GaAs太阳电池结构
文献综述 ——GaAsSb热光伏电池
文献综述——GaAsSb热光伏电池开路电的优化仿真分析1. 引言1.1 热光伏技术当前，能源问题已经越来越成为制约人类社会进步和发展的阻力，而现在大规模使用的化石能源，由于其不可再生和对环境的高污染性，使得开发可持续的绿色能源已经是迫在眉睫。
作为一种新颖的能源利用方法，热光伏电池（thermophotovoltaic，TPV）的研究始于上世纪60年代，但是由于当时理论和工艺水平的限制，直到90年代末开始才又重新引起了人们的重视。
相比较于太阳能光伏电池，热光伏电池系统首先是具有较高的系统效率和输出能量密度，这主要因为热光伏电池后端的光伏电池的带宽能量要小一些，这样在同等的温度条件下，系统的效率和能量密度会比较高。
另外，热光伏电池系统中热发射源离后端光伏电池的距离也相对于太阳能光伏电池离太阳的距离要近得多，所以这样就减少了能量在传播路径上的传递损失，而增大了能量利用的效率。
另外，热光伏电池系统的噪音也比较低，并且没有移动的部件，因而可以便携使用。
还有，热光伏电池系统的热源也很广泛，除过常规的太阳能外，各种工业废热、余热以及附加热等都可以作为热光伏电池系统的热量来源[1]，所以热光伏电池系统的性能受天气和环境的影响不大。
近年来，随着微细加工技术的发展，人们有可能去制造微型的热光伏电池系统去取代传统的化学电池作为工业和科技界的能源，因而热光伏电池系统必将是未来微型电力系统研究的重点方向之一。
一般来讲，热光伏电池系统就是一种通过光伏电池把热辐射源辐射的热能转化成电能的静态能量转换器件[2]。
典型的热光伏电池系统包括一个前端的热辐射源，一个后端的光伏电池和位于它们之间的光谱控制元件，如光谱滤波器等。
整个热光伏电池系统的工作原理是：首先是热源的热量直接加到热辐射源上，然后热辐射源辐射出的能量到达滤波片，接着滤波片过滤掉能量小于PV 电池带宽能量的低能光子，而使得大于PV电池带宽能量的高能光子到达PV电池，最后PV电池由于光生伏特效应产生光生电子，而电子以电流的方式输出到外电路作为电源使用[3]。
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
05-第五章 GaAs半导体材料教程
第五章GaAs 半导体材料§5.1 GaAs 材料的性质和太阳电池§5.2 GaAs 单晶材料§5.3 GaAs 薄膜单晶材料§5.4GaAs 晶体中的杂质第五章GaAs 半导体材料第五章GaAs 半导体材料近年来,太阳能光伏发电在全球取得长足发展。
常用光伏电池一般为多晶硅和单晶硅电池,然而由于原材料多晶硅的供应能力有限,加上国际炒家的炒作,导致国际市场上多晶硅价格一路攀升,最近一年来,由于受经济危机影响,价格有所下跌,但这种震荡的现状给光伏产业的健康发展带来困难。
目前,技术上解决这一困难的途径有两条:一是采用薄膜太阳电池,二是采用聚光太阳电池,减小对原料在量上的依赖程度。
常用薄膜电池转化率较低,因此新型的高倍聚光电池系统受到研究者的重视。
聚光太阳电池是用凸透镜或抛物面镜把太阳光聚焦到几倍、几十倍,或几百倍甚至上千倍,然后投射到太阳电池上。
这时太阳电池可能产生出相应倍数的电功率。
它们具有转化率高,电池占地面积小和耗材少的优点。
高倍聚光电池具有代表性的是砷化镓(GaAs 太阳电池。
第五章GaAs 半导体材料第五章GaAs 半导体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。
目前,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,目前常把其制成薄膜,并使用衬底(常为Ge ,来对抗其在这方面的不利,但是也增加了技术的复杂度。
第五章GaAs 半导体材料第五章GaAs 半导体材料GaAs 太阳电池的发展是从上世纪50年代开始的,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。
