單結GaAs-Ge、單晶硅太陽能電池的激光輻照效應研究.pdf

1、作為21世紀的新能源，太陽能的發(fā)展是世界關注的重點。其中，高效能的半導體太陽能電池的制作與應用一直備受矚目。在激光加工太陽能電池的技術領域，各國已發(fā)表了大量的文章，而關于激光輻照太陽能電池的損傷效應鮮有報道。針對半導體材料對不同波長激光的吸收系數(shù)不同，與不同脈寬激光的作用機理不同的特點，本文采用532 nm、1064 nm兩種波長，納秒、皮秒及連續(xù)激光對單結異質結 GaAs/Ge、單晶硅兩類太陽能電池進行輻照效應研究，并對激光損傷前后的

2、樣品進行材料表征分析，最后使用COMSOL熱傳導模塊計算半導體材料硅、鍺、砷化鎵在激光作用下的溫升曲線，得到一些新現(xiàn)象和新結果。主要研究內容如下：
　　1、研究了納秒、皮秒及連續(xù)的532 nm激光對GaAs/Ge電池的損傷機制。電池表面的抗反射膜層SiO2、TiO2對532 nm激光透明，電池最初損傷發(fā)生在GaAs表層，GaAs受熱分解，激光輻照區(qū)域的Ge基底受熱熔化。對于連續(xù)激光，熱累積效應明顯，損傷歸結于熱熔以及沿電池損傷坑徑

3、向方向巨大溫差造成的熱應力，后者導致電池碎裂。納秒、皮秒脈沖激光對電池的損傷分為熱熔損傷和由材料氣化蒸氣或等離子體力學運動造成的力學損傷。熱效應使材料熔化、氣化甚至發(fā)生電離，產生的高溫氣態(tài)物向外膨脹會對熔化材料產生壓力致使其向外噴射。X射線光電子能譜儀及激光拉曼光譜分析儀測試結果表明損傷區(qū)域材料為Ge，電池上下電極被Ge導通，電池短路不能正常工作。
　　2、研究了納秒、皮秒及連續(xù)的1064 nm激光對GaAs/Ge電池的損傷機制。

4、由于激子吸收、多光子吸收、自由載流子吸收等吸收機制的吸收系數(shù)比較小，本文統(tǒng)一忽略此方面的影響，GaAs層及電池表面的SiO2和TiO2層對1064 nm透明，1064 nm激光被Ge基底的上表層吸收，最初損傷發(fā)生在GaAs與Ge的交界面處。實驗使用的激光最短脈寬為25 ps，大于電子將熱量傳遞給晶格的時間10 ps，故電子吸收的熱量轉移給晶格并在晶格中沉積，材料升溫。實驗中所使用的脈沖激光聚焦后的峰值功率密度可以達到GW/cm2以上，達

5、到激發(fā)等離子體的閾值。故隨著激光能量密度的增加，激光對電池的損傷先是熱熔損傷，繼而演化成伴有等離子體膨脹的力學損傷。連續(xù)激光對GaAs的損傷是熱熔損傷及電池表面徑向溫差導致的熱應力損傷。
　　3、研究了納秒、皮秒及連續(xù)的532 nm和1064 nm激光對單晶硅電池的損傷機制。當激光聚焦在單晶硅電池柵線之間時，電池的輸出參數(shù)的變化幅度很小，當激光聚焦在單晶硅電池柵線上時，電池的輸出性能參數(shù)變化幅度也不是很明顯，但是相對于激光聚焦在柵

6、線之間時，還是有下降趨勢的。由于532 nm和1064 nm均在硅材料的響應波段內，激光被電池表層的硅吸收，價帶電子吸收光子躍遷到導帶，價帶形成一個空穴，并與導帶電子形成一對電子-空穴對。光子剩余熱量傳遞給晶格，能量沉積，損傷開始于電池表層。1064 nm波長的激光對單晶硅電池的初始損傷閾值要比532 nm略高，這和材料的光譜響應有關。
　　4、開展了GaAs/Ge電池和單晶硅電池損傷機制的對比研究，發(fā)現(xiàn)了GaAs/Ge電池單點失

7、效的新現(xiàn)象。研究結果表明，激光聚焦在 GaAs/Ge電池柵線上時，電池輸出性能參數(shù)大幅度下降，電池不能正常工作，單晶硅太陽能電池則明顯不同。通過掃描電子顯微鏡(SEM)，X射線光電子能譜儀(XPS)，激光拉曼光譜分析儀等對材料表征分析，結果表明，單晶硅電池在激光輻照后仍是硅或少量硅的氧化物，而GaAs/Ge電池損傷區(qū)域主要成分為Ge，有一定摻雜濃度的Ge的導電性大大提高。這解釋了為什么單晶硅電池不易損壞，而 GaAs/Ge電池極易損壞，