砷化镓太阳电池铝锗银下电极可行性分析_王鑫.pdf

2023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计收稿日期：2022-08-26作者简介：王鑫(1988)，女，天津市人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为太阳电池。砷化镓太阳电池铝锗银下电极可行性分析王鑫，李晓东，杜永超，肖志斌(天津恒电空间电源有限公司，天津 300384)摘要：随着航天商业化进程的推进，砷化镓太阳电池降低成本的需求已经迫在眉睫。针对这一需求，设计并制备了砷化镓太阳电池铝锗银下电极，并对采用铝锗银下电极的砷化镓太阳电池开展了空间环境考核实验，结果表明该砷化镓太阳电池电极牢固度满足国军标相关规范要求。因此，认为铝锗银下电极体系具有在空间用砷化镓太阳电池上应用的潜力。关键词：铝锗银电极；电极牢固度；电性能中图分类号：TM 914.4文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)03-0385-03DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.03.026Feasibility analysis of Al-Ge-Ag back electrode for GaAs solar cellsWANG Xin,LI Xiaodong,DU Yongchao,XIAO Zhibin(Tianjin Hengdian Space Power Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China)Abstract:The advancement of aerospace commercialization has led to the need to reduce the cost of GaAssolar cells.In response to this demand,the Al-Ge-Ag back electrode of GaAs solar cells were designed andprepared,and their performance in space environment application was evaluated.The result show that thesamples meet the national military standards.Therefore,it is believed that the Al-Ge-Ag back electrode systemhas the potential to be used in GaAs space solar cells.Key words:Al-Ge-Ag electrode;electrode firmness;electrical performance铝是一种常用的太阳电池电极材料，由于其导电性良好、价格低廉而被广泛用于半导体器件的制备中，空间用硅太阳电池更是采用铝多层电极作为下电极起到背反射和电流导出的作用1。在现有三结砷化镓太阳电池空间产品中，采用金-锗-银电极体系，经过多年在轨飞行经验，该电极体系能够满足现有空间型号使用要求。随着商业化航天进程的推进，三结砷化镓太阳电池的低成本化已经迫在眉睫，金属铝在地壳中含量丰富，其价格也远低于金，因此铝金属是电极低成本化的一个重要潜在替代材料。本文重点考察了铝锗银电极体系在三结砷化镓太阳电池下电极应用可行性。1 电极设计和制备三结砷化镓太阳电池结构如图 1所示，与电池下电极接触的部分为 p-锗衬底，从文献2可知，铝与 p-锗界面易于形成欧姆接触，导电性能容易满足太阳电池要求。在进行含铝电极设计时考虑到以下两点：金属铝化学性质活泼，在空气中极易产生表面薄层氧化物进而影响电极的导电能力和可焊性；金属铝容易和酸、碱溶液反应，在后续工艺腐蚀CAP层过程中容易和酸液发生反应造成电极被腐蚀。因此，需要在铝外侧制备其他金属层，防止内层金属铝氧化并且易于焊接互联，结合现有的工艺选用金属银作为最外层金属。因此，需要在铝金属外侧制备耐酸液腐蚀的金属阻挡层，防止内层金属铝氧化。考虑到后续焊接组合的便捷性，采用金属银作为最外层金属。现有金锗银电极体系的设计中，经烧结后，金-锗合金化可以提高电极牢固度，其中金-锗合金相图见图2(a)。经过考察，铝-锗合金化温度(420)与金锗合金化温度(361)较为接近，铝-锗合金相图见图2(b)。