一种新型砷化镓太阳电池及制作方法与流程

1.本发明涉及太阳电池技术领域，具体涉及一种新型砷化镓太阳电池及制作方法。


背景技术：

2.与传统的硅（si）太阳电池相比，三结砷化镓（gainp/gaas/ge）太阳电池具有转换效率高、可靠性强及温度系数小等优点，已经被广泛应用到空间飞行器中，如深空探测器、各类卫星、载人飞船等，为这些航天设备提供源源不断的能源供应。常规的三结砷化镓太阳电池为晶格匹配型结构，工艺相对简单易实现，随着技术的不断进步，结构太阳电池的平均转换效率已经非常接近其半经验理论技术31.8%，为了进一步提升其光电性能，单纯的从材料质量及掺杂等方式提升的空间非常有限。为此，本技术人提供一种新型砷化镓太阳电池及制作方法，从光学的角度出发，提升太阳电池对太阳光的吸收率，进而提升该电池结构的转换效率。


技术实现要素：

3.基于现有技术的不足之处，本发明提供一种新型砷化镓太阳电池及制作方法，通过在靠近窗口层一侧采用含al的组分渐变有源区，可改善因不同材料之间折射率的不同而引起的反射情况，提高太阳光的吸收几率，并增加电池材料的带隙，进而增加开路电压；并且，由于al原子的原子键能强，可降低因高能粒子穿透引起的空位等缺陷，提升辐照性能。
4.基于此，本发明提供一种新型砷化镓太阳电池，所述太阳电池包括：衬底层；于所述衬底层依次外延生长的底电池、gaas缓冲层、第一隧穿结、第一dbr层、中电池、第二隧穿结、第二dbr层、顶电池和盖帽层；其中，所述中电池沿生长方向依次包括algaas背电场、ingaas基区、alingaas渐变基区、alingaas渐变发射区和gainp窗口层，所述alingaas渐变基区和所述alingaas渐变发射区组成alingaas分段式渐变结构；所述alingaas分段式渐变结构中，al组分y1：其中，y1为由gainp窗口层处沿中电池背电场方向x1处的al组分，d1为中电池基区与发射区厚度之和，al
x
为alingaas材料的al组分初始值，范围为70%～90%；in组分为0.01，ga组分为0.99-y1；所述顶电池沿生长方向依次包括algainp背电场、gainp基区、algainp渐变基区、algainp渐变发射区和alinp窗口层，所述algainp渐变基区和所述algainp渐变发射区组成algainp分段式渐变结构；所述algainp分段式渐变结构中al组分y2：
其中，y2为由alinp窗口层处沿顶电池背电场方向x2处的al组分，d2为顶电池基区与发射区厚度之和；in组分为0.5，ga组分为0.5-y2。
5.优选地，所述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；p-ge基区作为底电池的基区，是由p型ge衬底构成；于所述p型ge衬底表面通过ph3扩散形成n-ge发射区；所述n-ge发射区厚度0.1～0.3μm，所述gainp成核层厚度0.03～0.10μm。
6.优选地，所述gaas缓冲层，厚度为0.2～0.6μm，掺杂浓度大于5
×
10
16
/cm3。
7.优选地，所述第一隧穿结为n

gaas/ p

gaas；其中，n

gaas 厚度为10～30nm， p

gaas 厚度为10～30nm；n型材料的掺杂剂为te、se、si其中的一种或者多种组合，掺杂浓度3
×
10
18
～3
×
10
19
/cm3；p型材料的掺杂剂为mg、zn、c其中的一种或者多种组合，掺杂浓度要求2
×
10
19
～8
×
10
19
/cm3。
8.优选地，所述第一dbr层由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%。
9.优选地，在中电池中，algaas背电场厚度为0.05～0.1μm，基区和发射区总厚度为1.5～2.5μm，alingaas渐变发射区厚度为0.1～0.2μm，gainp窗口层厚度为0.05～0.15μm；alingaas分段式渐变结构厚度为0.6～1.7μm，并且ingaas基区厚度至少有1μm。
10.优选地，所述第二隧穿结为n

