一種等離激元增強GaAs基多結太陽電池的制作方法
本實用新型涉及太陽電池領域，特別涉及一種等離激元增強GaAs基多結太陽電池。
背景技術：
GaAs基化合物太陽電池，因其較高的光電轉換效率，良好的抗輻照性能和空間穩定性等優勢近年來獲得了飛速發展，是目前太空航天器的主要供電來源。目前多結太陽電池研究較多的體系是InGaP/GaAs/Ge結構電池，傳統多結太陽電池雖可以提高器件的光電轉換效率，然而隨著層數的增加多結電池也存在一些新的問題。首先，InGaP/GaAs/Ge太陽電池帶隙排布為1.84/1.42/0.67eV，底電池和中間子結電池較大的帶隙失配導致Ge子電池中的光生電流大于其他子結中的電流，而多結疊層太陽電池的電流取決于子結中最小的光生電流，因此電流失配將導致部分光生電流損失進而影響器件效率；其次，多結疊層太陽電池對材料組分要求嚴格，器件在設計制備及測試等環節的復雜性和成本均大幅上升，器件的制備成本高昂也正是III-V族太陽電池無法真正實現民用的主要原因。因此研究如何在保持器件高的光電轉換效率的同時有效簡化器件的制備工藝成本，具有十分重要的意義。
技術實現要素：
為了克服現有技術的上述缺點與不足，本實用新型的目的在于提供一種等離激元增強GaAs基多結太陽電池，光電轉換效率高且成本低。
本實用新型的目的通過以下技術方案實現：
一種等離激元增強GaAs基多結太陽電池，由下至上依次包括底電極、In0.3Ga0.7As底電池、隧穿結、GaAs頂電池和頂電極；所述In0.3Ga0.7As底電池由下至上依次包括p-In0.3Ga0.7As薄膜、第一n-In0.3Ga0.7As薄膜、Ag/Al合金納米顆粒層和第二n-In0.3Ga0.7As薄膜。
所述p-In0.3Ga0.7As薄膜的厚度為60-600納米，摻雜濃度為2×1017-5×1017cm-3；所述第一n-In0.3Ga0.7As薄膜的厚度為20-80納米，摻雜濃度為2×1017～5×1017cm-3；所述Ag/Al合金納米顆粒層中的Ag/Al納米金屬顆粒平均高度為10-20納米，平均直徑為10-30納米；所述第二n-In0.3Ga0.7As薄膜的厚度為80-250納米；摻雜濃度為2×1017～5×1017cm-3。
所述隧穿結為重摻GaAs遂穿結，由下至上依次包括n-GaAs薄膜和p-GaAs薄膜，所述n-GaAs薄膜厚度為3-8納米，摻雜濃度為1×1018～5×1018cm-3；所述p-GaAs薄膜的厚度為3-8納米，摻雜濃度為1×1018～5×1018cm-3。
所述GaAs頂電池由下至上依次包括p-GaAs薄膜和n-GaAs薄膜；所述p-GaAs薄膜厚度為100-800納米，摻雜濃度為1.5×1017-4×1018cm-3；所述n-GaAs薄膜的厚度為2-5微米，摻雜濃度為1×1017-3×1017cm-3。
所述底電極為AuGeNi薄膜，厚度為300-600納米。
所述頂電極為Au薄膜，厚度為300-600納米。
所述的等離激元增強GaAs基多結太陽電池的制備方法，包括以下步驟：
(1)In0.3Ga0.7As底電池的制備：
(1-1)p-In0.3Ga0.7As薄膜的制備：利用分子束外延系統在襯底上生長p-In0.3Ga0.7As薄膜，生長溫度為400-600℃，生長時間為0.5-2小時，鎵源爐溫度為800-1000℃，砷源爐溫度為200-400℃，In源爐溫度為600-800℃，Zn源爐溫度為300-800℃；
(1-2)第一n-In0.3Ga0.7As薄膜的制備：利用分子束外延方法在p-In0.3Ga0.7As薄膜上制備第一n-In0.3Ga0.7As薄膜，生長溫度為400-600℃，生長時間為20分鐘-1小時，鎵源爐溫度為800-1000℃，砷源爐溫度為200-400℃，In源爐溫度為600-800℃，Si源爐溫度為500-1200℃；
(1-3)Ag/Al合金納米顆粒層的制備：采用電子束蒸發方法在第一n-In0.3Ga0.7As薄膜上生長Al/Ag納米顆粒，生長功率為200-400瓦，生長時間為20-200秒；
