本、高可靠要求等缺点，1983 年起逐步采用 Ge单晶 替代GaAs制备单结GaAs电池 GaAs/Ge太阳能太阳电池的特点是：具有GaAs／GaAs太 阳能电池的高效率、抗辐照和耐高温等优点， Ge单晶 机械强度高，可制备大面积薄型电池，且单晶价格约 为GaAs的30%。单结GaAs电池结构如图所示
砷化镓LED
目前制作LED都是采用MOCVD外延工艺，以半导体砷化镓材 料作为衬底，外延生长AIGaAs三元或AIGalnP 四元系外延 层结构，可用于制造红、橙、黄光LED。
用于制造LED的砷化镓衬底材料为掺硅的N型低阻材料，为 区别于半绝缘砷化镓材料，一般也可称之为半导体砷化镓 材料。单晶的晶向为(100)偏(111)A面15°，载流子浓度为 10 5~40x ／cm3，迁移度大于1500cm2／V·S，位错密度小 于5000／cm2。
神九采用三结砷化镓太阳能电池
砷化镓太阳能充电器
GaAs太阳能电池的发展
ⅲ-ⅴ族半导体 -回复
ⅲ-ⅴ族半导体-回复ⅲⅴ族半导体（Group ⅲ-ⅴSemiconductor）是指周期表中第三A族（也称为ⅲA族）和第五A族（也称为ⅴA族）元素组成的半导体材料。
这些元素包括硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）和硅（Si）、锗（Ge）、砷（As）、锑（Sb）等。
ⅲⅴ族半导体在电子和光电学领域中得到广泛应用，由于其特殊的物理和化学性质，使其成为探索新一代电子器件和光电器件的研究热点。
以下将介绍ⅲⅴ族半导体的特性、制备方法、应用以及未来发展方向。
首先，ⅲⅴ族半导体具有许多特殊的物理和化学属性，使其成为半导体领域的重要研究对象。
例如，镓（Ga）元素在红外光谱领域中具有很好的光吸收、光电转换和发光性能，因此广泛应用于激光器、光电二极管等器件中。
而硅（Si）和砷（As）主要应用于传统的半导体器件，如晶体管和集成电路。
此外，ⅲⅴ族半导体还具有较高的载流子迁移率、较低的漏电流和噪声等优势，使其在高频、高速电子器件中得到广泛应用。
其次，ⅲⅴ族半导体的制备方法多种多样。
其中，热蒸发法是最常用的制备方法之一。
通过将所需元素的化合物（如GaAs）加热至一定温度，使之蒸发，并在衬底上反应沉积形成薄膜。
其他常用的制备方法还包括金属有机分解法（MOCVD）、分子束外延（MBE）以及物理气相沉积法（PVD）等。
这些方法可以根据不同的需求和材料特性选择合适的工艺，制备出具有特定性能的ⅲⅴ族半导体材料。
再次，ⅲⅴ族半导体具有广泛的应用领域。
在电子领域中，它被广泛用于高速电子器件中，如高电子迁移率晶体管（HEMT）和高频放大器。
在光电领域中，ⅲⅴ族半导体被用于制备激光器、光电二极管、太阳能电池、光电探测器等器件，以及用于光通信、光存储等领域。
此外，由于其优异的热导率和较低的热阻，ⅲⅴ族半导体还可以应用于热传感器和热管理系统。
最后，ⅲⅴ族半导体的未来发展方向是通过新材料的开发和结构的优化来提高器件性能。
一方面，研究人员正在努力开发新的ⅲⅴ族半导体材料，以期获得更好的电子和光电性能。
半导体材料学习资料：Ⅲ-Ⅴ族化合物的制备及其特征
移动电话 近些年来移动电话飞速发展，年增长率达两三 倍。由于用户的增加和功能的扩大，就必须提高其使用的频 率。在较高的频率下，砷化镓器件与硅器件相比.具有使用 的电压低、功率效率高、噪声低等优点，而且频率愈高，两 种器件在上述性能方面的差距愈大。所以现在移动通信成了 砷化镓微波电路的最大用户。
GaN材料特点
① 宽带隙化合物半导体材料，有很高的禁带宽度（2.3 — 6.2eV)，可以覆盖红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围 ， 是到目前为止其它任何半导体材料都无法达到的