金和铝都能与锗在低于液相产生的温度(即金锗 361、铝锗 420)下形成固溶物，在略低于合金化温度情况进行热处理时，也能够和锗发生强烈的互扩散而形成合金层，因此，采用铝锗银电极体系。根据硅电池和现有砷化镓电池的电极设计，考虑真空蒸镀设备加工能力和工艺可行性，采用真空蒸镀法制备出下电图1三结砷化镓太阳电池结构3852023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计极厚度分别为铝(200 nm)、锗(300 nm)、银(6 m)的三结砷化镓太阳电池样品。在清洁的外延片表面真空蒸镀铝锗银金属层，待温度冷却至 80 以下后充气，取出样品。根据铝-锗相图，二者在420 以上会产生液相，因此在 300380 内取 3 个点300(样品a)、340(样品b)和380(样品c)分别进行热处理。采用同批次外延片采用现有工艺制备金锗银下电极太阳电池样品(样品d)作为对比。后续划切成型后，按照常规砷化镓电池工艺进行腐蚀CAP层和蒸镀减反射膜工艺。腐蚀CAP层后，目视电池下电极银亮，未发现异常。但经蒸镀减反射膜后发现样品b的下电极表面发生气泡状凸起，如图 3 所示，因此在后续实验中分别采用300和380 烧结过的样品进行后续实验。2 实验验证根据GJB7392-2011 空间用三结砷化镓太阳电池通用规范 的实验项目的要求，选取温度冲击、稳态湿热两项可靠性实验考核电极牢固度；通过在相同条件下和对比电池(样品d)进行电性能的测试和对比考核电极对电性能的影响。由于温度冲击、稳态湿热为破坏性实验，因此做完上述任何实验的样品不再进行其他实验项目。(1)温度冲击实验焊上拉力实验片后，在室温、常压下放入导热容器中，然 后 把 带 有 电 池 的 容 器 迅速 放 到 液 氮 表 面，电 池 达 到180 后取出，直接放入100 的烘箱中，电池达到100 后至少停留2 min，然后移至室温 5 min，即完成一个循环，共做 6 个循环。温度冲击后，测量焊点的抗拉强度，标准要求不低于327 MPa。测试结果如表1所示。将样品a和样品c分别经过上述6个温度循环实验后进行焊点抗拉强度测试，结果在 380 热处理的样品 c测试后焊点抗拉强度满足要求，而 300 热处理的样品a焊点抗拉强度普遍较低，甚至达不到标准要求，不能用于空间应用。在显微镜下观察测试拉力后，部分300 热处理后的样品拉断处电极银材料被拉掉，证明经温度冲击实验后该工艺下的电极材料间的结合力较差，不能满足空间产品对电极可靠性的要求。(2)稳态湿热实验电池在常压、室温下放入一个容器，把容器的温度调到(602)，相对湿度不小于 90%，并保持 96 h。取出后选用与清洁钢表面之间剥离强度不小于 3.4 N/cm 的胶带进行胶带剥离实验，标准要求下电极被剥去的部分不应大于下电极总面积的10%。经过实验后，采用满足要求的胶带对湿热实验后的样品进行胶带剥离，结果如表 2所示。样品 a经湿热环境储存后经胶带剥离5片电池具有不同程度的电极脱落现象，最严重的样品电极完全脱落，较轻微的电极脱落部分占比也超过全面积的 70%，不满足指标要求。样品 c经湿热环境储存后经胶带剥离电极牢固，满足指标要求。综合上述两种实验结果，采用铝锗银电极的电池在380 下进行热处理后，电极经稳态湿热和温度冲击实验后牢固度满足空间使用要求，具有空间应用的潜力；而 300 热处理后上述两种实验均未能通过，电极牢固度不合格，不图2(a)金-锗相图和(b)铝-锗相图3图3340 烧结的电池表 1 高温冲击后焊点抗拉强度实验 组别 电极 烧结温度/测试值/MPa 要求值/MPa 判定 样品 a 300 386 153 335 不合格 样品 c 铝锗银 下电极 380 610 663 567 不低于 327 合格 表 2 稳态湿热后电极胶带剥离实验 组别 电极 烧结 温度/稳态 湿热条件 胶带剥离 结果 标准 要求 判定 样品 a 300 5 片电池均 电极脱落，每片电池脱落 部分比例 大于 70%不合格 样品 c 铝锗银下电极 380 60 相对 湿度 92%电池电极 均未脱落 被剥去的 部分不大于 下电极 总面积 的 10%合格 3862023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计能满足空间产品对电极可靠性要求。(3)电性能将样品c和样品d进行电性能对比测试，在相同的测试条件下，对同尺寸的上述两种太阳电池在25，AM0光谱下进行测试，测试结果如表 3 所示。380 热处理后的铝锗银下电极太阳电池光电转换效率和填充因子较现有工艺生产的产品略低。