砷化镓电池结构
砷化镓电池结构砷化镓电池是一种高效率、高性能的太阳能电池，其结构设计和材料选择对其性能起着至关重要的作用。
砷化镓电池主要由多个层次的结构组成，包括衬底、n型掺杂层、p型掺杂层、活性层和透明导电氧化物层等。
砷化镓电池的衬底通常采用镓基衬底，如镓砷化铟（GaAs）或镓磷化铟（InP）。
这些衬底具有良好的晶体结构和电学性能，能够提供良好的基底支撑和电子传输性能，从而提高电池的效率和稳定性。
砷化镓电池中的n型掺杂层和p型掺杂层分别用于形成n-p结构。
n型掺杂层通常采用硅（Si）或硒（Se）等材料，用于提供自由电子。
而p型掺杂层通常采用锌（Zn）或镓（Ga）等材料，用于提供空穴。
这样，通过n型和p型掺杂层的结合，形成了电池的正负极，实现了光生电荷的分离和电流的输出。
在砷化镓电池的活性层中，主要采用砷化镓（GaAs）材料。
砷化镓具有较高的吸收系数，能够有效吸收太阳光谱中的光子，并将其转化为电子-空穴对。
同时，砷化镓还具有良好的电子迁移性能和较高的光电转换效率，能够提高电池的光电转换效率和输出功率。
砷化镓电池的透明导电氧化物层通常采用氧化铟锡（ITO）或氧化锌（ZnO）等材料。
这些材料具有良好的透明性和导电性，能够有效地传输光电子，并提高电池的光电转换效率。
同时，透明导电氧化物层还可以保护电池表面免受外界环境的影响，延长电池的使用寿命。
总的来说，砷化镓电池的结构设计和材料选择对其性能起着至关重要的作用。
通过合理设计各层结构和优化材料选择，可以提高电池的效率、稳定性和寿命，推动太阳能光伏技术的发展和应用。
希望未来能够进一步优化砷化镓电池的结构，提高其性能，实现更广泛的应用和推广。
三结砷化镓太阳电池
三结砷化镓太阳电池一、简介三结砷化镓太阳电池是一种高效的光电转换器件，由三个不同材料的层叠组成。
其中，砷化镓（GaAs）是最常用的材料之一，它具有良好的光电性能和高效率。
这种太阳电池可以在高温和强光环境下工作，并且具有长寿命。
二、结构三结砷化镓太阳电池由三个不同材料的层叠组成，分别是n型砷化镓层、p型磷酸铝层和n型硅层。
其中，n型砷化镓层和p型磷酸铝层形成了第一级pn结，n型硅层和p型磷酸铝层形成了第二级pn结。
这两个pn结之间形成了一个内建电场，在光子作用下可以产生光生载流子。
三、工作原理当太阳辐射到三结砷化镓太阳电池上时，光子被吸收并激发出电子-空穴对。
这些载流子被内建电场分离，并在两个pn结中产生漂移运动。
最终，在外部负载上产生一个电压和电流。
由于三个不同材料的层叠，这种太阳电池具有更广泛的吸收光谱和更高的光电转换效率。
四、优点1. 高效率：三结砷化镓太阳电池具有高达40%的转换效率，是目前最高的太阳电池之一。
2. 高温工作：由于材料的特性，这种太阳电池可以在高温环境下工作，并且不会损失效率。
3. 长寿命：三结砷化镓太阳电池具有长寿命，可以在20年以上的时间内保持高效率。
4. 宽谱响应：由于三个不同材料的层叠，这种太阳电池可以吸收更广泛的光谱，从紫外线到红外线。
五、应用1. 航空航天：由于其高温工作和长寿命特性，三结砷化镓太阳电池被广泛应用于航空航天领域。
2. 大型光伏系统：这种太阳电池也被用于大型光伏系统中，以提高整个系统的发电效率。
3. 军事领域：由于其宽谱响应和高效率，三结砷化镓太阳电池也被用于军事领域，例如用于卫星电源等。
六、总结三结砷化镓太阳电池是一种高效、高温工作、长寿命、宽谱响应的光电转换器件，具有广泛的应用前景。
随着科技的不断发展，相信这种太阳电池将会在更多领域得到应用。
太阳电池的结构、工作原理及电性能表征参数
太阳电池的结构、工作原理及电性能表征参数院系XX学院班级XX姓名XX学号XXX太阳电池的结构、工作原理及电性能表征参数关键词：结构工作原理性能参数一、太阳电池的结构1、根据基质材料和扩散杂质的不同，太阳能电池基本结构分为两类：①基质材料为p型半导体光电材料：在p型基质材料表面形成n 型材料，制备p-n结，n型材料为受光面。
