異質結熱光伏電池的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于熱光伏電池技術領域，特別是涉及一種異質結熱光伏電池的制備方法。
【背景技術】
[0002]熱光伏技術是將受熱高溫熱輻射體發射的光子能量通過半導體p-n結電池直接轉換成電能的技術。完整的熱光伏系統的原理和概念自上世紀60年代被提出，受當時科技水平所限，一直處于理論研究階段。上世紀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、高穩定性、高重量比功率、可與燃燒系統及同位素輻射系統結合利用等優點逐步得到驗證。熱光伏電池及系統日益受到各國研究機構的重視，具有良好的發展前景。
[0003]目前公知的熱光伏電池領域研究較多的是S1、GaSb, InGaAs等電池，其結構均為n-p同質結。這類結構的電池其發射區與基區(吸收層)具有幾乎相同的禁帶寬度，對光有同樣的吸收能力，因此處在上層的發射區會吸收較多短波光子。由于發射區為重摻雜，光生載流子在該處俄歇復合較為嚴重，另外發射區表面處也存在一定程度的表面復合，因此這部分光生載流子很少能對電池的光生電流做出貢獻，從而限制了熱光伏電池效率的進一步提升。
[0004]經檢索發現專利號為200910066784.7，公開號為CN101521238，專利名稱為“一種基于GaxIn1-xASl_ySby0元半導體的異質結熱光伏電池的制備方法”的發明專利，其說明書中公開了其電池結構。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、重摻雜的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發射區的禁帶寬度小于基區的禁帶寬度，降低了光生載流子的收集效率，影響了電池轉換效率的提高，并且半導體功能層的層數多，各層元素組成復雜，制作的難度大，加之采用了價格昂貴的GaSb、GaInAsSb材料，電池成本很高。
【發明內容】
[0005]本發明為解決公知技術中存在的同質結結構熱光伏電池效率難以進一步提升等技術問題而提供一種光生載流子收集效率高、光電轉換效率高、結構簡單、成本低的異質結熱光伏電池的制備方法。
[0006]本發明包括如下技術方案:
[0007]異質結熱光伏電池的制備方法，其特點是:包括以下制備步驟:
[0008]步驟I在基區上面依次生長發射區、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層襯底作為基區置于MOCVD設備中，在P-Ge層襯底上面生長出厚度小于500nm較寬禁帶寬度的n_GaxInyP層作為發射區，其中x=0.4 ?0.8，y=l~x ；
[0010]⑵在n-GaxInyP層上面外延生長30nm?100nm厚作為制作電極接觸層用的重摻雜n_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，對上電極和電極接觸層腐蝕出柵線，直至腐蝕到露出發射區n-GaxInyP層，完成腐蝕；沖洗、吹干后立即放入真空熱蒸發系統中；
[0016]步驟4制作光學減反射層
[0017]在步驟3腐蝕后露出的發射區面蒸鍍1nm-1OOOnm厚作為光學減反射層的硫化鋅、氟化鎂、氧化鋁、氧化鈦或氧化硅之一種或復數種材料層；
[0018]步驟5在基區下面蒸鍍下電極
[0019]在作為基區的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；完成異質結熱光伏電池的制作過程。
[0020]本發明還可以采用如下技術措施:
[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]本發明具有的優點和積極效果:
[0025]1、本發明由于采用了具有較寬禁帶寬度(?1.9eV)的n-GaxInyP層作為發射區，采用較窄禁帶寬度(?0.66eV)、厚度遠大于發射區的p-Ge襯底作為基區,形成η-p異質結結構，使得可利用的光子主要在P型基區被吸收而產生光生載流子，很大程度上避免了光生載流子在η型發射區的俄歇復合以及在發射區表面處的復合，提高了光生載流子的收集效率，有效提高了電池的光電轉換效率。測試結果表明本發明中異質結熱光伏電池的制備方法在300nm?1800nm波長光譜范圍內的量子效率明顯高于目前公知的同質結Ge電池的量子效率，實現了電池性能的優化，電池光電轉換效率高。
[0026]2、本發明通過控制組分，實現了材料層間精確的晶格匹配；GaxInyP層生長制備過程中，可通過調節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合中心,利于電池效率的提聞。
[0027]3、本發明在電池結構的光學設計中，充分考慮到減小電池表面對特定黑體輻射入射光的反射，針對特定的黑體輻射光譜結合各層材料的光學特性設計位于電池上表面的光學減反射膜，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境中光反射造成電池效率損失。
[0028]4、本發明采用了最簡單的發射區/基區光伏電池結構，為實現上電極與電池良好的歐姆接觸，在η型發射區之上制備了與上電極柵線形狀相同的η型重摻雜電極接觸層(Cap層)。整體上電池層數少、電池結構簡單，降低了電池的制作成本。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發明異質結熱光伏電池的制備方法側面結構示意圖；
[0030]圖中，1-基區，2-發射區，3-電極接觸層，4-上電極，5-下電極，6_光學減反射層。
[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。
【具體實施方式】
[0032]為能進一步公開本發明的
【發明內容】
、特點及功效，特例舉以下實例并結合附圖1-2進行詳細說明如下:
[0033]異質結熱光伏電池的制備方法，其特點是:包括以下制備步驟:
[0034]步驟I在基區上面依次生長發射區、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層襯底作為基區置于MOCVD設備中，在P-Ge層襯底上面生長出厚度小于500nm較寬禁帶寬度的n_GaxInyP層作為發射區，其中x=0.4 ?0.8, y=l-x ；
[0036]⑵在n-GaxInyP層上面外延生長30nm?100nm厚作為制作電極接觸層用的重摻雜n_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，對上電極和電極接觸層腐蝕出柵線，直至腐蝕到露出發射區n-GaxInyP層，完成腐蝕；沖洗、吹干后立即放入真空熱蒸發系統中；
[0042]步驟4制作光學減反射層
[0043]在步驟3腐蝕后露出的發射區面蒸鍍1nm-1OOOnm厚作為光學減反射層的硫化鋅、氟化鎂、氧化鋁、氧化鈦或氧化硅之一種或復數種材料層；
[0044]步驟5在基區下面蒸鍍下電極
[0045]在作為基區的p-Ge層襯底下