(1-4)第二n-In0.3Ga0.7As薄膜的制備：利用分子束外延方法在p-In0.3Ga0.7As薄膜上制備第二n-In0.3Ga0.7As薄膜，生長溫度為400-600℃，生長時間為1-3小時，鎵源爐溫度為800-1000℃，砷源爐溫度為200-400℃，In源爐溫度為600-800℃，Si源爐溫度為500-1200℃；
(2)GaAs隧穿結的制備：利用分子束外延方法在第二n-In0.3Ga0.7As薄膜上生長n-GaAs薄膜，生長溫度為400-600℃，生長時間為2分鐘-5分鐘，鎵源爐溫度為800-1000℃，砷源爐溫度為200-400℃，Si源爐溫度為500-1200℃；
利用分子束外延方法在n-GaAs薄膜表面生長p-GaAs薄膜，生長溫度為400-600℃，生長時間為2分鐘-5分鐘，鎵源爐溫度為800-1000℃，砷源爐溫度為200-400℃，Zn源爐溫度為300-800℃；
(3)GaAs頂電池的制備：
(3-1)p-GaAs薄膜的制備：利用分子束外延系統生長p-GaAs薄膜，生長溫度為300-600℃，生長時間為1-5小時，鎵源爐溫度為800-1000℃，砷源爐溫度為200-400℃，Zn源爐溫度為300-800℃；
(3-2)n-GaAs薄膜的制備：利用分子束外延系統生長n-GaAs薄膜，生長溫度為300-600℃，生長時間為5-10小時，鎵源爐溫度為800-1000℃，砷源爐溫度為200-400℃，Si源爐溫度為500-1200℃；
(4)底電極的制備：首先采用激光襯底剝離方法將In0.3Ga0.7As底電池與襯底進行剝離，激光能量密度為200-3000mJ/cm2，剝離時間為10-20分鐘；
采用電子束蒸發方法在In0.3Ga0.7As底電池的底面制備底電極，生長功率為200-400瓦，生長時間為20-200分鐘生長底電極；生長完底電極后進行退火，退火溫度為200-400℃，退火時間為10-60分鐘；
(5)頂電極的制備：采用電子束蒸發方法在制備頂電極，生長功率為100-300瓦，生長時間為30-100分鐘；生長完頂電極后進行退火，退火溫度為200-400℃，退火時間為10-60分鐘。
與現有技術相比，本實用新型具有以下優點和有益效果：
(1)本實用新型通過在In0.3Ga0.7As子電池內部引入Al/Ag合金納米顆粒，利用合金顆粒的散射截面增強對太陽光的散射效應，同時利用納米顆粒周圍強的局域場增強太陽電池的光吸收，最終實現電池高的光電轉換效率。
(2)本實用新型通過金屬表面等離激元增強III-V族GaAs基太陽電池的光電轉換效率，實現低成本高效GaAs基太陽電池的制備。通過采用1eV的In0.3Ga0.7As與GaAs構建雙結太陽電池，既能有效拓寬對太陽光譜的利用范圍，同時子結電池間滿足帶隙匹配條件且每層均具有較高的晶體質量，最終有效提高電池的光電效率。
附圖說明
圖1為本實用新型的實施例的等離激元增強GaAs基多結太陽電池的結構示意圖。
圖2為本實用新型的實施例的Al/Ag納米顆粒的吸收譜。
圖3為本實用新型的實施例的等離激元增強GaAs基多結太陽電池在引入Ag/Al納米顆粒前后的電流-電壓關系曲線圖。
具體實施方式
下面結合實施例，對本實用新型作進一步地詳細說明，但本實用新型的實施方式不限于此。
實施例1
如圖1所示，本實施例的等離激元增強GaAs基多結太陽電池，由下至上依次包括底電極1、In0.3Ga0.7As底電池2、隧穿結3、GaAs頂電池4和頂電極5。
本實施例的等離激元增強GaAs基多結太陽電池的制備方法，包括以下步驟：
(1)In0.3Ga0.7As底電池的制備：
(1-1)p-In0.3Ga0.7As薄膜的制備：利用分子束外延系統在襯底上生長p-In0.3Ga0.7As薄膜，生長溫度為590℃，生長時間為2小時，鎵源爐溫度為950℃，砷源爐溫度為285℃，In源爐溫度為710℃，Zn源爐溫度為400℃；
所述p-In0.3Ga0.7As薄膜的厚度為200納米，摻雜濃度為3×1017cm-3；