②基质材料为n型半导体光电材料：在n型基质材料表面形成p 型材料，制备p-n结，p型材料为受光面。
2、根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：晶硅电池、非晶硅电池、其他电池。
①晶硅电池在晶硅电池中，又有单晶硅电池和多晶硅电池。
其中单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。
高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。
现在单晶硅的电池工艺己近成熟，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。
相比之下，多晶硅薄膜太阳能电池节省了材料，使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退问题，其成本远低于单晶硅电池。
②非晶硅电池基于晶体硅的太阳能电池发展历史较早且技术比较成熟，在装机容量一直占据领先地位。
但是晶体硅太阳能电池降低成本的空间相当有限，很难达到人们期望值。
因此非晶硅太阳能电池益发得到世界国的重视。
非晶硅电池一般采用PECVD(等离子增强型化学气相沉积)方法使高纯硅烷等气体分解沉积而成的。
由于沉积分解温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积薄膜，易于大面积化生产，成本较低。
③其他电池除了晶硅和非晶硅电池以外，还有铜铟镓硒（ CIGS）电池、砷化镓（GaAs）电池、碲化镉（CdTe）电池、染料敏化电池等。
二、工作原理1、p-n结一个掺入5价杂质的4价半导体，称为n型半导体。
其空穴数目很少,称为少数载流子；而电子数目很多,称为多数载流子。
一个掺入3价杂质的4价半导体，称为p型半导体。
半导体GaAs太阳能电池制备
半导体GaAs太阳能电池制备一：GaAs材料简介1：GaAs材料做太阳能电池的优势：GaAs材料有良好的吸收系数，在波长0.85μm一下，GaAs的光吸收系数急剧升高，达到104 cm-1以上，比硅材料要高一个数量级，而这正是太阳光谱中最强的部分。
因此，对于GaAs太阳能电池而言，只要厚度达到3μm，就可以吸收太阳光谱中约95％的能量。
GaAs太阳能电池的抗辐射能力强，有研究指出，经过1×1015cm-2的1MeV的高能电子辐射，高效空间硅太阳能嗲吃的效率降低为原来的66％，而GaAs太阳能电池的效率仍保持在75％以上。
显然，GaAs太阳能电池在辐射强度大的空间飞行器上有更明显的优势。
2：GaAs材料的能带结构：图1.11GaAs的能带结构由图1.1可以看出，它的导带的极小值位于K=0处，等能面是球型等能面。
导带底电子有效质量是各向同性的。
3：GaAs材料具有负阻特性。
这是因为，GaAs的[100]方向上具有双能谷能带结构，除K=0处导带有极小值外，在[100]方向边缘上存在另一个比中心极小值仅高0.36eV的导带极小值，因此电子可处于主，次两个能谷。
在室温下，主能谷的电子很难跃迁到次能谷中去，因为室温时电子的平均热能约为0.026eV。
但电子在主能谷中有效质量较小，迁移率大，而在次能谷中有效质量大，迁移率小，且次能谷中的状态密度又比主能谷大。
一旦外电场超过一定的阈值，电子就能由迁移率大的主能谷转移到迁移率小的次能谷，从而出现电场增大，电流减小的负阻现象。
【1】4：GaAs材料特征。
GaAs材料在室温下呈暗灰色，有金属光泽，较硬，性脆，相对分子质量为144.64；在空气或水蒸气中能稳定存在；但在空气中，高温600 度时可以发生氧化反应，高温800度以上可以产生化学离解，常温下化学性质也很稳定，不溶于盐酸，但溶于硝酸和王水。
【2】和其他三五族化合物半导体能带结构的一些共同特征。
因为闪锌矿和金刚石型结构类似，所以第一布里渊区也是截角八面体的形式。
gaas量子阱太阳能电池转换效率的计算
近年来，太阳能电池作为清洁能源的重要组成部分，受到了越来越多的关注。
