一种改善型三结砷化镓太阳电池及其制作方法与流程

1.本发明涉及砷化镓太阳电池结构技术领域，具体是涉及一种改善型三结砷化镓太阳电池及其制作方法。


背景技术：

2.三结砷化镓（gaas）太阳电池以其高转换效率、材料晶格匹配易于实现和优良的可靠性等优势已经在太空领域得到了广泛的应用。自2002年起，国外发达国家的空间飞行器已经全部采用砷化镓三结太阳电池作为空间飞行器的主电源，国内空间飞行器使用的主电源也正在从传统的硅太阳电池向高效砷化镓三结太阳电池过渡，其批产转换效率已经达到29.5
‑
29.8%（am0），在轨量超过850kw。在砷化镓多结太阳电池结构中，不同子电池之间通过隧穿结串联在一起。随着技术的不断进度，隧穿结的材料由早期的algaas/algaas，逐渐发展为宽禁带异质结（gainp/algaas）的隧穿结，可显著提高隧穿电流，改善太阳电池的性能。但随着科技的不断进度，对太阳电池的要求越来越高，需要进一步提升隧穿结的隧穿性能和可靠性能，使太阳电池的光电性能及可靠性能不断提升，以满足各种航天任务的顺利执行。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种改善型三结砷化镓太阳电池及其制作方法，该太阳电池隧穿结采用多异质结隧穿结，可明显提高隧穿电流，降低隧穿结处的压降，同时可增强隧穿结的辐照性能，改善产品可靠性。
4.本发明提供的一种改善型三结砷化镓太阳电池，自下而上依次为ge衬底、ge底电池、gaas缓冲层、第一隧穿结、dbr（分布式布拉格反射器）、ingaas中电池、第二隧穿结、gainp顶电池；其中，所述第一隧穿结和所述第二隧穿结结构相同，为algainp/inp/algaasp/algainp多异质结结构。
5.本技术方案采用algainp/inp/algaasp/algainp隧穿结构，可明显提高隧穿电流，降低隧穿结处的压降，同时还可以增强隧穿结的辐照性能，改善产品的可靠性。
6.进一步的，上述方案中所述ge底电池由下至上依次包括p
‑
ge基区、n
‑
ge发射区和gainp成核层；所述n
‑
ge发射区厚度为0.1
‑
0.3μm，所述gainp成核层厚度为0.03
‑
0.10μm。
7.进一步的，上述方案中所述gaas缓冲层的厚度为0.2
‑
0.6μm，掺杂浓度大于5
×
10
16
/cm3。
8.进一步的，上述方案中所述多异质结结构为n

