太阳能聚光CPV技术向“硅上”平台转化

过去几年，将CPV技术从空间应用向地面应用的驱动力非常强烈。事实上，全球许多部门的政府和机关已经制定出加速发展计划。与此同时，有许多公司致力于CPV太阳能的地面应用。Solar Systems是澳大利亚的公司，已经开发了碟技术（图1），它采用密集的高效、高性能三结CPV太阳能电池阵列，与空间所用的类似。在这种碟系统中，接收器组件（它安装在收集阳光的椭圆焦点）包含2000个以上的CPV太阳能电池。可惜的是，这些太阳能电池的固有成本使系统非常昂贵，因此，蝶形系统的LCOE（均化发电成本）值比保证值高。如果有办法降低CPV电池成本，同时保持电池器件的效率不变，蝶形系统在太阳能地面市场中的应用就更有竞争力。

目前，典型CPV太阳能电池的最佳效率性能为43.5%，预计到2020年能达到50%。另外，从图2可见，点聚焦聚光太阳能电池的成本结构在规模生产时将在10美元/cm2范围内。若此数值在规模生产时能降到～1美元/cm2，同时效率不变，那就会对系统成本和LCOE这样的计量产生显著影响。III-V族优秀性能与低成本Si经济性的优势组合在图2中用圆圈圈出，图中的标记示出了Si技术上的III-V族多结电池在价格/产生功率之比下降的区域。
谈及成本问题的一个途径是工程采用的衬底。现在，所有的CPV太阳能电池都采用锗(Ge)衬底。当产业努力向150mm Ge衬底技术转移时，设计基于150mm和200mm硅片上的虚拟Ge衬底的趋向不断增长。Ge的机械性质(如，重量较大、脆性高和热导率低)使Ge衬底从工程的角度看不太受欢迎。在标准的制造工厂中150mm或以上的Ge片难以处理，而在全球常见的制造工厂已有的庞大基础设施中，200mm硅片非常适合大规模加工。

设计合适的虚拟衬底需要很好地控制硅、锗、锡（Sn）。三元合金的虚拟衬底将使高性能多结能在大硅片上生长。图3显示了增加三元合金中Sn含量的作用。Sn含量百分比低时，重点将在界面工程设计上，第三或较低的Ge结能建立在硅片上。Sn含量百分比增加时，三元合金的作用更趋向于增加吸收系数的光学工程设计上。最后，三元合金中Sn含量百分比为5-10%时，能在工程上实现1eV子电池结的设计。

Sn的使用在多结电池设计中提供了自由度，如图4所示，图中给出了正常晶格常数与常见化合物半导体材料的带隙的关系。通过在0.565nm处对齐的垂直黑虚线，图中也显示了传统Ge衬底及相关的固定三结设计路径。该线右侧的垂直红虚线描述了一个解决方案，即从采用基于硅平台的虚拟三元合金衬底用于晶格匹配的四结（用星号示出）CPV太阳能电池。

大家知道，在硅上直接集成III-V半导体会产生质量对PV器件不合适的材料。我们在硅上大规模集成多结太阳能电池的方法，是基于制作在Si（100）上生长设计的虚拟Ge模板，接着III-V MOCVD。结果，这种Ge/Si模板可以是有效光伏器件的一部分。理论估算预计，相对于体Ge衬底，厚度为5微米Ge层吸收GaAs过滤光的～85%。这一估算指出，在硅上用外延Ge的三结太阳能电池的性能不会受阻。

在我们的设计中，Ge层用UHV-CVD工艺淀积，其中的乙锗烷和锡烷气体前驱物使我们能实行低温生长。在反应中加入少量锡烷导致置换Sn进入单晶Ge晶格矩阵，水平低于1x1019cm-3。即使在这些低水平Sn情况下，生长质量也足以局部减少失配应变，促进硅与锗之间大晶格失配（4%）的缓和，通过在Si/Ge界面处形成周期性Lomer刃型位错。最后的Ge层为几微米厚（见图5），极佳的结晶平滑性（见图6），并显示出原子级平坦表面。由于应变在界面缓解，Ge薄膜弛豫，进入Ge的穿透位错的形成被抑制到1x105cm-2的水平。之所以要求这种水平的材料质量，不仅是为了获得高效率太阳能转换需要的长载流子平均自由程，而且是为了与III-V MOCVD生长的严格规范一致。

本文展示了这种低温CVD方法对100和150mm硅片格式的可扩展性。为此，我们设计了多硅片反应器，它能一次加工一批25硅片。结果显示Ge薄膜质量及厚度均匀性非常好(超过90%)，不仅一片硅片上如此，而且整批的片对片亦如此。在150mm硅片上这种Ge生长方法的成功展示说明，有可能将这一技术扩展到更大尺寸的硅片。Ge-Sn合金中Sn含量增加到0.5%以上可使晶格常数大于Ge的材料用于工程设计，得到匹配更好的III-V族多结光伏堆叠。同时也降低了带隙(相对于Ge而言)，增加了合金的吸收系数，这提高了底部光伏结的性能。硅与Ge-Sn系的附加合金的形成能增加材料的带隙，这样达到了所要求的1.0eV范围，同时晶格匹配Ge。

图7说明了具有替代附加的Sn的Ge晶格常数的扩大，图中，我们画出二次2θ/θ X-射线衍射扫描重叠，这二次扫描是从纯Ge薄膜（蓝轨迹）和Ge0.99Sn0.01薄膜（红轨迹）得到的，它们的厚度一样，为0.5μm，淀积在错切角6°的Si(100)上。Ge-Sn(004)衍射峰明显移到较低的角度（相对于与纯Ge），对应更大的合金晶格间距（5.665?)。此004反射omega摆动曲线扫描的FWMH小于0.2度，表明材料的结晶质量很好。图8示出了Ge0.99Sn0.01层表面的AMF扫描，说明表面平坦，粗糙度低(rms 1.3nm)，适合进一步薄膜层生长和器件加工。扫描中没有岛状物也表明在薄膜表面没有Sn离析。