Si衬底上InGaP/GaAs/Ge和InGaP/GaAs/SiSnGe/Ge多结太阳能电池材料生长与器件制备研究

化合物半导体多结太阳能电池因其高转换效率、高可靠性等特点，有着广阔的应用前景，是目前光伏领域的研究热点。然而，传统三结太阳能电池InGaP/GaAs/Ge还存在成本高昂、转换效率可进一步提高等问题。本课题拟采用基于特殊表面活性剂（GeH3）2CH2的气源分子束外延生长技术，显著降低表面自由能，有效促进Ge的二维生长，获得高质量且较厚的大偏角Si衬底Ge薄膜。并在其上制备Si衬底InGaP/GaAs/Ge三结太阳能电池，从而达到降低成本的目的。为了进一步通过子电池数目的增加提高多结太阳能电池的转换效率，采用基于超高活性SnD4的高真空化学气相沉积方法，以Si衬底Ge外延薄膜为基底，在热力学非平衡态下生长与Ge晶格匹配、带隙宽度约为1.0eV的SiSnGe子电池材料，并将其插入GaAs和Ge子电池之间，从而制备出高性能Si衬底InGaP/GaAs/SiSnGe/Ge四结太阳能电池。

本项目为解决传统Ge衬底InGaP/GaAs/Ge化合物半导体多结太阳能电池存在的价格昂贵，效率可进一步提升的问题，在材料生长技术和器件结构设计上提出了以下两种可能解决方法：(1) 在降低成本方面， 采用Si衬底Ge薄膜取代Ge衬底。（2） 在提升转换效率方面，可通过在InGaP/GaAs/Ge三结电池结构的GaAs子电池和Ge子电池中插入一个带隙在1.0eV左右，同时和Ge晶格匹配的子电池，形成四结级联结构来获得。对于前者，本项目利用MBE系统在Si衬底上制备了较高质量的Ge薄膜，其（004）半高宽为180弧秒，表面平整度RMS为0.6nm，为Si衬底Ge薄膜上的多结太阳能电池的研发提供了较好的基础。对于后者，本项目进行了：（1）在Ge基底上生长制备了晶格常数与Ge较为匹配的、带隙约为1.0eV的SiGeSn材料；（2）在Ge/GaAs上制备了带隙约为1.0eV的高密度InAs量子点。另外，本项目还重点研究了Ge基底上GaAs极性材料的生长，结果表面通过采用AlGaAs插入层可以有效改善GaAs材料的表面形貌和晶体质量，并且可以大幅抑制GaAs和Ge之间的互扩散。在上述基础上，最后进行了Si衬底Ge薄膜上多结太阳能电池的生长。