algainp/n

inp/p

algaas
x
p/p

algainp，其中，n

algainp层厚度为10
‑
20nm，n

inp层厚度为1
‑
10nm，p

algaas
x
p层厚度为1
‑
10nm，p

algainp层厚度为10
‑
20nm；所述algaas
x
p中x的范围为0<x<0.5。
9.进一步的，上述方案中所述多异质结结构中n型材料的掺杂剂为te、se、si其中的一种或多种的组合，掺杂浓度3
×
10
18
‑3×
10
19
/cm3；p型材料的掺杂剂为mg、zn、c其中的一种
或多种的组合，掺杂浓度要求2
×
10
19
‑8×
10
19
/cm3。
10.进一步的，上述方案中所述dbr由15
‑
30对algaas/ingaas结构组成，每对algaas/ingaas结构中algaas层和ingaas层的厚度均根据λ/4n计算，其中，λ为dbr反射的中心波长，其范围为850nm≤λ≤920nm，n为对应algaas或者ingaas材料的折射率；所述algaas中al摩尔组分为70%
‑
90%；所述ingaas中in的摩尔组分为1%。
11.进一步的，上述方案中所述ingaas中电池由下至上依次包括algaas背电场、ingaas基区、ingaas发射区、alinp或gainp窗口层，所述ingaas中电池的禁带宽度为1.4ev，其中，algaas背电场厚度为0.05
‑
0.1μm，ingaas基区厚度为1.5
‑
2.5μm，ingaas发射区厚度为0.1
‑
0.2μm，alinp或gainp窗口层厚度为0.05
‑
0.15μm。
12.进一步的，上述方案中所述gainp顶电池由下至上依次包括algainp背电场、gainp基区、gainp发射区、alinp窗口层及gaas盖帽层。
13.进一步的，上述方案中所述gainp基区和gainp发射区的禁带宽度为1.8
‑
1.9ev，其中，algainp背电场、gainp基区与gainp发射区的总厚度为0.5
‑
1μm，alinp窗口层厚度为0.02
‑
0.05μm，gaas盖帽层厚度为0.3
‑
0.7μm。
14.本发明还提供一种改善型三结砷化镓太阳电池的制作方法，包括以下步骤：s1.在p型ge衬底上通过ph3扩散形成n
‑
ge发射区，然后生长gainp成核层，所述gainp成核层同时作为ge底电池的窗口层；s2.在ge底电池上生长gaas缓冲层；s3.在gaas缓冲层上生长n

algainp/n

inp/p

algaas
x
p/p

algainp第一隧穿结；s4.在第一隧穿结上生长dbr；s5.在dbr上生长ingaas中电池；s6.在ingaas中电池上生长n

algainp/n

inp/p

algaas
x
p/p

algainp第二隧穿结；s7.在第二隧穿结上生长gainp顶电池。
15.本发明与现有技术相比，其有益效果有：1.本发明的多异质结隧穿结采用窄带隙的inp作为隧穿工作区，由于窄带隙inp阱的存在，可附加共振隧穿效应，提高载流子的隧穿效果，增加隧穿电流，降低隧穿压降，提升太阳电池产品的填充因子和开路电压；2.同时，由于inp的抗辐照性能强，并且在inp材料中，辐照粒子产生的缺陷更容易恢复，使得该隧穿结构可以提升整个太阳电池产品的的辐照性能；3.本发明采用多异质结隧穿结，以algainp/inp/algaasp/algainp为隧穿结构，可明显提高隧穿电流，降低隧穿结处的压降，同时增强隧穿结的辐照性能，改善产品的可靠性；该改善型三结砷化镓太阳电池可应用于航空航天领域。
附图说明
16.图1为本发明三结砷化镓太阳电池的结构示意图；图2为本发明第一隧穿结和第二隧穿结的结构示意图。
具体实施方式
17.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本技术及其应用或使用的任何限制。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
18.在本技术的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。
19.在本技术的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
20.请参阅图1至图2，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
21.图1为本发明一种改善型三结砷化镓太阳电池的结构示意图，自下而上依次为ge衬底、ge底电池、gaas缓冲层、第一隧穿结、dbr、ingaas中电池、第二隧穿结、gainp顶电池。其中，第一隧穿结与第二隧穿结结构相同，均为algainp/inp/algaasp/algainp多异质结结构。
22.本发明提供一种改善型三结砷化镓太阳电池的制作方法，具体包括以下步骤：s1.所述ge底电池、ingaas中电池和gainp顶电池为三结子电池，由下至上依次排列。
23.s2.在所述ge底电池与ingaas中电池之间通过第一隧穿结连接。
24.s3.在所述ingaas中电池与gainp顶电池之间通过第二隧穿结连接。
25.s4.在所述ge底电池下层还设有p型接触层，所述p型接触层为p型ge衬底。
26.s5.作为优化，所述ge底电池由下至上依次包括p
‑
ge基区、n
‑
ge发射区和gainp成核层；在所述p型接触层表面通过ph3扩散形成n
‑
ge发射区，p
‑
ge基区为p型接触层和n
‑
ge发射区的过渡区，p
‑
ge基区作为底电池的基区；所述n
‑
ge发射区厚度为0.1
‑
0.3μm，所述gainp成核层厚度为0.03
‑
0.10μm。
27.s6.作为优化，所述gaas缓冲层，厚度为0.2
‑
0.6μm，掺杂浓度大于5
×
10
16
。
28.s7.作为优化，所述第一隧穿结为n