(1-2)第一n-In0.3Ga0.7As薄膜的制備：利用分子束外延方法在p-In0.3Ga0.7As薄膜上制備第一n-In0.3Ga0.7As薄膜，生長溫度為590℃，生長時間為1小時，鎵源爐溫度為950℃，砷源爐溫度為285℃，In源爐溫度為710℃，Si源爐溫度為600℃；
所述第一n-In0.3Ga0.7As薄膜的厚度為50納米，摻雜濃度為5×1017cm-3；
(1-3)Ag/Al合金納米顆粒層的制備：采用電子束蒸發方法在第一n-In0.3Ga0.7As薄膜上生長Al/Ag納米顆粒，生長功率為300瓦，生長時間為60秒；
所述Ag/Al合金納米顆粒層中的Ag/Al納米金屬顆粒平均高度為15納米，平均直徑為15納米；
(1-4)第二n-In0.3Ga0.7As薄膜的制備：利用分子束外延方法在p-In0.3Ga0.7As薄膜上制備第二n-In0.3Ga0.7As薄膜，生長溫度為590℃，生長時間為3小時，鎵源爐溫度為950℃，砷源爐溫度為285℃，In源爐溫度為710℃，Si源爐溫度為600℃；
所述第二n-In0.3Ga0.7As薄膜的厚度為200納米；摻雜濃度為3×1017cm-3；
(2)GaAs隧穿結的制備：所述隧穿結為重摻GaAs遂穿結，由下至上依次包括n-GaAs薄膜和p-GaAs薄膜，所述n-GaAs薄膜厚度為5納米，摻雜濃度為3×1018cm-3；所述p-GaAs薄膜的厚度為5納米，摻雜濃度為3×1018cm-3；
利用分子束外延方法在第二n-In0.3Ga0.7As薄膜上生長n-GaAs薄膜，生長溫度為580℃，生長時間為3分鐘，鎵源爐溫度為950℃，砷源爐溫度為285℃，Si源爐溫度為600℃；
利用分子束外延方法在n-GaAs薄膜表面生長p-GaAs薄膜，生長溫度為580℃，生長時間為3分鐘，鎵源爐溫度為950℃，砷源爐溫度為285℃，Zn源爐溫度為600℃；
(3)GaAs頂電池的制備：
(3-1)p-GaAs薄膜的制備：利用分子束外延系統生長p-GaAs薄膜，生長溫度為580℃，生長時間為3小時，鎵源爐溫度為950℃，砷源爐溫度為285℃，Zn源爐溫度為600℃；
所述p-GaAs薄膜厚度為500納米，摻雜濃度為3×1018cm-3；
(3-2)n-GaAs薄膜的制備：利用分子束外延系統生長n-GaAs薄膜，生長溫度為580℃，生長時間為8小時，鎵源爐溫度為950℃，砷源爐溫度為285℃，Si源爐溫度為600℃；
所述n-GaAs薄膜的厚度為3微米，摻雜濃度為2×1017cm-3；
(4)底電極的制備：首先采用激光襯底剝離方法將In0.3Ga0.7As底電池與襯底進行剝離，激光能量密度為2000mJ/cm2，剝離時間為15分鐘；
采用電子束蒸發方法在In0.3Ga0.7As底電池的底面制備底電極，生長功率為300瓦，生長時間為30分鐘生長底電極；生長完底電極后進行退火，退火溫度為400℃，退火時間為10分鐘；所述底電極為AuGeNi薄膜，厚度為200納米；
(5)頂電極的制備：采用電子束蒸發方法在制備頂電極，生長功率為100瓦，生長時間為30分鐘；生長完頂電極后進行退火，退火溫度為400℃，退火時間為10分鐘；所述頂電極為Au薄膜，厚度為300納米。
圖2為Al/Ag納米顆粒的吸收譜，可以看出納米顆粒在450-650納米范圍內有明顯的吸收峰，因此通過納米顆粒的吸收和散射作用可以明顯提高太陽電池的光吸收效果。從圖3的太陽電池電流-電壓關系曲線中可以看出，單純的GaAs基多結太陽電池的效率為28.50％，通過Ag/Al納米顆粒的引入，由于電池的開路電壓提高，填充因子得以改善，電池的光電轉換效率提高到32.46％。
本實用新型在GaAs基多結太陽電池的In0.3Ga0.7As子結電池中引入Al/Ag納米顆粒，由于納米顆粒的局域表面等離子體效應，一方面可以增強對入射太陽光的散射作用，提高太陽光在有源區內部的傳播距離從而提高光吸收。同時，Al/Ag納米顆粒的局域表面等離激元被激發后，在顆粒周圍會形成強的局域電場，根據費米黃金規則，這種強的局域電場可以提高電池入射光子的吸收速率，因此本實用新型制備的一種等離激元增強GaAs基多結太陽電池的光電轉換效率得到明顯的提高。
