单片集成砷化镓-碲化铋晶片直接键合基础研究

Solar cells can utilize the visible spectrum of solar energy effectively, and thermoelectric conversion devices can fully absorb the infrared part, direct wafer bonding technology is one critical pathway to expand the solar spectral response range and thus improve energy conversion efficiency, which physical cascade III-V high efficient solar cells and Bi2Te3 thermoelectric conversion material. The main application of the existing wafer bonding technology in the field of energy acquisition is based on direct bonding of the semiconductor, which has successfully realized 4J and 5J solar cell that created current photovoltaic device records. This project uses wafer direct bonding technology to directly cascade GaAs solar cell wafer and Bi2Te3 thermoelectric wafer to develop a new type of integrated energy acquisition device. This project will explore the direct bonding mechanism of GaAs-Bi2Te3 and the kinetic factors of heterogeneous interfacial reaction, then further develop the interface optimization technology of low resistivity and high thermal conductivity heterogeneous materials, make a thorough inquiry of GaAs-Bi2Te3 heterogeneous bonding mode and interface reaction mechanism to improve the long-term stability of bonding devices, and lay a solid foundation of the practical application of photovoltaic-thermoelectric integrated device.

太阳电池能有效利用可见光波段太阳光能量，热电转换器件可充分吸收红外波段太阳能量，利用晶片直接键合技术将III-V族高效太阳电池与碲化铋热电转换材料进行物理级联是拓展太阳光谱响应范围、提升能量转换效率的重要途径之一。现有晶片键合技术在能量获取领域的主要应用是基于半导体直接键合，已成功实现四结、五结太阳电池的制备，转换效率创造了当前光电转换器件的纪录。本项目使用晶片直接键合技术将用于光电转换的砷化镓晶片与用于热电转换的碲化铋材料直接键合，研制新型光热电一体化能量获取器件。本项目将探究砷化镓-碲化铋晶片直接键合的机理及异质界面反应的动力学因素，并进一步开展低电阻率、高热导率异质材料键合界面优化技术研究，获得系统的砷化镓-碲化铋异质键合模式及界面反应机理，提高键合器件的长期稳定性，为光电-热电一体化器件性能的提升和实际应用奠定坚实的基础。

在太阳辐射光谱中，大约45％在近红外光谱区（波长0.76~3μm），约45％的太阳辐射能量在可见光谱区（波长0.4～0.76μm），而当前太阳电池主要工作在可见光谱区附近（波长0.3～1.7μm），太阳光谱能量利用率还有很大提升空间。由于在太阳电池发电过程中，电池只能吸收能量大于半导体材料禁带宽度的光子，光照产生的过剩载流子以及低能量光子会与晶格作用转化成热量，以热辐射的形式散发掉，导致能量的浪费；采用热电转化器件实现富足部分能量重复利用，一方面可以将更多太阳光能量转换为电能，同时将多余的热能消耗掉，可以削弱因发热导致的太阳电池转换效率降低效应。.项目围绕提升太阳能量利用率的目标，开展了砷化镓与碲化铋异质材料晶片直接键合机理、键合界面应力分布及其影响因素、应力表征及改善和键合质量与一体化器件性能关联关系等方面的研究；通过对键合前表面处理、键合参数改进、键合后器件工艺优化研究，实现了砷化镓-碲化铋的键合集成；集成器件在模拟热源辐照下，独立热电器件最高输出功率2.01 mW，独立太阳电池最高输出功率24.28mW，串联输出最大功率21.22mW，验证了基于键合技术的光电-热电一体化器件工作可行性，支撑了多源一体化发电器件的研制。

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