algainp/n

inp/p

algaas
x
p/p

algainp，如图2所示，其中，n

algainp层厚度为10
‑
20nm，n

inp层厚度为1
‑
10nm，p

algaas
x
p层厚度为1
‑
10nm，p

algainp层厚度为10
‑
20nm，algaas
x
p中x的范围为0<x<0.5；n型材料的掺杂剂为te、se、si中的一种或多种的组合，掺杂浓度3
×
10
18
‑3×
10
19
/cm3；p型材料的掺杂剂为mg、zn、c中的一种或多种的组合，掺杂浓度要求2
×
10
19
‑8×
10
19
/cm3。
29.s8.作为优化，在所述第一隧穿结与ingaas中电池间设有dbr，所述dbr由15
‑
30对
algaas/ingaas结构组成，每对algaas/ingaas结构中algaas层和ingaas层的厚度均根据λ/4n计算，其中，850nm≤λ≤920nm，n为对应algaas或者ingaas材料的折射率；algaas中al摩尔组分为70%
‑
90%；ingaas中in的摩尔组分为1%。
30.s9.作为优化，所述ingaas中电池由下至上依次包括algaas 背电场、ingaas基区、ingaas发射区、alinp或gainp窗口层，所述中电池禁带宽度为1.4ev，其中，algaas背电场厚度为0.05
‑
0.1μm，ingaas基区厚度为1.5
‑
2.5μm，ingaas发射区厚度为0.1
‑
0.2μm，alinp或gainp窗口层厚度为0.05
‑
0.15μm。
31.s10.作为优化，所述第二隧穿结为n

algainp/n

inp/p

algaas
x
p/p

algainp，如图2所示，其中，n

algainp层厚度为10
‑
20nm，n

inp层厚度为1
‑
10nm，p

algaas
x
p层厚度为1
‑
10nm，p

algainp层厚度为10
‑
20nm，algaas
x
p中x的范围为0<x<0.5；n型材料的掺杂剂为te、se、si中的一种或多种的组合，掺杂浓度3
×
10
18
‑3×
10
19
/cm3；p型材料的掺杂剂为mg、zn、c中的一种或多种的组合，掺杂浓度要求为2
×
10
19
‑8×
10
19
/cm3。
32.s11.作为优化，所述gainp顶电池由下至上依次包括algainp背电场、gainp基区、gainp发射区、alinp窗口层及gaas盖帽层，所述gainp顶电池的gainp基区及gainp发射区的禁带宽度为1.8
‑
1.9ev，其中，algainp背电场、gainp基区与gainp发射区的总厚度为0.5
‑
1μm，alinp窗口层厚度为0.02
‑
0.05μm，gaas盖帽层厚度为0.3
‑
0.7μm。
33.实施例1一种改善型三结砷化镓太阳电池的制作方法，具体包括以下步骤：s1.在p型ge衬底上通过ph3扩散形成n
‑
ge发射区，厚度为0.2μm，然后生长gainp成核层，厚度为0.05μm，gainp成核层同时作为底电池的窗口层。
34.s2.在ge底电池上生长gaas缓冲层，厚度为0.4μm，掺杂浓度1
×
10
18
/cm3。
35.s3.在gaas缓冲层上生长第一隧穿结，其结构为n

