一种带有渐变隧穿结的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技术领域，具体涉及一种带有渐变隧穿结的砷化镓太阳电池及其制作方法。


背景技术：

2.由于具有转换效率高、抗辐照性能强及温度系数小等优势，三结砷化镓太阳电池被广泛应用于各类航天设备，为这些设备提供源源不断的能源供应。三结砷化镓太阳电池是由顶、中、底三结子电池，通过隧穿结串联而成，隧穿结隧穿性能的好坏，将会直接影响三结砷化镓太阳电池的性能。目前常用的隧穿结一般采用n-gaas/p-gaas或者n-gainp/p-algaas结构。对于n-gaas/p-gaas隧穿结，制作方法简单，但会存在吸光现象，降低太阳电池的电流密度；对于n-gainp/p-algaas，该结构隧穿电流高，且透光，是目前商业化中使用最多的结构，但该结构存在的问题是在gainp上生长algaas时，p/as会发生扩散的现象，生产工艺窗口窄，如果控制不好，容易降低顶电池的晶体质量，使产品失效。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提供一种带有渐变隧穿结的砷化镓太阳电池及其制作方法，通过采用渐变隧穿结结构，不仅可以提升隧穿结的隧穿能力，降低隧穿结两侧的压降，提升太阳电池性能，同时可减少隧穿结的吸光能力，提升中电池的电流密度，还可以改善隧穿结界面的晶体质量，提高太阳电池产品的稳定性。
4.本发明提供一种带有渐变隧穿结的砷化镓太阳电池，所述砷化镓太阳电池自下向上依次为ge衬底、底电池、缓冲层、第一隧穿结、dbr（分布式布拉格反射器）、中电池、第二隧穿结、顶电池和盖帽层；所述第一隧穿结和所述第二隧穿结结构相同，均采用渐变隧穿结结构n

al
x1
ga
y1
inp/p

al
x2
ga
y2
as，其中x1、y1的范围为0-0.51，x2的范围为0-0.5，y2的范围为0.5-1。
5.本技术方案中的渐变隧穿结采用宽带隙的隧穿结材料n

al
x1
ga
y1
inp/p

al
x2
ga
y2
as，不仅可以提升带隙，改善界面晶体质量及降低吸光几率，还可以达到提升太阳电池产品性能和稳定性的目的。
6.进一步的，上述技术方案中，所述n

al
x1
ga
y1
inp结构为渐变结构，其中al组分x1由0.51渐变至0，ga组分y1由0渐变至0.51，所述n

al
x1
ga
y1
inp的总厚度为0.02-0.04μm，掺杂浓度大于2
×
10
19
/cm3，掺杂剂为te、se、si中的一种或者多种组合。
7.进一步的，上述技术方案中，所述p

al
x2
ga
y2
as结构为渐变结构，先生长gaas，然后al组分x2由0渐变至0.5，ga组分y2由1渐变至0.5，所述p

al
x2
ga
y2
as的总厚度为0.02-0.04μm，掺杂浓度大于5
×
10
19
/cm3，掺杂剂为mg、zn、c中的一种或者多种组合。
8.本发明采用渐变隧穿结结构，在渐变过程中，隧穿结的两边带隙最大，中间部分的带隙最小，容易发生载流子的波函数交叠，可提升隧穿能力；采用宽带隙材料，降低吸收几
率，提升电流密度。另外，由于在材料生长时，p/as界面容易发生扩散现象，造成外延材料晶体质量下降，严重时会变成非晶，尤其是生长含有高al组分的algaas时。而采用渐变结构，初始生长gaas材料，可以有效避免这种情况的发生，改善隧穿结生长的工艺窗口，有效提高隧穿结界面的晶体质量，提高太阳电池产品的稳定性。
9.进一步的，上述技术方案中，所述dbr由20-40对algaas/gaas结构组成，每对algaas/gaas结构中algaas层和gaas层的厚度均根据λ/4n计算，其中850nm≤λ≤920nm，n为对应algaas或者gaas材料的折射率；所述algaas中al摩尔组分为50-90%。
10.本发明还提供一种带有渐变隧穿结的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，高温下通过ph3扩散的形式，形成底电池发射区，然后生长gainp成核层并作为底电池的窗口层；s2.在所述底电池上生长缓冲层；s3.在所述缓冲层上生长n

