空间GaAs太阳能电池用Ge单晶的位错形态及硬度研究

【摘要】：GaAs太阳能电池因其光电转换率高,抗空间辐射性能好,温度特性好,寿命长等优点而越来越多的被各国运用到空间供电电源中。低位错Ge单晶作为单结GaAs/Ge太阳能电池和GaAs/Ge基多结太阳能电池的关键组成材料,其质量的高低直接关系到空间太阳能电池性能的好坏。随着近年来GaAs太阳能电池在空间航天器上的广泛应用,以及近来人们对其在民用上探索研究的不断增加,为进一步提高太阳能电池的转化效率,对衬底Ge片的质量提出更高要求。本论文通过对直拉法(CZ)生长的低位错Ge单晶中的位错形态及相关机械特性进行了详细研究,最终得到了4尺寸低位错Ge单晶,满足了空间高效GaAs太阳能电池对衬底Ge片的要求。 具体内容包括以下几个方面： 1.通过改善热场条件和改进拉晶工艺参数,采用CZ法成功生长出4英寸低位错(位错密度(EPD)3000/cm2) Ge单晶,满足了空间高效GaAs太阳能电池对衬底Ge片的要求； 2.Ge单晶中易出现三种位错形态,分别为位错排、小角晶界、花形结构。通过Raman、SEM、XREDS等测试方法分析发现夹杂是产生花形结构的主要原因,碳夹杂来源于炉体系统,单晶中少量的氧来源于未完全还原的氧化锗或生长气氛中混入的水蒸气。采取有效措施严格控制炉体系统环境,避免碳对单晶的污染,可以有效消除单晶中出现的花形结构位错形态,降低Ge单晶的位错密度,提高单晶的质量； 3.对多炉实验制备出的Ge单晶的纵向位错分布进行统计分析得出,在放肩初始位置(φ8mm)出现的位错大量增殖现象,是由于单晶生长结束后重力因素所致,但是这种位错在单晶整个生长过程中不会发生延伸； 4.首次采用维氏显微硬度法对Ge超薄抛光片进行测试,测试结果表明硬度是存在各向异性的,在相同载荷下, (111)面的硬度要高于(100)面的硬度；相同工艺条件下拉制的低位错Ge单晶(EPD3000/cm2)的硬度要高于相同规格红外Ge单晶(EPD10000/cm2)的硬度。 【关键词】：GaAs太阳能电池 Ge单晶 CZ法 位错 硬度
【学位授予单位】：北京有色金属研究总院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：O782
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1. 引言10-25
• 1.1 课题背景10-11
• 1.2 Ge的性质11-13
• 1.2.1 Ge的物理性质11
• 1.2.2 Ge的电学性质11-12
• 1.2.3 Ge的机械性质12
• 1.2.4 Ge的光学性质12-13
• 1.3 Ge单晶的应用13-15
• 1.4 Ge单晶的生长方法简介15-20
• 1.4.1 CZ法15-17
• 1.4.2 VGF法17-20
• 1.5 国内外Ge的研究现状20-23
• 1.5.1 国外Ge的研究现状20-21
• 1.5.2 国内Ge的研究现状21-23
• 1.6 论文的研究内容和研究意义23-25
• 1.6.1 论文的研究内容23
• 1.6.2 论文的研究意义23-25
• 2. 低位错Ge单晶的制备25-35
• 2.1 实验设备及工艺参数介绍25-26
• 2.2 Ge单晶的制备工艺26-28
• 2.2.1 装炉26
• 2.2.2 引晶26-27
• 2.2.3 缩颈27
• 2.2.4 放肩27
• 2.2.5 等径27
• 2.2.6 收尾27-28
• 2.3 降低位错密度的工艺方法28-34
• 2.3.1 设计合理的热场28-31
• 2.3.2 缩颈工艺排除籽晶中位错的延伸31-32
• 2.3.3 控制合适的固液界面形状32-34
• 2.4 小结34-35
• 3. Ge单晶中位错形态的研究35-51
• 3.1 单晶中存在的缺陷类型35-37
• 3.1.1 空位团35
• 3.1.2 位错35-36
• 3.1.3 夹杂36
• 3.1.4 空洞36
• 3.1.5 杂质析出36-37
• 3.1.6 孪晶37
• 3.1.7 PN结37
• 3.2 低位错Ge单晶生长中常见位错形态37-40
• 3.3 花形结构位错形态的研究40-47
• 3.3.1 实验40-41
• 3.3.2 分析与讨论41-47
• 3.4 Ge单晶纵向位错分布研究47-50
• 3.4.1 单晶头部位错分布47
• 3.4.2 单晶尾部位错分布47-48
• 3.4.3 单晶重量对位错产生的影响48-50
• 3.5 小结50-51
• 4. Ge单晶硬度特性的研究51-62
• 4.1 维氏硬度测试方法51-52
• 4.2 实验52-53
• 4.3 结果及讨论53-61
• 4.3.1 晶向对硬度特性的影响57-59
• 4.3.2 位错对硬度特性的影响59-61
• 4.4 小结61-62
• 结论62-63
• 参考文献63-67
• 在学研究成果67-68
• 致谢68

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