實施例2
本實施例的等離激元增強GaAs基多結太陽電池的制備方法，包括以下步驟：
(1)In0.3Ga0.7As底電池的制備：
(1-1)p-In0.3Ga0.7As薄膜的制備：利用分子束外延系統在襯底上生長p-In0.3Ga0.7As薄膜，生長溫度為400℃，生長時間為0.5小時，鎵源爐溫度為800℃，砷源爐溫度為200℃，In源爐溫度為600℃，Zn源爐溫度為300℃；
所述p-In0.3Ga0.7As薄膜的厚度為60納米，摻雜濃度為2×1017cm-3；
(1-2)第一n-In0.3Ga0.7As薄膜的制備：利用分子束外延方法在p-In0.3Ga0.7As薄膜上制備第一n-In0.3Ga0.7As薄膜，生長溫度為400℃，生長時間為20分鐘，鎵源爐溫度為800℃，砷源爐溫度為200℃，In源爐溫度為600℃，Si源爐溫度為500℃；
所述第一n-In0.3Ga0.7As薄膜的厚度為20納米，摻雜濃度為3×1017cm-3；
(1-3)Ag/Al合金納米顆粒層的制備：采用電子束蒸發方法在第一n-In0.3Ga0.7As薄膜上生長Al/Ag納米顆粒，生長功率為200瓦，生長時間為20秒；
所述Ag/Al合金納米顆粒層中的Ag/Al納米金屬顆粒平均高度為10納米，平均直徑為10納米；
(1-4)第二n-In0.3Ga0.7As薄膜的制備：利用分子束外延方法在p-In0.3Ga0.7As薄膜上制備第二n-In0.3Ga0.7As薄膜，生長溫度為400℃，生長時間為1小時，鎵源爐溫度為800℃，砷源爐溫度為200℃，In源爐溫度為600℃，Si源爐溫度為500℃；
所述第二n-In0.3Ga0.7As薄膜的厚度為200納米；摻雜濃度為3×1017cm-3；
(2)GaAs隧穿結的制備：所述隧穿結為重摻GaAs遂穿結，由下至上依次包括n-GaAs薄膜和p-GaAs薄膜，所述n-GaAs薄膜厚度為3納米，摻雜濃度為3×1018cm-3；所述p-GaAs薄膜的厚度為3納米，摻雜濃度為3×1018cm-3；
利用分子束外延方法在第二n-In0.3Ga0.7As薄膜上生長n-GaAs薄膜，生長溫度為400℃，生長時間為2分鐘，鎵源爐溫度為800℃，砷源爐溫度為200℃，Si源爐溫度為500℃；
利用分子束外延方法在n-GaAs薄膜表面生長p-GaAs薄膜，生長溫度為400℃，生長時間為2分鐘，鎵源爐溫度為800℃，砷源爐溫度為200℃，Zn源爐溫度為300℃；
(3)GaAs頂電池的制備：
(3-1)p-GaAs薄膜的制備：利用分子束外延系統生長p-GaAs薄膜，生長溫度為300℃，生長時間為1小時，鎵源爐溫度為800℃，砷源爐溫度為200℃，Zn源爐溫度為300℃；
所述p-GaAs薄膜厚度為100-800納米，摻雜濃度為1.5×1017-4×1018cm-3；
(3-2)n-GaAs薄膜的制備：利用分子束外延系統生長n-GaAs薄膜，生長溫度為300℃，生長時間為5小時，鎵源爐溫度為800℃，砷源爐溫度為200℃，Si源爐溫度為500℃；
所述n-GaAs薄膜的厚度為2微米，摻雜濃度為1×1017cm-3；
(4)底電極的制備：首先采用激光襯底剝離方法將In0.3Ga0.7As底電池與襯底進行剝離，激光能量密度為200mJ/cm2，剝離時間為10分鐘；
采用電子束蒸發方法在In0.3Ga0.7As底電池的底面制備底電極，生長功率為200瓦，生長時間為20分鐘生長底電極；生長完底電極后進行退火，退火溫度為200℃，退火時間為10分鐘；所述底電極為AuGeNi薄膜，厚度為300納米；
(5)頂電極的制備：采用電子束蒸發方法在制備頂電極，生長功率為100瓦，生長時間為30分鐘；生長完頂電極后進行退火，退火溫度為200℃，退火時間為10分鐘；所述頂電極為Au薄膜，厚度為300納米。
本實施例的等離激元增強GaAs基多結太陽電池的測試結果與實施例1類似，在此不再贅述。
實施例3
本實施例的等離激元增強GaAs基多結太陽電池的制備方法，包括以下步驟：