al
x1
ga
y1
inp/p

al
x2
ga
y2
as第一隧穿结；s4.在所述第一隧穿结上生长dbr；s5.在所述dbr上生长中电池；s6.在所述中电池上生长n

al
x1
ga
y1
inp/p

al
x2
ga
y2
as第二隧穿结；s7.在所述第二隧穿结上生长顶电池；s8在所述顶电池上生长盖帽层。
11.本发明通过优化隧穿结结构为n

al
x1
ga
y1
inp/p

al
x2
ga
y2
as，可提升隧穿结的隧穿能力，降低隧穿结两侧的压降，提升太阳电池性能，同时减少隧穿结的吸光能力，提升中电池的电流密度，另外还可以改善隧穿结界面的晶体质量，提高太阳电池产品的稳定性。
12.进一步的，上述技术方案s2中，所述缓冲层的结构为in
0.01
gaas，厚度为0.1-0.8μm。
13.进一步的，上述技术方案s5中，所述中电池材料自下向上依次包括algaas背电场、in
0.01
gaas基区、in
0.01
gaas发射区、alinp或gainp窗口层；其中，所述algaas背电场的厚度为0.05-0.1μm，所述in
0.01
gaas基区和in
0.01
gaas发射区的总厚度为1.4-2.2μm，所述alinp或gainp窗口层的厚度均为0.05-0.2μm。
14.进一步的，上述技术方案s7中，所述顶电池晶格常数与所述中电池相匹配，自下向上依次包括algainp背电场、gainp基区、gainp发射区和alinp窗口层；其中，所述algainp中al的组分为0.3-0.8，厚度为0.02-0.10μm，所述gainp基区和发射区的总厚度为0.5-1μm，所述alinp窗口层厚度为0.05-0.1μm。
15.进一步的，上述技术方案s8中，所述盖帽层的结构为in
0.01
gaas，厚度为0.4-0.8μm。
16.本发明与现有技术相比，其有益效果有：本发明通过采用渐变隧穿结结构（n

al
x1
ga
y1
inp/p

al
x2
ga
y2
as），可提高隧穿结的掺杂浓度，提升隧穿能力；采用宽带隙材料，降低隧穿结两侧的压降，提升太阳电池性能，同时可减少隧穿结的吸光能力，提升中电池的电流密度；还可以改善隧穿结界面的晶体质量，提高太阳电池产品的性能和稳定性。
附图说明
17.图1为本发明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
18.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。
19.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。
20.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。
21.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。
22.图1为本发明一种带有渐变隧穿结的砷化镓太阳电池的结构示意图，自下向上依次为ge衬底、底电池、缓冲层、第一隧穿结、dbr、中电池、第二隧穿结、顶电池和盖帽层；其中，第一隧穿结和第二隧穿结的结构相同，均采用渐变隧穿结结构n

al
x1
ga
y1
inp/p

al
x2
ga
y2
as,其中x1、y1的范围为0-0.51，x2的范围为0-0.5，y2的范围为0.5-1。
23.本发明还提供一种带有渐变隧穿结的砷化镓太阳电池的制作方法，包括以下具体步骤：s1.在p型ge衬底上，高温下通过ph3扩散的形式，形成底电池发射区，然后生长gainp成核层，同时该成核层作为底电池的窗口层；s2.在所述底电池上生长缓冲层；具体地，缓冲层结构为in
0.01
gaas，厚度为0.1-0.8μm；s3.在所述缓冲层上生长n

