GaAs基大失配外延GaSb薄膜热光伏电池的制备方法及相关基础研究

GaSb/GaAs热光伏电池具有不依赖太阳光的特点，不受昼夜、季节和天气的影响提供稳定的电源，在军事和工业发电系统中有广泛的应用。以前大多采用机械叠层的方式制作GaSb/GaAs太阳电池，电池成本高、重量比功率差。采用异质外延方法，可减轻电池重量，降低成本，也可制作多结高效太阳电池，但是大晶格失配造成的高密度位错降低了电池的开路电压、短路电流和填充因子。本项目采用GaAs基GaSb分子束外延技术，通过控制生长模式，GaSb以90 界面失配位错量子点的形式生长，穿通位错方向与生长方向垂直，位错被限制在生长界面附近区域，外延层内位错密度大大降低，得到具有较高晶体质量和良好光电特性的GaSb薄膜；通过建立理论模型，研究界面缺陷对载流子的输运与复合的影响机理；研究异质外延界面缺陷的微观结构、p-n结的参数对光电转换效率的影响；探索大失配异质外延Sb化物热光伏电池的电极、钝化及减反射膜等工艺。

我们研究了GaAs基大失配外延GaSb薄膜材料的MBE生长。采用优化的生长温度与III－V束流比等关键生长参数，在0.25μm/h生长速率条件下，获得了表面粗糙度RMS仅为0.1nm(2μm×2μm) 的外延样品。研究了快速热退火对改善GaSb外延层质量的作用：发现在650ºC进行30s退火后样品的低温PL谱强度最高。采用在GaAs衬底上生长AlSb层形成90°失配位错方法，可以使沿生长方向的位错限制在生长面内，大幅度降低了生长方向的穿通位错密度。采用了GaSb/AlSb超晶格结构阻挡了位错进入GaSb外延层，外延层GaSb结晶质量明显改善，PL谱强度也随超晶格周期的增加而增强。研究了器件的湿法腐蚀关键技术，发现酒石酸体系的腐蚀效果最好。通过测试器件I-V特性，证明了腐蚀、电极等制备工艺的可靠性。创新性的开展了不同吸收波长InAs/GaSb超晶格的制备技术研究，成功制备吸收波长分别为2.1μm、2.7μm、4.6μm的超晶格材料。制备了InAs/GaSb超晶格短、中波pin光电二极管，采用化学硫化和ZnS钝化方法可以明显降低中波光电二极管的反偏漏电流。本项目的研究为新型GaSb/GaAs热光伏电池的研究提供了借鉴，也对深入了解GaSb薄膜的光电特性具有重要科学意义。