而在太阳能电池中，基于gallium arsenide (GaAs) 材料的量子阱太阳能电池因其优异的光电转换性能备受青睐。
对于这种高效率的太阳能电池，其转换效率是评价其性能优劣的重要指标之一。
本文将从深度和广度的角度探讨如何计算GaAs量子阱太阳能电池的转换效率，并对该主题作全面的评估和解析。
1. GaAs量子阱太阳能电池的基本原理GaAs量子阱太阳能电池是一种基于III-V族化合物半导体材料的太阳能电池。
其工作原理是通过光吸收和电子-空穴对的形成来转化太阳能光子能量为电能。
量子阱的引入可以有效地提高电子和空穴的迁移率，从而提高光电转换效率。
2. 计算GaAs量子阱太阳能电池转换效率的方法要计算GaAs量子阱太阳能电池的转换效率，首先需要考虑光吸收效率、载流子的输运和捕获过程、以及光电转换效率等多个因素。
其中，光吸收效率与量子阱的材料结构、厚度以及光谱响应等有关；载流子的输运和捕获过程则与材料的电学性能、结构设计等因素密切相关；而光电转换效率则取决于载流子对的寿命和输运长度等因素。
综合考虑这些因素，并通过数值模拟和实验数据拟合等方法，可以得到GaAs 量子阱太阳能电池的转换效率。
3. 个人观点和理解作为一名专注于太阳能电池研究的文章撰写手，我对GaAs量子阱太阳能电池的转换效率计算也有一些个人的见解。
在我看来，要提高GaAs量子阱太阳能电池的转换效率，除了优化材料和结构设计外，还可以通过提高光吸收效率、减小载流子的捕获和复合过程、以及改善光电转换效率等途径来实现。
将量子阱太阳能电池与其他光伏技术相结合，也是提高转换效率的重要途径之一。
在本文中，我们对GaAs量子阱太阳能电池的转换效率进行了全面评估和解析，探讨了其计算方法和影响因素，并共享了个人的观点和理解。
希望本文能为读者提供一些有价值的信息和思考，促进太阳能电池领域的进一步研究和发展。
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多结GaAs电池，按带隙宽度大
小叠合，可以选择性的吸收和
转换太阳光谱的不同能量，大 幅度提高光电转换。
理论计算表明：双结GaAs太阳电池的极限效率为30%，三结GaAs太阳电池的极限效 率为38%，四结GaAs太阳电池的极限效率为41%。
小结
单结太阳电池，通常要选用带隙大小位于整个太阳辐射光谱中
3、GaAs太阳电池国内外应用
1970 年和 前苏联发射的“月行器”Ⅰ、Ⅱ宇宙飞船上装有实验用GaAs 电 1973 年 池。 1984 年 1983 年 1986 年 1988年初 在“礼炮7 号”飞船的主帆板上安装了1 个GaAs电池方阵。 美国休斯公司在L IPS Ⅱ卫星上安装了由1800片2cm×2cm GaAs电池组成的方阵进行实验。 前苏联发射的“和平号”轨道空间站,装备了10 kW 单结Ga xAl xAs/ GaAs 异质界面电池,方阵面积比功率达到180 W/ m2 。 日本发射的CS23 通信卫星这是首颗采用多结电池的商业卫星 。
可以
）
）选择性的吸收和转
换太阳光谱的不同能量，大幅度提高电池的转换效率。 最大/最小 可以/不可以
总结
多结太阳能电池中，越上层的电池带隙越 （ 大 ）。 多结太阳能电池中，越下层的电池带隙越 （ ）。 小
大/ 小
总结
为了克服GaAs太阳电池机械强度差、易碎的 缺点，常用( Ge )为衬底。 GaAs太阳电池有两种制造技术，( )和( MOCVD )。
1、GaAs太阳电池的结构
单结太阳电池的设计
如果要想使产生的电流最大化，那么太阳电池要能尽量捕 捉太阳光谱中的光子才行，因此越小带隙的材料越能达到 这目的。但是小带隙的材料却会导致比较小的光电压，而 且一些具有较高能量的光子（亦即比较短的波长），它高 出带隙的能量并不会转换成电能，而是以热的形式浪费掉 如果选择大带隙的材料将会导致较小的光电流。
LPE
国内均采用LPE技术研制GaAs电池。 国内开始采用MOCVD 技术研制GaAs 电池。
在1988 年9 月