al
x1
ga
y1
inp/p

al
x2
ga
y2
as第一隧穿结；具体地，所述第一隧穿结为n

al
x1
ga
y1
inp/p

al
x2
ga
y2
as结构，示意图如图2所示，其中，n

al
x1
ga
y1
inp为渐变结构，al组分x1由0.51渐变至0，ga组分y1由0渐变至0.51，n

al
x1
ga
y1
inp的总厚度在0.02-0.04μm之间，掺杂浓度大于2
×
10
19
/cm3，掺杂剂为te、se、si其中的一种或者多种组合；p

al
x2
ga
y2
as为渐变结构，先生长0.001-0.002μm的gaas，然后al组分x2由0渐变至0.5，ga组分y2由1渐变至0.5，p

al
x2
ga
y2
as的总厚度在0.02-0.04μm之间，掺
杂浓度大于5
×
10
19
/cm3，掺杂剂为mg、zn、c中的一种或者多种组合；s4.在所述第一隧穿结上生长dbr；具体地，br由20-40对algaas/gaas结构组成，每对algaas/gaas结构中algaas层和gaas层的厚度均根据λ/4n计算，其中850nm≤λ≤920nm，n为对应algaas或者gaas材料的折射率；algaas中al摩尔组分为50-90%；s5.在所述dbr上生长中电池；具体地，中电池材料包括厚度为0.05-0.1μm的algaas背电场，总厚度为1.4-2.2μm的in
0.01
gaas基区和发射区，以及厚度为0.05-0.2μm的alinp或gainp窗口层；s6.在所述中电池上生长n

al
x1
ga
y1
inp/p

al
x2
ga
y2
as第二隧穿结；具体地，第二隧穿结为n

al
x1
ga
y1
inp/p

al
x2
ga
y2
as结构，示意图如图2所示，其中，n

al
x1
ga
y1
inp为渐变结构，al组分x1由0.51渐变至0，ga组分y1由0渐变至0.51，n

al
x1
ga
y1
inp的总厚度在0.02-0.04μm之间，掺杂浓度大于2
×
10
19
/cm3，掺杂剂为te、se、si中的一种或者多种组合；p

al
x2
ga
y2
as为渐变结构，先生长0.001-0.002μm的gaas，然后al组分x2由0渐变至0.5，ga组分y2由1渐变至0.5，p

al
x2
ga
y2
as的总厚度在0.02-0.04μm之间，掺杂浓度大于5
×
10
19
/cm3，掺杂剂为mg、zn、c中的一种或者多种组合；s7.在所述第二隧穿结上生长顶电池；具体地，所述顶电池的晶格常数与中电池相匹配，自下而上依次包括algainp背电场、gainp基区、gainp发射区及alinp窗口层。其中，algainp背电场中al的组分在0.3-0.8之间，厚度在0.02-0.10μm之间，gainp基区及发射区的总厚度在0.5-1μm之间，alinp窗口层厚度在0.05-0.1μm之间；s8在所述顶电池上生长盖帽层；具体地，盖帽层的结构为in
0.01
gaas，厚度在0.4-0.8μm之间。
24.实施例1一种带有渐变隧穿结的砷化镓太阳电池，自下向上依次为ge衬底、底电池、缓冲层、第一隧穿结、dbr、中电池、第二隧穿结、顶电池和盖帽层；其中，第一隧穿结和第二隧穿结结构相同，均采用渐变隧穿结结构。
25.所述砷化镓太阳电池具体制作方法如下：s1.在p型ge衬底上，高温下通过ph3扩散的形式，形成底电池发射区，然后生长gainp成核层，该成核层同时作为底电池的窗口层；s2.然后在底电池上生长in
0.01
gaas缓冲层，其中in
0.01
gaas缓冲层厚度为0.1μm；s3.然后在缓冲层上生长第一隧穿结，所述第一隧穿结为n

al
x1
ga
y1
inp/p

al
x2
ga
y2
as结构，其中n

al
x1
ga
y1
inp为渐变结构，al组分x1由0.51渐变至0，ga组分y1由0渐变至0.51，n

al
x1
ga
y1
inp总厚度为0.02μm，掺杂浓度为3
×
10
19
/cm3，掺杂剂为te、se、si组合；p

al
x2
ga
y2
as为渐变结构，先生长0.001μm的gaas，然后al组分x2由0渐变至0.5，ga组分y2由1渐变至0.5，p

al
x2
ga
y2
as总厚度为0.02μm，掺杂浓度6
×
10
19
/cm3，掺杂剂为mg、zn、c组合；s4.然后在第一隧穿结上生长dbr，所述dbr由20对algaas/gaas结构组成，每对algaas/gaas结构中algaas层和gaas层的厚度均根据λ/4n计算，其中λ为850nm，n为对应algaas或者gaas材料的折射率；algaas中al摩尔组分为50%；s5.然后在dbr上生长中电池。其中，中电池材料包括厚度为0.08μm的algaas背电场，总厚度为1.4μm的in
0.01
gaas基区和发射区，厚度为0.05μm的alinp窗口层；
s6.然后在中电池上生长第二隧穿结，所述第二隧穿结为n