algainp/n

inp/p

algaas
0.1
p/p

algainp，其中，n

algainp层厚度为15nm，n

inp层厚度为3nm，p

algaas
0.1
p层厚度为3nm，p

algainp层厚度为15nm；n型材料的掺杂剂为si，掺杂浓度为4
×
10
18
/cm3；p型材料的掺杂剂为c，掺杂浓度为3
×
10
19
/cm3。
36.s4.在第一隧穿结上生长dbr，dbr由20对al
0.7
ga
0.3
as/in
0.01
gaas结构组成，每对al
0.7
ga
0.3
as/in
0.01
gaas结构中al
0.7
ga
0.3
as层和in
0.01
gaas层的厚度均根据λ/4n计算，其中850nm≤λ≤920nm，n为对应al
0.7
ga
0.3
as或者in
0.01
gaas材料的折射率。
37.s5.在dbr上生长ingaas中电池，由下至上依次生长al
0.4
ga
0.6
as背电场、in
0.01
gaas基区、in
0.01
gaas发射区、alinp窗口层，其中，al
0.4
ga
0.6
as背电场厚度为0.08μm，in
0.01
gaas基区厚度为1.7μm，in
0.01
gaas发射区厚度为0.15μm，alinp窗口层厚度为0.08μm。
38.s6.在ingaas中电池上生长第二隧穿结，其结构为n

algainp/n

inp/p

algaas
0.1
p/p

algainp，其中，n

algainp层厚度为15nm，n

inp层厚度为3nm，p

algaas
0.1
p层厚度为3nm，p

algainp层厚度为15nm。n型材料的掺杂剂为te、si的组合，掺杂浓度为2.5
×
10
19
/cm3；p型材料的掺杂剂为mg、c的组合，掺杂浓度为6
×
10
19
/cm3。
39.s7.在第二隧穿结上生长gainp顶电池，由下至上依次生长al
0.25
ga
0.25
inp背电场、gainp基区、gainp发射区、alinp窗口层及gaas盖帽层，gainp顶电池的gainp基区及发射区的禁带宽度为1.9ev，其中，algainp背电场、gainp基区与gainp发射区的总厚度为0.65μm，alinp窗口层厚度为0.04μm，gaas盖帽层厚度为0.6μm。
40.实施例2一种改善型三结砷化镓太阳电池的制作方法，具体包括以下步骤：s1.在p型ge衬底上通过ph3扩散形成n
‑
ge发射区，厚度为0.2μm，然后生长gainp成核层，厚度为0.04μm，gainp成核层同时作为底电池的窗口层。
41.s2.在ge底电池上生长gaas缓冲层，厚度为0.5μm，掺杂浓度1
×
10
18
/cm3。
42.s3.在gaas缓冲层上生长第一隧穿结，其结构为n

algainp/n

inp/p

algaas
0.3
p/p

algainp，其中，n

algainp层厚度为15nm，n

inp层厚度为5nm，p

algaas
0.3
p层厚度为5.5nm，p

algainp层厚度为15nm；n型材料的掺杂剂为si，掺杂浓度为5
×
10
18
/cm3；p型材料的掺杂剂为c，掺杂浓度为5
×
10
19
/cm3。
43.s4.在第一隧穿结上生长dbr，dbr由18对al
0.8
ga
0.2
as/in
0.01
gaas结构组成，每对al
0.8
ga
0.2
as/in
0.01
gaas结构中al
0.8
ga
0.2
as层和in
0.01
gaas层的厚度均根据λ/4n计算，其中850nm≤λ≤920nm，n为对应al
0.8
ga
0.2
as或者in
0.01
gaas材料的折射率。
44.s5.在dbr上生长ingaas中电池，由下至上依次生长al
0.35
ga
0.65
as背电场、in
0.01
gaas基区、in
0.01
gaas发射区、alinp窗口层，其中，al
0.35
ga
0.65
as背电场厚度为0.08μm，in
0.01
gaas基区厚度为1.8μm，in
0.01
gaas发射区厚度为0.13μm，alinp窗口层厚度为0.1μm。
45.s6.在ingaas中电池上生长第二隧穿结，其结构为n

