砷化镓太阳电池

1、GaAs太阳电池的发展历程
2、GaAs太阳电池的材料性质
Ga As原子序数及电子排布
3、Ⅲ-V族化合物太阳电池与硅比较具有的特性有哪些？
1、GaAs的发展历程
1954
世界上首次发现GaAs材料具有光伏效应
1956
理论上估算，GaAs单结太阳电池的效率可达27%
Gobat等研制了第1个掺锌GaAs太阳电池 采用LPE(液相外延)技术引入GaAlAs异质窗口层，降低了 GaAs表面的复合速率，使GaAs太阳电池的效率达16% 实验室最高效率已达到50%（来自IBM公司数据） 产业生产转化率可达30%以上
机械强度较弱，易碎； 怎么办？思考题
制备困难，砷化镓在一定条件下容易分解，而且砷材料 是一种易挥发性物质，在其制备过程中，要保证严格的 化学计量比是一件困难的事。 材料密度大，GaAs材料密度为5.32g/cm3，是Si材料密 度的2倍多
课外任务
任务二、 GaAs太阳电池的结构及制备工艺
作业
作业、 简述GaAs太阳电池的特点
20世纪60年代
20世纪70年代
世纪80年代后
1、GaAs的发展历程——曲折
砷化镓单晶在应用上曾遭受到不少挫折。
首先用它来作晶体管和二极管，结果其性能还赶不上硅和锗。到了60年代 初，出现了耿氏微波二极管，人们曾寄希望于将此器件取代真空速调管，使雷 达实现固体化。后终因输出功率太小而未能实现。 在改善计算机性能中，用砷化镓制成了超高速电路，可以提高计算机的计 算速度，这个应用十分诱人，但是后来开发出计算机平行计算技术，又给砷化 镓的应用浇了一飘冷水。
2、GaAs材料的性质
晶体结构：GaAs材料的晶体结构属于闪锌矿型晶格 结构。
化学键：四面体键，键角为109’28’，主要为共价成分。由于镓、砷原子 不同，吸引电子的能力不同，共价键倾向砷原子，具有负电性，导致GaAs键具有一定的离子特性，使得砷化镓材料具有独特的性质。
2、GaAs材料的性质
大多数Ⅲ一V族化合物半导体的晶体结构是闪锌矿型晶体结构，
占集成电路市场份额的2%强。
已获应用的砷化镓器件有: 微波二极管，耿氏二极管、变容二极管等;
1、GaAs的发展历程——应用领 域 移动电话 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。 光纤通信 在此种通信中光的发射是要用砷化镓或砷 化镓基的激光二极管或发光二极管，由于移动通信和因特网 的发展扩大了对光纤通信的需求。 汽车自动化 首先获得应用的是全球定位系统，
神八采用的是高效三结 砷化镓太阳电池，发电 效率远远高于过去使用 的硅太阳电池
神八
一共两个太阳翼，每个太阳翼有四块太阳电池板，每块板的 尺寸是一米五三乘两米，所以伸展出去有好几米长。 每一块板都布满了太阳电池。一共要有几千片太阳电池。太 阳电池在船上翅膀上是通过串并联方式组成一个太阳电池阵，这 个太阳电池阵在空间的时候，在光照期是为飞船的负载供电，同 时为蓄电池充电，在阴影期，太阳电池就不能再发电了，就是通 过蓄电池为负载供电。 神八的太阳电池都采三结砷化镓这种新型的电池，原来从 神一到神七采用的是硅太阳电池，他们俩最大的区别就是太阳 电池发电效率。硅太阳电池，以前采用的是14.8%的效率的太阳 电池，现在神八和“天宫一号”采用的都是26.8%的高效的三节砷 化镓太阳电池。
3、GaAs太阳电池的特点——缺 点
资源稀缺，价格昂贵，约Si材料的10倍；
污染环境，砷化物有毒物质，对环境会造成污染；
机械强度较弱，易碎；
制备困难，砷化镓在一定条件下容易分解，而且砷材料 是一种易挥发性物质，在其制备过程中，要保证严格的 化学计量比是一件困难的事。 材料密度大，GaAs材料密度为5.32g/cm3，是Si材料密 度的2倍多
军事应用 在海湾战争和科索沃战争中，电子信息技术显示出巨大
的威力，其中砷化镓起了不可磨灭的作用。在相控阵雷达、电子对 抗、激光描准、夜视、通信等方面，砷化镓器件都起了关键的作用。 现在各发达国家都在研究供军事用的砷化镓材料与器件。
2、GaAs材料的性质
多元化合物薄膜太阳能电池材
料为无机盐，其主要包括III-V