al
x1
ga
y1
inp/p

al
x2
ga
y2
as结构，其中n

al
x1
ga
y1
inp为渐变结构，al组分x1由0.51渐变至0，ga组分y1由0渐变至0.51，n

al
x1
ga
y1
inp总厚度为0.02μm，掺杂浓度为3
×
10
19
/cm3，掺杂剂为te、se、si组合；p

al
x2
ga
y2
as为渐变结构，先生长0.001μm的gaas，然后al组分x2由0渐变至0.5，ga组分y2由1渐变至0.5，p

al
x2
ga
y2
as总厚度为0.02μm，掺杂浓度6
×
10
19
/cm3，掺杂剂为mg、zn、c组合；s7.然后生长顶电池，所述顶电池晶格常数与中电池相匹配，自下而上包括algainp背电场、gainp基区、gainp发射区及alinp窗口层。其中，algainp中al的组分为0.3，厚度在0.02μm，gainp基区及发射区的总厚度为0.5μm，alinp窗口层厚度为0.05μm；s8.最后生长in
0.01
gaas盖帽层,厚度为0.4μm。
26.实施例2一种带有渐变隧穿结的砷化镓太阳电池，自下向上依次为ge衬底、底电池、缓冲层、第一隧穿结、dbr、中电池、第二隧穿结、顶电池和盖帽层；其中，第一隧穿结和第二隧穿结结构相同，均采用渐变隧穿结结构。
27.所述砷化镓太阳电池具体制作方法如下：s1.在p型ge衬底上，高温下通过ph3扩散的形式，形成底电池发射区，然后生长gainp成核层，该成核层同时作为底电池的窗口层；s2.然后在底电池上生长in
0.01
gaas缓冲层，其中in
0.01
gaas缓冲层厚度为0.5μm；s3.然后在缓冲层上生长第一隧穿结，所述第一隧穿结为n

al
x1
ga
y1
inp/p

al
x2
ga
y2
as结构，其中n

al
x1
ga
y1
inp为渐变结构，al组分x1由0.51渐变至0，ga组分y1由0渐变至0.51，n

al
x1
ga
y1
inp总厚度为0.03μm，掺杂浓度为4
×
10
19
/cm3，掺杂剂为te、si组合；p

al
x2
ga
y2
as为渐变结构，先生长0.002μm的gaas，然后al组分x2由0渐变至0.5，ga组分y2由1渐变至0.5，p

al
x2
ga
y2
as总厚度为0.03μm，掺杂浓度1
×
10
20
/cm3，掺杂剂为mg、c组合；s4.然后在第一隧穿结上生长dbr，所述dbr由25对algaas/gaas结构组成，每对algaas/gaas结构中algaas层和gaas层的厚度均根据λ/4n计算，其中λ为900nm，n为对应algaas或者gaas材料的折射率；algaas中al摩尔组分为80%；s5.然后在dbr上生长中电池。其中，中电池材料包括厚度为0.05μm的algaas背电场，总厚度为1.8μm的in0.01gaas基区和发射区，厚度为0.08μm的alinp窗口层；s6.然后在中电池上生长第二隧穿结，所述第二隧穿结为n