gainp/p

algaas；其中，n

gainp厚度 10～30nm，p

algaas 厚度为10～30nm；n型材料的掺杂剂为te、se、si其中的一种或者多种组合，掺杂浓度3
×
10
18
～3
×
10
19
/cm3；p型材料的掺杂剂为mg、zn、c其中的一种或者多种组合，掺杂浓度要求2
×
10
19
～8
×
10
19
/cm3。
11.优选地，所述第二dbr层由10～20对alinp/gainp结构组成，每对alinp/gainp结构中alinp层和gainp层的厚度均根据λ/4n计算，其中620nm≤λ≤690nm，n为对应alinp或者gainp材料的折射率。
12.优选地，顶电池中，algainp背电场厚度0.02～0.05μm，基区和发射区总厚度为0.6～1.2μm，alinp窗口层厚度为0.02～0.05μm；algainp分段式渐变结构厚度为0.2～0.8μm，同时需保证gainp基区厚度至少为0.4μm。
13.优选地，所述盖帽层为gaas，厚度为0.3～0.7μm，掺杂浓度大于2
×
10
18
/cm3。
14.本发明还提供上述一种新型砷化镓太阳电池的制备方法，包括以下步骤：提供一p型ge衬底；于所述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，gainp成核层同时作为底电池的窗口层；于所述底电池上依次外延生长gaas缓冲层、第一隧穿结、第一dbr层、中电池、第二隧穿结、第二dbr层、顶电池和盖帽层；所述中电池沿生长方向依次包括algaas背电场、ingaas基区、alingaas渐变基区、alingaas渐变发射区和gainp窗口层，所述alingaas渐变基区和所述alingaas渐变发射区组成alingaas分段式渐变结构；
所述alingaas分段式渐变结构中，al组分y1：其中，y1为由gainp窗口层处沿中电池背电场方向x1处的al组分，d1为中电池基区与发射区厚度之和，al
x
为alingaas材料的al组分初始值，范围为70%～90%；in组分为0.01，ga组分为0.99-y1；所述顶电池沿生长方向依次包括algainp背电场、gainp基区、algainp渐变基区、algainp渐变发射区和alinp窗口层，所述algainp渐变基区和所述algainp渐变发射区组成algainp分段式渐变结构；所述algainp分段式渐变结构中al组分y2：其中，y2为由alinp窗口层处沿顶电池背电场方向x2处的al组分，d2为顶电池基区与发射区厚度之和；in组分为0.5，ga组分为0.5-y2。
15.本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：（1）本技术提供的新型砷化镓太阳电池，通过在中电池和顶电池靠近窗口层一侧设置al组分渐变的基区和发射区（统称有源区），可改善因不同材料之间折射率的不同而引起的反射情况，大幅度提高太阳光的吸收几率，增加太阳电池对太阳光的吸收，提高太阳电池的光电转换效率；（2）本技术提供的新型砷化镓太阳电池，通过在有源区掺入al原子后，可提高电池有源区的带隙，增加开路电压，提升太阳电池的光电转换效率；（3）本技术提供的新型砷化镓太阳电池，由于al原子的原子键能强，可降低因高能粒子穿透引起的空位等缺陷，提升整个太阳电池产品的的辐照性能。
附图说明
16.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：图1 为本技术实施例所提供的新型砷化镓太阳电池的结构示意图；图2为图1中中电池的结构示意图；图3为中电池alingaas分段式渐变结构的示意图；图4为图1中顶电池的结构示意图；图5为顶电池algainp分段式渐变结构的示意图；其中，衬底层100、底电池200、gaas缓冲层301、第一隧穿结401、第一dbr层501、中电池600、algaas背电场610、ingaas基区621、alingaas渐变基区622、alingaas渐变发射区630、gainp窗口层640、alingaas分段式渐变结构625、第二隧穿结402、第二dbr层502、顶电池700、algainp背电场710、gainp基区721、algainp渐变基区722、algainp渐变发射区730、algainp分段式渐变结构725、alinp窗口层740、盖帽层800。
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.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