在1990 年9 月
发射的FY21A 星上,进行了我国首次GaAs 电池 的卫星标定试验 。
发射的FY21B 星上,进行了4 W 组合件的电功率 输出试验。
2001 年1 月发射的“神舟3号”飞船和2002 年5 月发射的“海 洋21”卫星上,进行了单结GaAs 电池的搭载试验。
2、GaAs太阳电池两种制造技术
MOCVD（metal-organic chemical vapor deposition）技术 ——金属有机化学气相外延 MOCVD是MANASEVIT在1968年提出的一种制备化合物半导体薄层单 晶的方法。 其原理是采用Ⅲ族、Ⅱ族元素的金属有机化合物Ga(CH3)3、 Al(CH3)3、Zn(C2H5)2等和Ⅴ族、Ⅵ族元素的氢化物(PH3、AsH3、 H2Se) 等作为晶体生长的源材料,以热分解的方式在衬底上进行 气相沉积(气相外延) ,生长Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体及其 三元、四元化合物半导体薄膜单晶。
2002 年6 月 美国发射的Galaxy I2IIC 卫星采用了美光谱实验室生产的、效率 高达26.5%的改进型三结GaInP2/GaAs/Ge太阳电池。
总结 GaAs属于（ Ⅲ-Ⅴ族 ）化合物半导体材料。 单结太阳电池，通常要选用带隙大小位于整个太阳 辐射光谱（ 中间 ）的材料，才可达到（ 最大 的理论效率。 多结太阳能电池，（
小结 GaAs太阳电池有两种制备技术，为LPE和MOCVD。 LPE（liquid phase epitaxy ）为液相外延法； MOCVD（metal-organic chemical vapor deposition）金属有机化学气相外延法。
3、GaAs太阳电池国内外应用
70 年代中期至 90 年代中期 90 年代中期
1、GaAs太阳电池的结构 单结GaAs/Ge太阳电池
为了克服GaAs/GaAs太阳电池机械 强度较差、易碎的缺点，1983年 起逐步采用Ge替代GaAs制备为衬 底。
1、GaAs太阳电池的结构
多结GaAs/Ge太阳电池 讨论分析 1、带隙排列？ 2、为什么制备多结？
1、GaAs太阳电池的结构
在传统单结太阳电池的设 计上，通常要选用带隙大
小位于整个太阳辐射光
谱中间的材料，才可达
到最大的理论效率。也
就是说，最佳的太阳电池材
料的带隙约为1.4～1.5eV之
间。 这些单结的太阳电池材料的理论效率都在30%以下。
1、GaAs太阳电池的结构
多结太阳电池的设计 由于单结太阳电池只能吸收和转换特定光谱范围的太 阳光，因此能量转换效率不高。 多结太阳能电池，按带隙宽度大小从上至下叠合起来， 选择性的吸收和转换太阳光谱的不同能量，就能大幅 度提高电池的转换效率。 多结太阳能电池可以选择性的吸收和转换太阳光谱的 不同能量，大幅度提高电池转换效率。 多结太阳能电池，越上层的电池带隙越大。
LPE是NELSON在1963年提出的一种外延生长技术。 其原理是以低熔点的金属(如Ga 、In 等)为溶剂,以待 生长材料(如GaAs、Al 等) 和掺杂剂(如Zn、Te 、Sn 等)为溶质,使溶质在溶剂中呈饱和或过饱和状态,通过 降温冷却使溶质从溶剂中析出,结晶在衬底上,实现晶体 的外延生长。
LPE技术优缺 点：
间的材料，才可达到最大的理论效率。 多结太阳能电池，可以选择性的吸收和转换太阳光谱的不同 能量，大幅度提高电池的转换效率。 多结太阳能电池中，越上层的电池带隙越大。
多结太阳能电池中，越下层的电池带隙越小。
2、GaAs太阳电池两种制造技术
LPE（liquid phase epitaxy）技术——液相外延
优点： 缺点： LPE 设备成本较低,技术较为 异质界面生长无法进行、多层 简单,可用于单结GaAs/ GaAs 复杂结构的生长难以实现，外 太阳电池的批量生产。 延层参数难以精确控制,这限制 了GaA本不再发展该技术，但欧、俄、
日等地区和国家仍保留LPE 设备,用于研制小卫星电源。