一種兩結激光電池外延層及其制備方法與流程

本發明屬于太陽能電池領域，尤其是涉及一種兩結激光電池外延層及其制備方法。

背景技術：

目前，激光電池在空間無線能量傳輸領域有很大的應用前景，適合在空間無線傳輸中(高軌的空間飛行器太陽電池陣實現太陽能轉換為電能，電能再轉換為激光，借助激光電池實現激光對地面激光電池陣供能、激光對臨近空間的無人機供能、激光對低軌的空間飛行器供能)，作為能量接收器使用或信號接收器使用。然而目前國內還沒有任何公司或者研究所研究出相關的商用產品，對多結激光電池的研究尚屬空白。

以GaAs為代表的III-V族化合物具有許多優點，例如它具有直接帶隙的能帶結構，光吸收系數大，還具有良好的抗輻照性能和較小的溫度系數，是作為激光電池的理想材料。對于功率較高的激光來說，采用多結的GaAs太陽電池可以減小總電流，從而可以減小串聯電阻引起的功率損失，提高轉換效率。

技術實現要素：

本發明要解決的問題是提供一種兩結激光電池外延層及其制備方法，其晶體質量較好，穩定性強，易于制作，并可在將來作為完整的電池直接應用。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種兩結激光電池外延層，包括從下至上依次設置在GaAs襯底上的GaAs緩沖層、第一隧道結、第一GaAs電池、第二隧道結、第二GaAs電池和cap層。

技術方案中，優選的，GaAs緩沖層使用n型摻雜劑，摻雜劑的摻雜濃度為1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，GaAs緩沖層的厚度為100nm-4000nm。

技術方案中，優選的，第一隧道結包括依次設置的n型摻雜劑摻雜的n⁺-GaInP層和p型摻雜劑摻雜的p⁺-AlGaAs層，n⁺-GaInP層的厚度為10nm-100nm，摻雜濃度為1×10¹⁸-1×10²¹cm^-3，p⁺-AlGaAs層的厚度為10nm-100nm，摻雜濃度為1×10¹⁸-1×10²¹cm^-3。

技術方案中，優選的，第一GaAs電池包括依次設置的n型摻雜劑摻雜的n-GaAs發射區層和p型摻雜劑摻雜的p-GaAs基區層，發射區層的厚度為50nm-1000nm，摻雜濃度為1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，基區層的厚度為500nm-5000nm，摻雜濃度為1×10¹⁵-1×10¹⁸cm^-3。

技術方案中，優選的，第二隧道結包括依次設置的n型摻雜劑摻雜的n⁺-GaInP層和p型摻雜劑摻雜的p⁺-AlGaAs層，n⁺-GaInP層的厚度為10nm-100nm，摻雜濃度為1×10¹⁸-1×10²¹cm^-3，p⁺-AlGaAs層的厚度為10nm-100nm，摻雜濃度為1×10¹⁸-1×10²¹cm^-3。

技術方案中，優選的，第二GaAs電池包括依次設置的n型摻雜劑摻雜的n-GaAs發射區層和p型摻雜劑摻雜的p-GaAs基區層，發射區層的厚度為50nm-1000nm，摻雜濃度為1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，基區層的厚度為500nm-5000nm，摻雜濃度為1×10¹⁵-1×10¹⁸cm^-3。

技術方案中，優選的，cap層為n型摻雜劑摻雜的n⁺-Ga_1-xIn_xAs，其中0.01≤x≤0.4，摻雜濃度為1×10¹⁸-1×10²¹cm^-3，厚度為50nm-1000nm。

技術方案中，優選的，p型摻雜劑為Zn、Mg或C。

技術方案中，優選的，n型摻雜劑為Si、Se或Te。

一種制備兩結激光電池外延層的方法，包括以下步驟：采用金屬有機化學氣相沉積技術在GaAs襯底上沉積GaAs緩沖層；在GaAs緩沖層上依次生長第一隧道結、第一GaAs子電池、第二隧道結、第二GaAs子電池和cap層。