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.以下结合图1～图5对本技术进行详细说明，本发明具体实施例提供一种新型砷化镓太阳电池：参照图1所示，所述太阳电池包括：衬底层100；于所述衬底层100依次外延生长的底电池200、gaas缓冲层301、第一隧穿结401、第一dbr层501、中电池600、第二隧穿结402、第二dbr层502、顶电池700和盖帽层800；图2～图3示出了上述中电池600的具体结构，该中电池600沿生长方向依次包括algaas背电场610、ingaas基区621、alingaas渐变基区622、alingaas渐变发射区630和gainp窗口层640，所述alingaas渐变基区622和所述alingaas渐变发射区630组成alingaas分段式渐变结构625，所述alingaas分段式渐变结构625中靠近所述gainp窗口层640一侧的al组分为70%～90%，然后沿背电场方向al组分降低，直至al组分降低为0；具体地，本技术alingaas分段式渐变结构625中al组分：其中，y1为由gainp窗口层处沿中电池背电场方向x1处的al组分，d1为中电池基区与发射区厚度之和，al
x
为alingaas材料的al组分初始值，范围为70%～90%；in组分为0.01，ga组分为0.99-y1；在本技术的技术方案中，限定所述alingaas分段式渐变结构625中靠近所述gainp窗口层640一侧的al组分为70%～90%，al组分在该范围下，其折射率与gainp接近，若al组分含量大于90%，则容易发生氧化造成器件性能失效。
22.在一些优选的实施方式中，该新型砷化镓太阳电池的中电池600中，algaas背电场610厚度为0.05～0.1μm，基区和发射区总厚度为1.5～2.5μm，alingaas渐变发射区630厚度为0.1～0.2μm，gainp窗口层640厚度为0.05～0.15μm；alingaas分段式渐变结构625厚度为0.6μm～1.7μm，并且ingaas基区621厚度至少有1μm。
23.图4～图5示出了上述顶电池700的具体结构，该顶电池700沿生长方向依次包括algainp背电场710、gainp基区721、algainp渐变基区722、algainp渐变发射区730和alinp窗口层740，所述algainp渐变基区722和所述algainp渐变发射区730组成algainp分段式渐变结构725，所述algainp分段式渐变结构725中靠近所述alinp窗口层740一侧的al组分为50%，然后沿背电场方向al组分降低，直至al组分降低为0。
24.具体地，本技术algainp分段式渐变结构725中al组分y2：其中，y2为由alinp窗口层处沿顶电池背电场方向x2处的al组分，d2为顶电池基区与发射区厚度之和；in组分为0.5，ga组分为0.5-y2。
25.在本技术的技术方案中，限定所述algainp分段式渐变结构725中靠近所述alinp窗口层740一侧的al组分为50%，使得该处组分与alinp窗口层740组分一致，保持折射率与窗口层一致有利于降低入射光的反射几率。
26.在一些优选的实施方式中，所述新型砷化镓太阳电池的顶电池700中，algainp背电场710厚度0.02～0.05μm，基区和发射区总厚度为0.6～1.2μm，alinp窗口层740厚度为0.02～0.05μm；algainp分段式渐变结构725厚度为0.2～0.8μm，同时需保证gainp基区721厚度至少为0.4μm。
27.本发明还提供上述新型砷化镓太阳电池优选的底电池200结构；在一些优选的实施方式中，所述新型砷化镓太阳电池的底电池200由下至上依次包括p-ge基区、n-ge发射区和gainp成核层；p-ge基区作为底电池200的基区，是由p型ge衬底构成；于所述p型ge衬底表面通过ph3扩散形成n-ge发射区；所述n-ge发射区厚度0.1～0.3μm，所述gainp成核层厚度0.03～0.10μm。
28.本发明还提供上述新型砷化镓太阳电池优选的gaas缓冲层301结构；在一些优选的实施方式中，所述新型砷化镓太阳电池gaas缓冲层301厚度为0.2～0.6μm，掺杂浓度大于5
×
10
16
/cm3。
29.本发明还提供上述新型砷化镓太阳电池优选的第一隧穿结401结构，在一些优选的实施方式中，所述新型砷化镓太阳电池的第一隧穿结401为n

