本發(fā)明涉及太陽能電池技術領域，尤其是一種含Bi的熱光伏電池的結構及其制備方法。

背景技術：
熱光伏電池(TPV)是將高溫熱發(fā)射體發(fā)出的紅外輻射能通過半導體材料直接轉化為電能的一種電池。早在1956年，美國麻省理工大學(MIT)的H.H.Kolm博士就設計制造出了一個應用硅電池的熱光伏系統(tǒng)，并推斷出其理論輸出功率可達到1W。1989年，GaSb太陽能電池的研制使得熱光伏系統(tǒng)的優(yōu)越性得到了進一步驗證，使得基于III-V化合物的熱光伏電池也逐漸發(fā)展了起來。20世紀末，G.D.Cody曾做出推斷，對工作在1000～1800℃的紅外發(fā)射體，禁帶寬度在0.25～0.5eV的材料能使熱光伏電池獲得最高工作效率和最大功率密度。GaSb等III-V族半導體材料具有較低的禁帶寬度，適合作為制備熱光伏電池的材料。目前，對III-V族半導體材料熱光伏電池的研究主要集中在GaSb電池、InGaAsSb/GaSb電池、InGaAs/InP電池和InAsSbP/InAs電池等。GaSb材料體系主要存在價格昂貴，均勻性差的問題。與GaSb材料相比，晶格匹配的In0.53Ga0.47As/InP材料具有更好的晶體質量，但由于其禁帶寬度約為0.73eV轉換效率比較低。與InP襯底晶格失配的InGaAs材料的禁帶寬度達0.5～0.6eV，甚至更低，但隨著失配程度的增加，也會引入更多的失配缺陷。雖在InP襯底上生長一層InAsP材料做為緩沖層，可以實現(xiàn)晶格常數的過渡，實現(xiàn)無殘余應力的InGaAs材料，但是，InGaAs內的位錯密度在106/cm2限制了器件的性能。

技術實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有熱光伏電池的不足，本發(fā)明的目的之一在于提出一種新型的熱光伏電池器件，能有效提高轉化效率。為達到上述目的，本發(fā)明提供一種含Bi熱光伏電池的結構，包括生長在InP襯底上并與所述InP襯底晶格匹配的InxGa1-xAs1-yBiy電池，所述InxGa1-xAs1-yBiy電池的禁帶寬度為0.21～0.73eV。優(yōu)選地，所述InxGa1-xAs1-yBiy電池為單結電池結構，包括按照遠離所述InP襯底方向依次生長的InP緩沖層、InxGa1-xAs1-yBiy子電池及歐姆接觸層。優(yōu)選地，所述InxGa1-xAs1-yBiy子電池包括按照遠離所述InP襯底方向依次生長的InP背場層、InxGa1-xAs1-yBiy基區(qū)、InxGa1-xAs1-yBiy發(fā)射區(qū)、InP窗口層。優(yōu)選地，所述InxGa1-xAs1-yBiy電池為雙結電池結構，包括按照遠離所述InP襯底的方向依次生長的InP緩沖層、第一InxGa1-xAs1-yBiy子電池、隧道結、第二InxGa1-xAs1-yBiy子電池以及歐姆接觸層；所述第一InxGa1-xAs1-yBiy子電池的禁帶寬度小于第二InxGa1-xAs1-yBiy子電池的禁帶寬度。優(yōu)選地，所述第一InxGa1-xAs1-yBiy子電池和/或第二InxGa1-xAs1-yBiy子電池分別包括按照遠離所述InP襯底方向依次生長的InGaAsP或InP背場層、InxGa1-xAs1-yBiy基區(qū)、InxGa1-xAs1-yBiy發(fā)射區(qū)、InGaAsP或InP窗口層。優(yōu)選地，所述InxGa1-xAs1-yBiy電池中，0≤x≤0.53，0＜y≤0.34。進一步地，所述InxGa1-xAs1-yBiy電池中更優(yōu)選的x、y范圍是：0≤x≤0.48，0＜y≤0.34。優(yōu)選地，還包括分別設置在所述InP襯底底部、所述InxGa1-xAs1-yBiy電池頂部的背電極、柵電極，以及設置在所述柵電極上的抗反膜。本發(fā)明的另一目的在于提出這種含Bi熱光伏電池的制備方法，包括如下步驟：步驟A：采用有機金屬化合物化學氣相沉積或分子束外延法，在InP襯底上與所述InP襯底晶格匹配的InxGa1-xAs1-yBiy電池，使所述InxGa1-xAs1-yBiy電池的禁帶寬度為0.21～0.73eV；步驟B：分別在所述InP襯底底部、所述InxGa1-xAs1-yBiy電池頂部設置背電極、柵電極，以及在所述柵電極表面蒸鍍抗反膜。