本發明具有的優點和積極效果是：

1、該兩結激光電池采用兩個子電池串聯減小總電流，從而可以減小串聯電阻引起的功率損失，提高轉換效率。

2、本發明的一種兩結激光電池外延層的制備方法，采用金屬有機化學氣相沉積技術，生長過程可以得到精確控制，形成的晶體質量好。

3、本發明的兩結激光電池外延層易于生長，后續工藝流程成熟，產品電池穩定性好，具有大批生產的潛力。

附圖說明

圖1為本發明一種兩結激光太陽電池結構示意圖。

圖中：

1、GaAs襯底 2、GaInAs緩沖層 3、第一隧道結

4、GaAs子電池 5、第二隧道結 6、GaAs子電池

7、cap層

具體實施方式

下面結合附圖對本發明實施例做進一步描述：

一種兩結激光太陽電池，包括砷化鎵襯底，從下至上依次為GaAs緩沖層、第一隧道結、(AlGa)_1-xIn_xAs漸變緩沖層、GaAs電池、第二隧道結、GaAs電池和cap層。其制作過程為：

1.采用金屬有機化學氣相沉積技術(MOCVD)在砷化鎵襯底上面沉積GaAs緩沖層；

GaAs緩沖層，其n型摻雜劑為Si、Se或Te，摻雜濃度為1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，反應室壓力為50-200mbar，生長溫度為600–700℃，厚度范圍為100-4000nm；

2.在GaAs緩沖層上生長第一隧道結，包括依次生長n型摻雜的n+-GaInP層和p型摻雜的p+-AlGaAs層，其中n+-GaInP層的摻雜劑為Si、Se或Te，摻雜濃度為1×10¹⁸-1×10²¹cm^-3，厚度范圍為10nm-100nm，生長溫度為550–650℃；其中p+-AlGaAs層的摻雜劑為Zn、Mg或C，摻雜濃度為1×10¹⁸-1×10²¹cm^-3，厚度范圍為10nm-100nm，生長溫度為550–650℃；

3.在第一隧道結上生長第一GaAs子電池，包括依次生長n型摻雜的n-GaAs發射區層和p型摻雜的p-GaAs基區層，其中n-GaAs發射區層的摻雜劑為Si、Se或Te，摻雜濃度為1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，厚度范圍為50nm-1000nm，生長溫度為600–700℃；其中p-GaAs基區層的摻雜劑為Zn、Mg或C，摻雜濃度為1×10¹⁵-1×10¹⁸cm^-3，厚度范圍為500nm-5000nm，生長溫度為600–700℃；

4.在第一GaAs子電池上生長第二隧道結，包括依次生長n型摻雜的n+-GaInP層和p型摻雜的p+-AlGaAs層，其中n+-GaInP層的摻雜劑為Si、Se或Te，摻雜濃度為1×10¹⁸-1×10²¹cm^-3，厚度范圍為10nm-100nm，生長溫度為550–650℃；其中p+-AlGaAs層的摻雜劑為Zn、Mg或C，摻雜濃度為1×10¹⁸-1×10²¹cm^-3，厚度范圍為10nm-100nm，生長溫度為550–650℃；

5.在第二隧道結上生長第二GaAs子電池，包括依次生長n型摻雜的n-GaAs發射區層和p型摻雜的p-GaAs基區層，其中n-GaAs發射區層的摻雜劑為Si、Se或Te，摻雜濃度為1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，厚度范圍為50nm-1000nm，生長溫度為600–700℃；其中p-GaAs基區層的摻雜劑為Zn、Mg或C，摻雜濃度為1×10¹⁵-1×10¹⁸cm^-3，厚度范圍為500nm-5000nm，生長溫度為600–700℃；

6.在第二子電池上生長cap層；

帽層為n型摻雜的n+-Ga1-xInxAs，其中0.01≤x≤0.4，摻雜劑為Si、Se或Te，摻雜濃度為1×10¹⁸-1×10²¹cm^-3，厚度范圍為50nm-1000nm，生長溫度為550–700℃。

上述各層材料生長之后，總時間為1-3小時，之后的器件工序和正向匹配三結太陽電池完全相同，是公知的技術。

以上對本發明的一個實施例進行了詳細說明，但所述內容僅為本發明的較佳實施例，不能被認為用于限定本發明的實施范圍。凡依本發明申請范圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬于本發明的專利涵蓋范圍之內。