3 分析与讨论从实验结果可以看出，不同烧结温度下制备的样品其电极牢固度明显不同。结合图2中的铝-锗相图可以看出，在大约240 以上，铝锗就可以形成固溶物，并且随着温度升高固溶物中锗的比例也逐渐升高。对不同温度下烧结样品进行表面和截面的 SEM 测试，结果如图 4所示，可以发现随着热处理温度的升高，晶界处物质的析出越发明显。结合图 4可以看出，晶界处的浅色物质为内层铝锗合金。为探究图 3电极凸起的原因设计了如下实验：未经腐蚀 CAP 层工艺，直接蒸镀减反射膜，制备出电池样品e。经观察，样品 e 表面平整光亮，没有发生电极凸起的现象，由此推测电极发生凸起与腐蚀过程有关。由图4可知，电极凸起是由于腐蚀 CAP层的过程中酸性反应液和晶界处的固溶物发生反应而浸入金属层内部造成的。成分中的铝易和酸液反应，因此铝渗出越严重这种现象越明显。由图2(b)所示铝锗相图可知，随着烧结温度的提高，固溶物中锗含量逐渐升高，铝占比逐渐减少，因此样品 b 和 c 相比，较高温度下烧结的样品在腐蚀CAP层的工艺时间内未发生明显酸液浸入，未发现明显电极凸起。与上述两种样品相比，样品a在300 热处理的过程中，由于样品在低温下互扩散不显著，因而晶界处内层金属析出不显著，不会发生电极凸起，但是因此金属间结合力较差，电极牢固度不能满足空间使用要求。虽然在 380 下进行烧结的样品 c 电极牢固度满足要求，但是其电性能较同批次的金锗银体系样品d比仍然偏低。图5为太阳电池等效电路。由图5得到电池的电流方程：I=-Iph+I0 exp(V-IRs)nVth-1+V-IRsRsh(1)dVdI=Rs+nVthRshnVth+(Iph+I0)Rsh+(Rsh+Rs)I-V(2)式中：I为偏置下器件电流；Iph为光生电流；I0为二极管反向饱和电流；V 为外偏置电压；Rs为串联电阻；n 为二极管理想因子；Vth为热电压常数；Rsh为并联电阻。基于太阳电池光生电流远大于反向饱和电流、并联电阻远大于串联电阻以及光生电流近似等于负的短路电流3个边界条件，以及本实验电池在开路和短路状态附近 I-V 曲线接近线性，根据文献4，可以近似得到：limV 0dVdI Rsh(3)limI 0dVdI Rs(4)从电池测试数据中分析，因为样品 c、d是采用同批次的外延片经成熟工艺制备出的样品，因此可以用电池测试参数表征电池串、并联电阻近似值：Rs样品c(Voc-Vm)/Im样品c=1.52(5)Rs样品d(Voc-Vm)/Im样品d=1.27(6)Rsh样品cVm/(Isc-Im)样品c=774.35(7)Rsh样品dVm/(Isc-Im)样品d=611.11(8)可见样品c的串联电阻比样品d更大，并联电阻几乎不变。说明铝锗银电极的串联电阻高于金锗银电极，这有可能与更高的合金化温度、电极本身特性相关；并联电阻几乎不变，证明电池的外延层没有受到明显影响。铝锗银电极的电池样品电性能基本满足商业航天的使用要求，具有应用潜力。4 结论综上所述，结合温度冲击、稳态湿热实验和电性能测试结果，铝锗银作为三结砷化镓太阳电池下电极，基本满足商业航天的使用要求，具有应用潜力。参考文献：1姚剑，蔡万华，席珍强，等.单晶硅太阳电池铝背场的快速热处理制备J.太阳能学报，2009，30(6)：784-787.2PITALE S,GHOSH M,SINGH S G,et al.Characteristics of Al/Ge schottky and ohmic contacts at low temperaturesJ.MaterialsScience in Semiconductor Processing,2021,130:1-10.3AUSTIN R J,NEFF D V,ANDERSON T,et al.ASM HandbookVolume3 Alloy Phase DiamgramsM.United States of America:The Materials Information Company,1992:298-381.4肖文波，刘萌萌，胡方雨，等.一种高精度解析提取太阳电池参数的新方法J.光电子 激 光，2013，24(10)：1889-1894.表 3 铝锗银体系的电池性能 电池类型 Isc/A Voc/V ff/%Im/A Vm/V FF/%样品 c 0.206 4 2.709 2 29.44 0.203 3 2.400 5 87.27 样品 d 0.205 7 2.714 0 29.91 0.201 7 2.457 4 88.77 图4铝锗银电极表面形貌图5太阳电池等效电路387