gaas/ p

gaas；其中，n

gaas 厚度为10～30nm， p

gaas 厚度为10～30nm；n型材料的掺杂剂为te、se、si其中的一种或者多种组合，掺杂浓度3
×
10
18
～3
×
10
19
/cm3；p型材料的掺杂剂为mg、zn、c其中的一种或者多种组合，掺杂浓度要求2
×
10
19
～8
×
10
19
/cm3。
30.本发明还提供上述新型砷化镓太阳电池优选的第一dbr层501结构；在一些优选的实施方式中，所述新型砷化镓太阳电池的第一dbr层501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%。
31.本发明还提供上述新型砷化镓太阳电池优选的第二隧穿结402结构；在一些优选
的实施方式中，所述新型砷化镓太阳电池的第二隧穿结402为n

gainp/p

algaas；其中，n

gainp厚度 10～30nm，p

algaas 厚度为10～30nm；n型材料的掺杂剂为te、se、si其中的一种或者多种组合，掺杂浓度3
×
10
18
～3
×
10
19
/cm3；p型材料的掺杂剂为mg、zn、c其中的一种或者多种组合，掺杂浓度要求2
×
10
19
～8
×
10
19
/cm3。
32.本发明还提供上述新型砷化镓太阳电池优选的第二dbr层502结构；在一些优选的实施方式中，所述新型砷化镓太阳电池的第二dbr层502由10～20对alinp/gainp结构组成，每对alinp/gainp结构中alinp层和gainp层的厚度均根据λ/4n计算，其中620nm≤λ≤690nm，n为对应alinp或者gainp材料的折射率。
33.本发明还提供上述新型砷化镓太阳电池优选的盖帽层800结构；在一些优选的实施方式中，所述新型砷化镓太阳电池的盖帽层800为gaas，厚度为0.3～0.7μm，掺杂浓度大于2
×
10
18
/cm3。
34.在另一些优选的实施方式中，本发明还提供上述一种新型砷化镓太阳电池的制备方法，具体包括以下步骤：提供一p型ge衬底；于所述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，gainp成核层同时作为底电池200的窗口层；于所述底电池200上依次外延生长gaas缓冲层301、第一隧穿结401、第一dbr层501、中电池600、第二隧穿结402、第二dbr层502、顶电池700和盖帽层800；所述中电池600沿生长方向依次包括algaas背电场610、ingaas基区621、alingaas渐变基区622、alingaas渐变发射区630和gainp窗口层640，所述alingaas渐变基区622和所述alingaas渐变发射区630组成alingaas分段式渐变结构625，所述alingaas分段式渐变结构625中靠近所述gainp窗口层640一侧的al组分为70%～90%，然后沿背电场方向al组分降低，直至al组分降低为0，具体含量变化如前所述。
35.所述顶电池700沿生长方向依次包括algainp背电场710、gainp基区721、algainp渐变基区722、algainp渐变发射区730和alinp窗口层740，所述algainp渐变基区722和所述algainp渐变发射区730组成algainp分段式渐变结构725，所述algainp分段式渐变结构725中靠近所述alinp窗口层740一侧的al组分为50%，然后沿背电场方向al组分降低，直至al组分降低为0，具体含量变化如前所述。
36.参照图1～图5，本技术提供一种新型砷化镓太阳电池具体制备实施例，包括以下步骤：s01：p型ge衬底上通过ph3扩散形成n-ge发射区，厚度0.2μm，然后生长gainp成核层，厚度0.05μm，gainp成核层同时作为底电池的窗口层；s02：然后生长gaas缓冲层，厚度为0.4μm，掺杂浓度5
×
10
17
/cm3；s03：然后生长第一隧穿结。第一隧穿结为n