algainp/n

inp/p

algaas
0.3
p/p

algainp，其中，n

algainp层厚度为15nm，n

inp层厚度为5nm，p

algaas
0.3
p层厚度为5.5nm，p

algainp层厚度为15nm。n型材料的掺杂剂为te、si的组合，掺杂浓度为2
×
10
19
/cm3；p型材料的掺杂剂为mg、c的组合，掺杂浓度为4
×
10
19
/cm3。
46.s7.在第二隧穿结上生长gainp顶电池，由下至上依次生长al
0.35
ga
0.15
inp背电场、gainp基区、gainp发射区、alinp窗口层及gaas盖帽层，gainp顶电池的gainp基区及发射区的禁带宽度为1.9ev，其中，algainp背电场、gainp基区与gainp发射区的总厚度为0.55μm，alinp窗口层厚度为0.03μm，gaas盖帽层厚度为0.55μm。
47.实施例3一种改善型三结砷化镓太阳电池的制作方法，具体包括以下步骤：s1.在p型ge衬底上通过ph3扩散形成n
‑
ge发射区，厚度为0.18μm，然后生长gainp成核层，厚度为0.07μm，gainp成核层同时作为底电池的窗口层。
48.s2.在ge底电池上生长gaas缓冲层，厚度为0.55μm，掺杂浓度1.5
×
10
18
/cm3。
49.s3.在gaas缓冲层上生长第一隧穿结，其结构为n

algainp/n

inp/p

algaas
0.4
p/p

algainp，其中，n

algainp层厚度为18nm，n

inp层厚度为4nm，p

algaas
0.4
p层厚度为4nm，p

algainp层厚度为18nm；n型材料的掺杂剂为si，掺杂浓度为3.5
×
10
18
/cm3；p型材料的掺杂剂为c，掺杂浓度为4.5
×
10
19
/cm3。
50.s4.在第一隧穿结上生长dbr，dbr由16对al
0.9
ga
0.1
as/in
0.01
gaas结构组成，每对al
0.9
ga
0.1
as/in
0.01
gaas结构中al
0.9
ga
0.1
as层和in
0.01
gaas层的厚度均根据λ/4n计算，其中850nm≤λ≤920nm，n为对应al
0.9
ga
0.1
as或者in
0.01
gaas材料的折射率。
51.s5.在dbr上生长ingaas中电池，由下至上依次生长al
0.5
ga
0.5
as背电场、in
0.01
gaas基区、in
0.01
gaas发射区、alinp窗口层，其中，al
0.5
ga
0.5
as背电场厚度为0.1μm，in
0.01
gaas基区厚度为2μm，in
0.01
gaas发射区厚度为0.1μm，alinp窗口层厚度为0.12μm。
52.s6.在ingaas中电池上生长第二隧穿结，其结构为n

algainp/n

inp/p

algaas
0.4
p/p

algainp，其中，n

algainp层厚度为18nm，n

inp层厚度为4nm，p

algaas
0.4
p层厚度为4nm，p

algainp层厚度为18nm。n型材料的掺杂剂为si，掺杂浓度为8
×
10
18
/cm3；p型材料的掺杂剂为c，掺杂浓度为9
×
10
19
/cm3。
53.s7.在第二隧穿结上生长gainp顶电池，由下至上依次生长al
0.3
ga
0.2
inp背电场、gainp基区、gainp发射区、alinp窗口层及gaas盖帽层，gainp顶电池的gainp基区及发射区的禁带宽度为1.9ev，其中，algainp背电场、gainp基区与gainp发射区的总厚度为0.60μm，alinp窗口层厚度为0.035μm，gaas盖帽层厚度为0.5μm。
54.综上所述，本发明以algainp/inp/algaasp/algainp为多异质结隧穿结，采用窄带隙的inp作为隧穿工作区，由于窄带隙inp阱的存在，可附加共振隧穿效应，提高载流子的隧穿效果，增加隧穿电流，降低隧穿压降，提升太阳电池产品的填充因子和开路电压；同时，由于inp的抗辐照性能强，并且在inp材料中，辐照粒子产生的缺陷更容易恢复，使得该隧穿结构可以提升整个太阳电池产品的的辐照性能，可有效改善太阳电池的可靠性。
55.最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。