al
x1
ga
y1
inp/p

al
x2
ga
y2
as结构，其中n

al
x1
ga
y1
inp为渐变结构，al组分x1由0.51渐变至0，ga组分y1由0渐变至0.51，n

al
x1
ga
y1
inp总厚度为0.03μm，掺杂浓度为4
×
10
19
/cm3，掺杂剂为te、si组合；p

al
x2
ga
y2
as为渐变结构，先生长0.002μm的gaas，然后al组分x2由0渐变至0.5，ga组分y2由1渐变至0.5，p

al
x2
ga
y2
as总厚度为0.03μm，掺杂浓度1
×
10
20
/cm3，掺杂剂为mg、c组合；s7.然后生长顶电池，所述顶电池晶格常数与中电池相匹配，自下而上包括algainp背电场、gainp基区、gainp发射区及alinp窗口层。其中，algainp中al的组分为0.5，厚度在0.08μm，gainp基区及发射区的总厚度为0.65μm，alinp窗口层厚度为0.06μm；s8.最后生长in
0.01
gaas盖帽层,厚度为0.7μm。
28.实施例3一种带有渐变隧穿结的砷化镓太阳电池，自下向上依次为ge衬底、底电池、缓冲
层、第一隧穿结、dbr、中电池、第二隧穿结、顶电池和盖帽层；其中，第一隧穿结和第二隧穿结结构相同，均采用渐变隧穿结结构。
29.所述砷化镓太阳电池具体制作方法如下：s1.在p型ge衬底上，高温下通过ph3扩散的形式，形成底电池发射区，然后生长gainp成核层，该成核层同时作为底电池的窗口层；s2.然后在底电池上生长in
0.01
gaas缓冲层，其中in
0.01
gaas缓冲层厚度为0.8μm；s3.然后在缓冲层上生长第一隧穿结，所述第一隧穿结为n

al
x1
ga
y1
inp/p

al
x2
ga
y2
as结构，其中n

al
x1
ga
y1
inp为渐变结构，al组分x1由0.51渐变至0，ga组分y1由0渐变至0.51，n

al
x1
ga
y1
inp总厚度为0.04μm，掺杂浓度为5
×
10
19
/cm3，掺杂剂为se；p

al
x2
ga
y2
as为渐变结构，先生长0.002μm的gaas，然后al组分x2由0渐变至0.5，ga组分y2由1渐变至0.5，p

al
x2
ga
y2
as总厚度为0.04μm，掺杂浓度2
×
10
20
/cm3，掺杂剂为zn；s4.然后在第一隧穿结上生长dbr，所述dbr由40对algaas/gaas结构组成，每对algaas/gaas结构中algaas层和gaas层的厚度均根据λ/4n计算，其中λ为920nm，n为对应algaas或者gaas材料的折射率；algaas中al摩尔组分为90%；s5.然后在dbr上生长中电池。其中，中电池材料包括厚度为0.1μm的algaas背电场，总厚度为2.2μm的in
0.01
gaas基区和发射区，厚度为0.2μm的alinp窗口层；s6.然后在中电池上生长第二隧穿结，所述第二隧穿结为n

al
x1
ga
y1
inp/p

al
x2
ga
y2
as结构，其中n

al
x1
ga
y1
inp为渐变结构，al组分x1由0.51渐变至0，ga组分y1由0渐变至0.51，n

al
x1
ga
y1
inp总厚度为0.04μm，掺杂浓度为5
×
10
19
/cm3，掺杂剂为se；p

al
x2
ga
y2
as为渐变结构，先生长0.002μm的gaas，然后al组分x2由0渐变至0.5，ga组分y2由1渐变至0.5，p

al
x2
ga
y2
as总厚度为0.04μm，掺杂浓度2
×
10
20
/cm3，掺杂剂为zn；s7.然后生长顶电池，所述顶电池晶格常数与中电池相匹配，自下而上包括algainp背电场、gainp基区、gainp发射区及alinp窗口层。其中，algainp中al的组分为0.8，厚度在0.1μm，gainp基区及发射区的总厚度为1μm，alinp窗口层厚度为0.1μm；s8.最后生长in
0.01
gaas盖帽层,厚度为0.8μm。
30.综上所述，本发明采用n

al
x1
ga
y1
inp/p

al
x2
ga
y2
as渐变隧穿结结构，可提高隧穿结的掺杂浓度，提升隧穿能力；采用宽带隙材料，降低隧穿结两侧的压降，提升太阳电池性能，同时可减少隧穿结的吸光能力，提升中电池的电流密度；还可以改善隧穿结界面的晶体质量，提高太阳电池产品的性能和稳定性。
31.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。