(1)In0.3Ga0.7As底電池的制備：
(1-1)p-In0.3Ga0.7As薄膜的制備：利用分子束外延系統在襯底上生長p-In0.3Ga0.7As薄膜，生長溫度為600℃，生長時間為2小時，鎵源爐溫度為1000℃，砷源爐溫度為400℃，In源爐溫度為800℃，Zn源爐溫度為800℃；
所述p-In0.3Ga0.7As薄膜的厚度為600納米，摻雜濃度為5×1017cm-3；
(1-2)第一n-In0.3Ga0.7As薄膜的制備：利用分子束外延方法在p-In0.3Ga0.7As薄膜上制備第一n-In0.3Ga0.7As薄膜，生長溫度為600℃，生長時間為1小時，鎵源爐溫度為1000℃，砷源爐溫度為400℃，In源爐溫度為800℃，Si源爐溫度為1200℃；
所述第一n-In0.3Ga0.7As薄膜的厚度為80納米，摻雜濃度為5×1017cm-3；
(1-3)Ag/Al合金納米顆粒層的制備：采用電子束蒸發方法在第一n-In0.3Ga0.7As薄膜上生長Al/Ag納米顆粒，生長功率為400瓦，生長時間為200秒；
所述Ag/Al合金納米顆粒層中的Ag/Al納米金屬顆粒平均高度為20納米，平均直徑為30納米；
(1-4)第二n-In0.3Ga0.7As薄膜的制備：利用分子束外延方法在p-In0.3Ga0.7As薄膜上制備第二n-In0.3Ga0.7As薄膜，生長溫度為600℃，生長時間為3小時，鎵源爐溫度為1000℃，砷源爐溫度為400℃，In源爐溫度為800℃，Si源爐溫度為1200℃；
所述第二n-In0.3Ga0.7As薄膜的厚度為250納米；摻雜濃度為5×1017cm-3；
(2)GaAs隧穿結的制備：所述隧穿結為重摻GaAs遂穿結，由下至上依次包括n-GaAs薄膜和p-GaAs薄膜，所述n-GaAs薄膜厚度為8納米，摻雜濃度為5×1018cm-3；所述p-GaAs薄膜的厚度為8納米，摻雜濃度為5×1018cm-3；
利用分子束外延方法在第二n-In0.3Ga0.7As薄膜上生長n-GaAs薄膜，生長溫度為600℃，生長時間為5分鐘，鎵源爐溫度為1000℃，砷源爐溫度為400℃，Si源爐溫度為1200℃；
利用分子束外延方法在n-GaAs薄膜表面生長p-GaAs薄膜，生長溫度為600℃，生長時間為5分鐘，鎵源爐溫度為1000℃，砷源爐溫度為400℃，Zn源爐溫度為800℃；
(3)GaAs頂電池的制備：
(3-1)p-GaAs薄膜的制備：利用分子束外延系統生長p-GaAs薄膜，生長溫度為600℃，生長時間為5小時，鎵源爐溫度為1000℃，砷源爐溫度為400℃，Zn源爐溫度為800℃；
所述p-GaAs薄膜厚度為800納米，摻雜濃度為4×1018cm-3；
(3-2)n-GaAs薄膜的制備：利用分子束外延系統生長n-GaAs薄膜，生長溫度為600℃，生長時間為10小時，鎵源爐溫度為1000℃，砷源爐溫度為400℃，Si源爐溫度為1200℃；
所述n-GaAs薄膜的厚度為5微米，摻雜濃度為3×1017cm-3；
(4)底電極的制備：首先采用激光襯底剝離方法將In0.3Ga0.7As底電池與襯底進行剝離，激光能量密度為3000mJ/cm2，剝離時間為20分鐘；
采用電子束蒸發方法在In0.3Ga0.7As底電池的底面制備底電極，生長功率為400瓦，生長時間為200分鐘生長底電極；生長完底電極后進行退火，退火溫度為400℃，退火時間為60分鐘；所述底電極為AuGeNi薄膜，厚度為600納米；
(5)頂電極的制備：采用電子束蒸發方法在制備頂電極，生長功率為300瓦，生長時間為100分鐘；生長完頂電極后進行退火，退火溫度為400℃，退火時間為60分鐘；所述頂電極為Au薄膜，厚度為600納米。
本實施例的等離激元增強GaAs基多結太陽電池的測試結果與實施例1類似，在此不再贅述。
上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。
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