② 高频特性，可以达到300G Hz（硅为10G，砷化镓为80G） ③ 高温特性，在300℃正常工作（非常适用于航天、军事和
用砷化镓材料制作的器件频率响应好、速度快、工作温度 高，能满足集成光电子的需要。它是目前最重要的光电子材料 ，也是继硅材料之后最重要的微电子材料，它适合于制造高频 、高速的器件和电路。 已获应用的砷化镓器件: ①微波二极管，耿氏二极管、变容二极管等; ②微波晶体管:场效应晶体管(FET).高电子迁移率晶体管(HEMT) ，异质结双极型晶体管(HBT)等; ③集成电路:微波单片集成电路(MMIC )、超高速集成电路 (VHSIC)等; ④红外发光二极管:(IR LED); 可见光发光二极管(LED，作衬底 用); 激光二极管(LD);. ⑤光探测器; ⑥高效太阳电池; ⑦霍尔元件等
其它高温环境） ④ 电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好 ⑤ 耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境） ⑥ 高压特性（耐冲击，可靠性高） ⑦ 大功率（对通讯设备是非常渴望的）
GaN应用前景
GaAs电池
砷化镓太阳能电池
• 中文名称： 中文名称：
– 砷化镓太阳能电池
• 英文名称： 英文名称：
– gallium arsenide solar cell
• 定义： 定义：
– 以砷化镓为基体材料的太阳能电池。
• 砷化镓晶片发展前景 • 2010年5月，新一期英国《自然》杂志报告说，美国 研究人员研发出一种可批量生产砷化镓晶片的技术，克服 了成本上的瓶颈，从而使砷化镓这种感光性能比硅更优良 的材料有望大规模用于半导体和太阳能相关产业[2]。 • 美国伊利诺伊大学等机构研究人员报告说，他们开发 出的新技术可以生成由砷化镓和砷化铝交叠的多层晶体， 然后利用化学物质使砷化镓层分离出来，可同时生成多层 砷化镓晶片，大大降低了成本。这些砷化镓晶片可以像 “盖章”那样安装到玻璃或塑料等材料表面，然后可使用 已有技术进行蚀刻，根据需要制造半导体电路或太阳能电 池板。 • 不过，该技术目前还只能用于批量生产较小的砷化镓 晶片，如边长500微米的太阳能电池单元。下一步研究将 致力于利用新技术批量生产更电池是一种Ⅲ2 Ⅴ族化合物 半导体太阳电池,与Si 太阳电池相比,其特点 为: • a) 光电转换效率高 GaAs 的禁带宽度较Si 为 • 宽,GaAs 的光谱响应特性和空间太阳光谱 匹配能力亦比Si 好,因此, GaAs 太阳电池的 光电转换效率高。Si 太阳电池理论效率为 23 % ,而单结和多结GaAs 太阳电池的理论 效率分别为27 %和50 %。
砷化镓太阳能充电器, 砷化镓太阳能充电器,
三结砷化镓太阳能电池 三结砷化镓太阳能电池片 砷化镓太阳能电池片
• 砷化镓太阳能电池
砷化镓太阳电池技术的进展与前景
• • • • • • • • • • • GaAs 太阳电池的发展已有40 余年的历史。20 世纪50 年代首次发现GaAs 材料具有光伏效应后, LOFERSKI 确立了太阳电池光电转换效率与材料 禁带宽度Eg 间的关系,即Eg = 1. 4～1. 6 eV 的材 料光电转换效率高。而GaAs 材料的Eg = 1. 43 eV , 能获得较高的转换效率。J ENN Y等首次制成GaAs 太阳电池,其效率为6. 5 %。60 年代GOBAT 等研 制了第1 个掺锌GaAs 太阳电池,但转换效率仅为 9 %～ 10 % , 远低于27 % 的理论值。70 年代, WOODAL 等采用L PE 技术,在GaAs 表面生长一 层宽禁带Al x Ga12 x As 窗口层,大大减少了表面复