本發(fā)明的特點優(yōu)勢在于：采用與InP晶格匹配的InGaAsBi材料制作單結或雙結熱光伏電池的有源區(qū)；該InGaAsBi覆蓋禁帶寬度達到0.21～0.73eV。獲得單結熱光伏電池，InGaAsBi與InP晶格匹配，相比與InP基晶格失配的InGaAs的熱光伏電池，能更好地保證電池器件的性能；相比昂貴的GaSb基熱光伏電池具有更高的性價比。獲得雙結熱光伏電池則能在單結熱光伏電池的基礎上可針對特定的輻射源，優(yōu)化帶隙，獲得更高的轉換效率，能夠滿足熱光伏系統(tǒng)的要求。附圖說明圖1為本發(fā)明實施例1的熱光伏電池結構示意圖。圖2為本發(fā)明實施例2的熱光伏電池結構示意圖。圖3為本發(fā)明實施例3的熱光伏電池結構示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本發(fā)明實施例作詳細說明。凡采用本發(fā)明的理念，針對不同的輻射源，優(yōu)化單結或雙/多結熱電池禁帶寬度以達到最大效率輸出的電池結構均落在本發(fā)明的保護范圍之內。實施例1以禁帶寬度為0.6eV的熱光伏InxGa1-xAs1-yBiy電池為應用實例，其中，預設x＝0.48，y＝0.035，形成基區(qū)禁帶寬度為0.6eV的In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035子電池。如圖1所示，本實施例的熱光伏電池為單結電池結構，其包括在InP襯底110上按照遠離所述InP襯底110方向依次生長的InP緩沖層120、In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035子電池130及歐姆接觸層140。在所述InP襯底110底部、所述歐姆接觸層140頂部還分別設有背電極150、柵電極160，所述柵電極160表面蒸鍍有抗反膜170。所述In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035子電池130包括依次遠離所述InP襯底110、在所述InP緩沖層120上生長的InP背場層131、In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035基區(qū)132、In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035發(fā)射區(qū)133、InP窗口層134。在其他實施例中，可以調整In、Bi組分比例來獲得不同禁帶寬度的InxGa1-xAs1-yBiy電池，滿足實際應用需要。下面結合圖1介紹這種熱光伏電池的制備方法，本實施例的生長步驟均采用MOCVD(MetalOrganicChemicalVaporDeposition，金屬有機化合物化學氣相沉淀)或MBE(MolecularBeamEpitaxy，分子束外延)。若采用MOCVD法，則各外延層的N型摻雜原子為As或P，其余層N型摻雜原子為Si、Se、S或Te，P型摻雜原子為Zn、Mg或C；若采用MBE法，則各外延層的N型摻雜原子為As或P，其余層N型摻雜原子為Si、Se、S、Sn或Te，P型摻雜原子為Be、Mg或C。本實施例中，N+、N++分別表示摻雜濃度為1.0×1018～9.0×1018/cm2、9.0 ×1018～1.0×1020/cm2；P-、P++分別表示摻雜濃度為1.0×1015～1.0×1018/cm2、9.0×1018～1.0×1020/cm2。具體步驟如下：步驟A：采用MOCVD法在P型InP襯底110上，生長100～300nm的P型InP緩沖層120。然后按照遠離所述InP襯底110的方向，依次生長50nm的P++InP背場層131、2.5μm的P-In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035基區(qū)132(禁帶寬度為0.6eV)、100nm的N+In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035發(fā)射區(qū)133、20～50nm的N++InP窗口層134，最后生長200～900nm的N++InGaAs作為歐姆接觸層140。步驟B：在所述InP襯底110底部、歐姆接觸層140頂部分別蒸鍍背電極150、柵電極160。然后在所述柵電極160上蒸鍍抗反膜170，獲得單結的熱光伏電池。