砷化镓太阳电池铝锗银下电极可行性分析_王鑫.pdf
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1、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
2、: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 advance
3、ment 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
4、 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
5、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
6、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
7、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
8、)、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
9、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
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