單結(jié)GaAs-Ge、單晶硅太陽(yáng)能電池的激光輻照效應(yīng)研究.pdf

1、作為21世紀(jì)的新能源，太陽(yáng)能的發(fā)展是世界關(guān)注的重點(diǎn)。其中，高效能的半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的制作與應(yīng)用一直備受矚目。在激光加工太陽(yáng)能電池的技術(shù)領(lǐng)域，各國(guó)已發(fā)表了大量的文章，而關(guān)于激光輻照太陽(yáng)能電池的損傷效應(yīng)鮮有報(bào)道。針對(duì)半導(dǎo)體材料對(duì)不同波長(zhǎng)激光的吸收系數(shù)不同，與不同脈寬激光的作用機(jī)理不同的特點(diǎn)，本文采用532 nm、1064 nm兩種波長(zhǎng)，納秒、皮秒及連續(xù)激光對(duì)單結(jié)異質(zhì)結(jié) GaAs/Ge、單晶硅兩類太陽(yáng)能電池進(jìn)行輻照效應(yīng)研究，并對(duì)激光損傷前后的

2、樣品進(jìn)行材料表征分析，最后使用COMSOL熱傳導(dǎo)模塊計(jì)算半導(dǎo)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(jié)果。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1、研究了納秒、皮秒及連續(xù)的532 nm激光對(duì)GaAs/Ge電池的損傷機(jī)制。電池表面的抗反射膜層SiO2、TiO2對(duì)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(duì)于連續(xù)激光，熱累積效應(yīng)明顯，損傷歸結(jié)于熱熔以及沿電池?fù)p傷坑徑

3、向方向巨大溫差造成的熱應(yīng)力，后者導(dǎo)致電池碎裂。納秒、皮秒脈沖激光對(duì)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(xué)運(yùn)動(dòng)造成的力學(xué)損傷。熱效應(yīng)使材料熔化、氣化甚至發(fā)生電離，產(chǎn)生的高溫氣態(tài)物向外膨脹會(huì)對(duì)熔化材料產(chǎn)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(cè)試結(jié)果表明損傷區(qū)域材料為Ge，電池上下電極被Ge導(dǎo)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(duì)GaAs/Ge電池的損傷機(jī)制。

4、由于激子吸收、多光子吸收、自由載流子吸收等吸收機(jī)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)間10 ps，故電子吸收的熱量轉(zhuǎn)移給晶格并在晶格中沉積，材料升溫。實(shí)驗(yàn)中所使用的脈沖激光聚焦后的峰值功率密度可以達(dá)到GW/cm2以上，達(dá)

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(duì)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(xué)損傷。連續(xù)激光對(duì)GaAs的損傷是熱熔損傷及電池表面徑向溫差導(dǎo)致的熱應(yīng)力損傷。
　　3、研究了納秒、皮秒及連續(xù)的532 nm和1064 nm激光對(duì)單晶硅電池的損傷機(jī)制。當(dāng)激光聚焦在單晶硅電池柵線之間時(shí)，電池的輸出參數(shù)的變化幅度很小，當(dāng)激光聚焦在單晶硅電池柵線上時(shí)，電池的輸出性能參數(shù)變化幅度也不是很明顯，但是相對(duì)于激光聚焦在柵

6、線之間時(shí)，還是有下降趨勢(shì)的。由于532 nm和1064 nm均在硅材料的響應(yīng)波段內(nèi)，激光被電池表層的硅吸收，價(jià)帶電子吸收光子躍遷到導(dǎo)帶，價(jià)帶形成一個(gè)空穴，并與導(dǎo)帶電子形成一對(duì)電子-空穴對(duì)。光子剩余熱量傳遞給晶格，能量沉積，損傷開(kāi)始于電池表層。1064 nm波長(zhǎng)的激光對(duì)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(yīng)有關(guān)。
　　4、開(kāi)展了GaAs/Ge電池和單晶硅電池?fù)p傷機(jī)制的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)了GaAs/Ge電池單點(diǎn)失

7、效的新現(xiàn)象。研究結(jié)果表明，激光聚焦在 GaAs/Ge電池柵線上時(shí)，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(yáng)能電池則明顯不同。通過(guò)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(duì)材料表征分析，結(jié)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?fù)p傷區(qū)域主要成分為Ge，有一定摻雜濃度的Ge的導(dǎo)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，