gaas/p

gaas结构，其中n

gaas的厚度为0.02μm，掺杂浓度为1.5
×
10
19
/cm3，掺杂剂为si；p

gaas的厚度为0.02μm之间，掺杂浓度为4
×
10
19
/cm3，掺杂剂为c；s04：然后生长第一dbr，第一dbr由20对al
0.7
ga
0.3
as/gaas结构组成，每对al
0.7
ga
0.3
as/gaas结构中al
0.7
ga
0.3
as层和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gaas材料的折射率；
s05：然后生长中电池，中电池包括algaas 背电场、(al)ingaas基区、alingaas发射区、gainp窗口层。其中，algaas背电场厚度0.06μm，(al)ingaas基区厚度1.8μm，alingaas发射区厚度0.15μm，gainp窗口层厚度为0.1μm, (al)ingaas基区和alingaas发射区为含al的分段渐变结构，靠近窗口层一侧，al组分为80%，然后沿algaas背电场方向al组分降低，alingaas分段式渐变结构中al组分：其中，y1为由gainp窗口层处沿中电池背电场方向x1处的al组分，d1为中电池基区与发射区厚度之和，al
x
为alingaas材料的al组分初始值，范围为70%～90%，直至al组分降为0，in组分为0.01，ga组分为0.99-y1；al组分渐变层厚度在0.8μm，ingaas基区厚度为1.15μm；s06：然后生长第二隧穿结。第二隧穿结隧穿结为n

gainp/p

in
0.2
algaas结构，其中，n

gainp厚度为0.015μm，掺杂浓度为2
×
10
19
/cm3，掺杂剂为te、si组合；p

in
0.2
algaas的厚度为0.015μm之间，掺杂浓度为5
×
10
19
/cm3，掺杂剂为zn、c组合；s07：然后生长第二dbr，第二dbr由15对alinp/gainp结构组成，每对alinp/gainp结构中alinp层和gainp层的厚度均根据λ/4n计算，其中620nm≤λ≤690nm，n为对应alinp或者gainp材料的折射率；s08：然后生长顶电池，顶电池包括algainp背电场、(al)gainp基区、algainp发射区、alinp窗口层。其中，algainp背电场厚度0.04μm，(al)gainp基区和algainp发射区总厚度为0.75μm，alinp窗口层厚度为0.03μm。 (al)gainp基区和algainp发射区为含al的分段渐变结构，靠近窗口层一侧，al组分为50%，然后沿algainp背电场方向al组分降低，algainp分段式渐变结构中al组分y2：其中，y2为由alinp窗口层处沿顶电池背电场方向x2处的al组分，d2为顶电池基区与发射区厚度之和，直至al组分降为0，in组分为0.5，ga组分为0.5-y2；al组分渐变层厚度在0.25μm，gainp基区厚度为0.5μm；s09：所述盖帽层为gaas，厚度为0.55μm，掺杂浓度为4
×
10
18
/cm3。
37.对所制备的砷化镓太阳电池进行性能测试，并以未进行中电池和顶电池改进的现有产品作为对比，辐照前后的砷化镓太阳电池的性能参数如表1所示：表1：本制备例提供的砷化镓太阳电池和目前现有产品的检测结果可见，与现有产品相比，本技术提供的太阳电池具有更高的光电转换效率，抗辐照性能也更好。
38.本实施例中未描述的内容可以参考本技术其余部分的相关描述。
39.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本技术的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本技术进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本技术的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，其均应涵盖在本技术请求保护的技术方案范围当中。