實施例2以溫度為1500k黑體輻射光源為例，實現(xiàn)熱光伏電池將輻射光源的能量轉化為電能。本實施例的熱光伏電池是雙結電池結構，其中，在一組子電池中預設x＝0.32，y＝0.125，獲得基區(qū)禁帶寬度為0.42eV的第一In0.32Ga0.68As0.875Bi0.125子電池；在另一組子電池中預設x＝0.48，y＝0.035，獲得基區(qū)禁帶寬度為0.6eV的第二In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035子電池。同樣地，調整In、Bi組分比例可獲得不同第一或第二InxGa1-xAs1-yBiy子電池禁帶寬度。如圖2所示，本實施例的熱光伏電池包括在InP襯底210上按照遠離所述InP襯底210方向依次生長的InP緩沖層220、第一In0.32Ga0.68As0.875Bi0.125子電池230、隧道結240、第二In0.48Ga0.52As0.965子電池250及歐姆接觸層260。在所述InP襯底210底部、所述歐姆接觸層260頂部還分別設有背電極270、柵電極280，所述柵電極80表面蒸鍍有抗反膜290。下面結合圖2介紹這種熱光伏電池的制備方法，包括如下步驟：步驟A：在采用MOCVD法在P型InP襯底210上，生長100～300nm的P型InP緩沖層220。然后在所述InP緩沖層220上生長第一In0.32Ga0.68As0.875Bi0.125子電池230，即按照遠離所述InP襯底210的方向，在InP緩沖層220上依次生長50nm的P++InP背場層231、2.5μm的P-In0.32Ga0.68As0.875Bi0.125基區(qū)232(禁帶寬度為0.42eV)、100nm的N+In0.32Ga0.68As0.875Bi0.125發(fā)射區(qū)233、20～50nm的 N++InP窗口層234。然后在所述InP窗口層234上依次生長15～30nm的N++InP241、10～25nm的P++InP242形成隧道結240。在所述隧道結240上生長第二In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035子電池250，即按照遠離所述InP襯底210的方向，隧道結240上依次生長50nm的P++InP背場層251、2.5μm的P-In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035基區(qū)252(禁帶寬度為0.6eV)、100nm的N+In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035發(fā)射區(qū)253、20～50nm的N++InP窗口層254。最后在所述InP窗口層254上生長200～900nm的N++InGaAs作為歐姆接觸層260。步驟B：在所述InP襯底210底部、歐姆接觸層260頂部分別蒸鍍背電極270、柵電極280，然后在所述柵電極280上蒸鍍抗反膜290，獲得目標的熱光伏電池。在其他實施例中，可調整In、Bi的組分來獲得不同禁帶寬度的InxGa1-xAs1-yBiy電池。實施例3本實施例的熱光伏電池結構與實施例1的類似，不同的是通過調整In、Bi的組分比例，令x＝0，y＝0.34，獲得基區(qū)禁帶寬度為0.21eV的GaAs0.66Bi0.34單結熱光伏電池，可以吸收較低溫輻射體的能量。下面結合圖3介紹本實施例GaAs0.66Bi0.34單結熱光伏電池的制備方法，包括如下步驟：步驟A：采用MBE法在P型InP襯底310上，生長100～300nm的P型InP緩沖層320。然后在所述InP緩沖層320上生長GaAs0.66Bi0.34子電池330，即按照遠離所述InP襯底310的方向，依次生長50nm的P++InGaAs背場層331、2.5μm的P-GaAs0.66Bi0.34基區(qū)332(禁帶寬度為0.21eV)、100nm的N+GaAs0.66Bi0.34發(fā)射區(qū)333、20～50nm的N++InP窗口層334。最后在GaAs0.66Bi0.34子電池330上生長200～900nm的N++InGaAs作為歐姆接觸層340。步驟B：在所述InP襯底310底部、歐姆接觸層340頂部分別蒸鍍背電極350、柵電極360。然后在所述柵電極360上蒸鍍抗反膜370，獲得單結的熱光伏電池。