1、GaAs的发展历程——应用领 域
太空高效太阳电池 原来人造天体上所用的都是硅的太阳能电池。
由于砷化镓太阳能电池的工艺获得突破，现已证明，在太空中使用 砷化镓太阳能电池更为合理。最近发射和计划发射的人造天体多使 用砷化镓太阳能电池作能源。最引人注目的是美国发射的火星探路 者，它使用了砷化镓太阳能电池来驱动自动小车在火星上工作了30 天。
3、GaAs太阳电池的特点——优点
高的能量转换效率：直接带隙能带结构，GaAs的带隙为
1.42eV，处于太阳电池材料所要求的最佳带隙宽度范围；
电子迁移率高； 易于制成非掺杂的半绝缘体单晶材料，其电阻率可达108 兆 欧 以上； 具有良好的抗辐射能力：由于III-V族化合物是直接带隙，少 数载流子扩散长度较短，且抗辐射性能好，更适合空间能源领 域； 温度系数小：能在较高的温度下正常工作。
GaAs具有直接带隙的能带结构，带隙宽度为1.42ev，作为太阳电
池材料，GaAs具有良好的光吸收系数。
在波长0.85μ m以下，GaAs的光吸收系数急剧升高，达到 104/cm2，比硅材料要高1个数量级，而这正是太阳光谱中最强的
部分。因此，对于GaAs太阳电池而言，只要厚度达到3μ m，就
可以吸收太阳光谱中的95%的能量。
所以一直到90年代初期，砷化镓的应用基本限于光电子器件和
军事用途。
1、GaAs的发展历程——黄金时 代
由于认识到其优异性能及其战略意义人们不断地对砷化镓材料器件及应用 进行研究与开拓，这些工作为今天的大发展打下了基础。
砷化镓器件有分立器件和集成电路。现在集
成电路已不是硅的一统天下，砷化镓集成电路己
6月16日18时49分，神舟九号飞船(下称“神九飞船”)发射12分钟 后，在浩瀚太空中成功展开位于两侧的太阳能电池帆板，犹如神九 飞船长出的一对美丽翅膀。事实上，这对太阳能电池帆板，正是神 九飞船的“翅膀”，为其遨游太空并完成空间探测任务提供着不竭 动力。
课外任务检查
任务一、 GaAs太阳电池的发展历程及特点 任务二、 GaAs太阳电池的结构及制备工艺
族化合物（GaAs,InP等）、
Ⅱ－Ⅵ族化合物（CdTe系)、 和磷化锌及铜铟硒 (CuIn(S/Se)2, 简称CIS)薄膜电 池等.
2、GaAs材料的性质
它在600℃以下，能在空气中稳定存在，并且不为非氧化性的酸侵蚀。
GaAs属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，分子量144.63，熔点1238℃，GaAs的材料性质
GaAs属于（ Ⅲ-Ⅴ族 ）化合物
半导体材料。
总结
1、 GaAs的发展历程 2、 GaAs的材料性质
GaAs属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。
GaAs材料的晶体结构属于（ 闪锌矿型）晶格结构。
总结 3、 GaAs太阳电池的优缺点——优点
高的能量转换效率： GaAs具有（ 直接 ）带隙能带结构，GaAs的带 隙为（ 1.42eV ），处于太阳电池材料所要求的最佳带隙宽度范围；
直接/间接 1.42eV/4.56EV
电子迁移率高； 易于制成非掺杂的半绝缘体单晶材料，其电阻率可达108 兆欧 以上； 具有良好的抗辐射能力：由于III-V族化合物是直接带隙，少数载流子扩 散长度较短，且抗辐射性能好，更适合空间能源领域； 温度系数小：能在较高的温度下正常工作。
总结 3、 GaAs太阳电池的优缺点——缺点 资源稀缺，价格昂贵，约Si材料的10倍； 污染环境，砷化物有毒物质，对环境会造成污染；
这种晶体结构与金刚石型很相似，也是由两套面心立方格子沿体
对角线移动1/4长度套构而成，不过金刚石这两套格子的原子是相 同的，而闪锌矿型则一套是Ⅲ族原子，另一套是V族原子。
Ga分布于晶胞之角顶及所有 面的中心。 As位于晶胞所分成的八个小 立方体中的四个小立方体的 中心。
小结
1、GaAs属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。 2、GaAs材料的晶体结构属于闪锌矿型晶格结构。