单结GaAs/Ge、单晶硅太阳能电池的激光辐照效应研究

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作为21世纪的新能源，太阳能的发展是世界关注的重点。其中，高效能的半导体太阳能电池的制作与应用一直备受瞩目。在激光加工太阳能电池的技术领域，各国已发表了大量的文章，而关于激光辐照太阳能电池的损伤效应鲜有报道。针对半导体材料对不同波长激光的吸收系数不同，与不同脉宽激光的作用机理不同的特点，本文采用532 nm、1064 nm两种波长，纳秒、皮秒及连续激光对单结异质结 GaAs/Ge、单晶硅两类太阳能电池进行辐照效应研究，并对激光损伤前后的样品进行材料表征分析，最后使用COMSOL热传导模块计算半导体材料硅、锗、砷化镓在激光作用下的温升曲线，得到一些新现象和新结果。主要研究内容如下：
　　1、研究了纳秒、皮秒及连续的532 nm激光对GaAs/Ge电池的损伤机制。电池表面的抗反射膜层SiO2、TiO2对532 nm激光透明，电池最初损伤发生在GaAs表层，GaAs受热分解，激光辐照区域的Ge基底受热熔化。对于连续激光，热累积效应明显，损伤归结于热熔以及沿电池损伤坑径向方向巨大温差造成的热应力，后者导致电池碎裂。纳秒、皮秒脉冲激光对电池的损伤分为热熔损伤和由材料气化蒸气或等离子体力学运动造成的力学损伤。热效应使材料熔化、气化甚至发生电离，产生的高温气态物向外膨胀会对熔化材料产生压力致使其向外喷射。X射线光电子能谱仪及激光拉曼光谱分析仪测试结果表明损伤区域材料为Ge，电池上下电极被Ge导通，电池短路不能正常工作。
　　2、研究了纳秒、皮秒及连续的1064 nm激光对GaAs/Ge电池的损伤机制。由于激子吸收、多光子吸收、自由载流子吸收等吸收机制的吸收系数比较小，本文统一忽略此方面的影响，GaAs层及电池表面的SiO2和TiO2层对1064 nm透明，1064 nm激光被Ge基底的上表层吸收，最初损伤发生在GaAs与Ge的交界面处。实验使用的激光最短脉宽为25 ps，大于电子将热量传递给晶格的时间10 ps，故电子吸收的热量转移给晶格并在晶格中沉积，材料升温。实验中所使用的脉冲激光聚焦后的峰值功率密度可以达到GW/cm2以上，达到激发等离子体的阈值。故随着激光能量密度的增加，激光对电池的损伤先是热熔损伤，继而演化成伴有等离子体膨胀的力学损伤。连续激光对GaAs的损伤是热熔损伤及电池表面径向温差导致的热应力损伤。
　　3、研究了纳秒、皮秒及连续的532 nm和1064 nm激光对单晶硅电池的损伤机制。当激光聚焦在单晶硅电池栅线之间时，电池的输出参数的变化幅度很小，当激光聚焦在单晶硅电池栅线上时，电池的输出性能参数变化幅度也不是很明显，但是相对于激光聚焦在栅线之间时，还是有下降趋势的。由于532 nm和1064 nm均在硅材料的响应波段内，激光被电池表层的硅吸收，价带电子吸收光子跃迁到导带，价带形成一个空穴，并与导带电子形成一对电子-空穴对。光子剩余热量传递给晶格，能量沉积，损伤开始于电池表层。1064 nm波长的激光对单晶硅电池的初始损伤阈值要比532 nm略高，这和材料的光谱响应有关。
　　4、开展了GaAs/Ge电池和单晶硅电池损伤机制的对比研究，发现了GaAs/Ge电池单点失效的新现象。研究结果表明，激光聚焦在 GaAs/Ge电池栅线上时，电池输出性能参数大幅度下降，电池不能正常工作，单晶硅太阳能电池则明显不同。通过扫描电子显微镜(SEM)，X射线光电子能谱仪(XPS)，激光拉曼光谱分析仪等对材料表征分析，结果表明，单晶硅电池在激光辐照后仍是硅或少量硅的氧化物，而GaAs/Ge电池损伤区域主要成分为Ge，有一定掺杂浓度的Ge的导电性大大提高。这解释了为什么单晶硅电池不易损坏，而 GaAs/Ge电池极易损坏，实验与材料分析结果相符。

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作者
朱荣臻;
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作者单位

国防科学技术大学;

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授予单位国防科学技术大学;
学科光学工程
授予学位硕士
导师姓名王睿,许中杰;
年度 2014
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类激光的应用;
关键词
太阳能电池; 激光辐照效应; 激光损伤; 材料表征; 镓半导体材料;

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