異質(zhì)結(jié)熱光伏電池的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于熱光伏電池技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種異質(zhì)結(jié)熱光伏電池的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱光伏技術(shù)是將受熱高溫?zé)彷椛潴w發(fā)射的光子能量通過半導(dǎo)體p-n結(jié)電池直接轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)。完整的熱光伏系統(tǒng)的原理和概念自上世紀(jì)60年代被提出，受當(dāng)時(shí)科技水平所限，一直處于理論研究階段。上世紀(jì)90年代初低禁帶的銻化鎵(GaSb)電池成功制備，隨后一系列熱光伏電池相繼研制成功，其高效率、高穩(wěn)定性、高重量比功率、可與燃燒系統(tǒng)及同位素輻射系統(tǒng)結(jié)合利用等優(yōu)點(diǎn)逐步得到驗(yàn)證。熱光伏電池及系統(tǒng)日益受到各國研究機(jī)構(gòu)的重視，具有良好的發(fā)展前景。
[0003]目前公知的熱光伏電池領(lǐng)域研究較多的是S1、GaSb, InGaAs等電池，其結(jié)構(gòu)均為n-p同質(zhì)結(jié)。這類結(jié)構(gòu)的電池其發(fā)射區(qū)與基區(qū)(吸收層)具有幾乎相同的禁帶寬度，對(duì)光有同樣的吸收能力，因此處在上層的發(fā)射區(qū)會(huì)吸收較多短波光子。由于發(fā)射區(qū)為重?fù)诫s，光生載流子在該處俄歇復(fù)合較為嚴(yán)重，另外發(fā)射區(qū)表面處也存在一定程度的表面復(fù)合，因此這部分光生載流子很少能對(duì)電池的光生電流做出貢獻(xiàn)，從而限制了熱光伏電池效率的進(jìn)一步提升。
[0004]經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)專利號(hào)為200910066784.7，公開號(hào)為CN101521238，專利名稱為“一種基于GaxIn1-xASl_ySby0元半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)熱光伏電池的制備方法”的發(fā)明專利，其說明書中公開了其電池結(jié)構(gòu)。由下至上依次包括下電極、N型襯底、N型寬禁帶GaxlIni_xlASl_ylSbyl有源層、輕摻雜的P_型窄禁帶Gax2Ini_x2ASl_y2Sby2有源層、重?fù)诫s的P+型寬禁帶Gax3Ini_x3ASl_y3Sby3限制層和柵條形上電極，在P+型寬禁帶限制層和柵條形上電極間增加P型GaSb窗口鈍化層，在N型襯底和N型寬禁帶有源層間增加N型GaSb背面限制層。該電池由于入射光一側(cè)發(fā)射區(qū)的禁帶寬度小于基區(qū)的禁帶寬度，降低了光生載流子的收集效率，影響了電池轉(zhuǎn)換效率的提高，并且半導(dǎo)體功能層的層數(shù)多，各層元素組成復(fù)雜，制作的難度大，加之采用了價(jià)格昂貴的GaSb、GaInAsSb材料，電池成本很高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)熱光伏電池效率難以進(jìn)一步提升等技術(shù)問題而提供一種光生載流子收集效率高、光電轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的異質(zhì)結(jié)熱光伏電池的制備方法。
[0006]本發(fā)明包括如下技術(shù)方案:
[0007]異質(zhì)結(jié)熱光伏電池的制備方法，其特點(diǎn)是:包括以下制備步驟:
[0008]步驟I在基區(qū)上面依次生長(zhǎng)發(fā)射區(qū)、電極接觸層和上電極
[0009]⑴將厚度50?500 μ m較窄禁帶寬度的p_Ge層襯底作為基區(qū)置于MOCVD設(shè)備中，在P-Ge層襯底上面生長(zhǎng)出厚度小于500nm較寬禁帶寬度的n_GaxInyP層作為發(fā)射區(qū)，其中x=0.4 ?0.8，y=l~x ；
[0010]⑵在n-GaxInyP層上面外延生長(zhǎng)30nm?100nm厚作為制作電極接觸層用的重?fù)诫sn_GaAs層或重慘雜n_GaInP層；
[0011]⑶在電極接觸層上面蒸鍍一層作為上電極用0.1“111?3(^111厚的六8、411、(:11、11、Pd、Ni 或 Al 膜；
[0012]步驟2光刻上電極
[0013]在上電極上表面總面積1%?10%的上電極上光刻出柵線圖形；
[0014]步驟3腐蝕上電極和電極接觸層
[0015]按照步驟2光刻出的柵線圖形，對(duì)上電極和電極接觸層腐蝕出柵線，直至腐蝕到露出發(fā)射區(qū)n-GaxInyP層，完成腐蝕；沖洗、吹干后立即放入真空熱蒸發(fā)系統(tǒng)中；
[0016]步驟4制作光學(xué)減反射層
[0017]在步驟3腐蝕后露出的發(fā)射區(qū)面蒸鍍1nm-1OOOnm厚作為光學(xué)減反射層的硫化鋅、氟化鎂、氧化鋁、氧化鈦或氧化硅之一種或復(fù)數(shù)種材料層；
[0018]步驟5在基區(qū)下面蒸鍍下電極
[0019]在作為基區(qū)的p-Ge層襯底下面蒸鍍0.1 μ m?10 μ m厚作為下電極的Ag、Au、Cu、T1、Pd、Ni或Al膜層；完成異質(zhì)結(jié)熱光伏電池的制作過程。
[0020]本發(fā)明還可以采用如下技術(shù)措施:
[0021]所述p-Ge層的禁帶寬度為0.66eV, p-Ge層中摻雜有Be、Mg、B或Zn，摻雜的濃度為 115 ?117Cm 3O
[0022]所述n-GaxInyP層的禁帶寬度為1.9eV, n_GaxInyP層中摻雜有S1、Se、Sn或Te，摻雜的濃度為117?1018Cm_3。
[0023]所述電極接觸層中摻雜有S1、Se、Sn或Te，摻雜的濃度為118?102°cm_3。
[0024]本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
[0025]1、本發(fā)明由于采用了具有較寬禁帶寬度(?1.9eV)的n-GaxInyP層作為發(fā)射區(qū)，采用較窄禁帶寬度(?0.66eV)、厚度遠(yuǎn)大于發(fā)射區(qū)的p-Ge襯底作為基區(qū),形成η-p異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，使得可利用的光子主要在P型基區(qū)被吸收而產(chǎn)生光生載流子，很大程度上避免了光生載流子在η型發(fā)射區(qū)的俄歇復(fù)合以及在發(fā)射區(qū)表面處的復(fù)合，提高了光生載流子的收集效率，有效提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。測(cè)試結(jié)果表明本發(fā)明中異質(zhì)結(jié)熱光伏電池的制備方法在300nm?1800nm波長(zhǎng)光譜范圍內(nèi)的量子效率明顯高于目前公知的同質(zhì)結(jié)Ge電池的量子效率，實(shí)現(xiàn)了電池性能的優(yōu)化，電池光電轉(zhuǎn)換效率高。
[0026]2、本發(fā)明通過控制組分，實(shí)現(xiàn)了材料層間精確的晶格匹配；GaxInyP層生長(zhǎng)制備過程中，可通過調(diào)節(jié)X和y的比例(χ=0.4?0.8,y=l-x),制備出與Ge襯底材料晶格精確匹配的GaxInyP材料層,減少n-GaxInyP/p-Ge界面處的懸掛鍵,從而減少光生載流子復(fù)合中心,利于電池效率的提聞。
[0027]3、本發(fā)明在電池結(jié)構(gòu)的光學(xué)設(shè)計(jì)中，充分考慮到減小電池表面對(duì)特定黑體輻射入射光的反射，針對(duì)特定的黑體輻射光譜結(jié)合各層材料的光學(xué)特性設(shè)計(jì)位于電池上表面的光學(xué)減反射膜，將光反射造成的電池效率損失降低；有效防止電池在黑體輻射光譜環(huán)境中光反射造成電池效率損失。
[0028]4、本發(fā)明采用了最簡(jiǎn)單的發(fā)射區(qū)/基區(qū)光伏電池結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)上電極與電池良好的歐姆接觸，在η型發(fā)射區(qū)之上制備了與上電極柵線形狀相同的η型重?fù)诫s電極接觸層(Cap層)。整體上電池層數(shù)少、電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了電池的制作成本。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明異質(zhì)結(jié)熱光伏電池的制備方法側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖中，1-基區(qū)，2-發(fā)射區(qū)，3-電極接觸層，4-上電極，5-下電極，6_光學(xué)減反射層。
[0031]圖2是圖1中電池n+-GaAs/n-GaInP2/Ge斷面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0032]為能進(jìn)一步公開本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點(diǎn)及功效，特例舉以下實(shí)例并結(jié)合附圖1-2進(jìn)行詳細(xì)說明如下:
[0033]異質(zhì)結(jié)熱光伏電池的制備方法，其特點(diǎn)是:包括以下制備步驟:
[0034]步驟I在基區(qū)上面依次生長(zhǎng)發(fā)射區(qū)、電極接觸層和上電極
[0035]⑴將厚度50?500 μ m較窄禁帶寬度的p_Ge層襯底作為基區(qū)置于MOCVD設(shè)備中，在P-Ge層襯底上面生長(zhǎng)出厚度小于500nm較寬禁帶寬度的n_GaxInyP層作為發(fā)射區(qū)，其中x=0.4 ?0.8, y=l-x ；
[0036]⑵在n-GaxInyP層上面外延生長(zhǎng)30nm?100nm厚作為制作電極接觸層用的重?fù)诫sn_GaAs層或重慘雜n_GaInP層；
[0037]⑶在電極接觸層上面蒸鍍一層作為上電極用0.1口111?3(^111厚的六8、411、(:11、11、Pd、Ni 或 Al 膜；
[0038]步驟2光刻上電極
[0039]在上電極上表面總面積1%?10%的上電極上光刻出柵線圖形；
[0040]步驟3腐蝕上電極和電極接觸層
[0041]按照步驟2光刻出的柵線圖形，對(duì)上電極和電極接觸層腐蝕出柵線，直至腐蝕到露出發(fā)射區(qū)n-GaxInyP層，完成腐蝕；沖洗、吹干后立即放入真空熱蒸發(fā)系統(tǒng)中；
[0042]步驟4制作光學(xué)減反射層
[0043]在步驟3腐蝕后露出的發(fā)射區(qū)面蒸鍍1nm-1OOOnm厚作為光學(xué)減反射層的硫化鋅、氟化鎂、氧化鋁、氧化鈦或氧化硅之一種或復(fù)數(shù)種材料層；
[0044]步驟5在基區(qū)下面蒸鍍下電極
[0045]在作為基區(qū)的p-Ge層襯底下