專利名稱：一種基于Ga_xIn_1-xAs_1-ySb_y四元半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)熱光伏電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱光伏技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于晶格匹配的GaxlrvxAs^Sby
四元半導(dǎo)體體系的高轉(zhuǎn)換效率的異質(zhì)結(jié)熱光伏電池。
背景技術(shù)：
熱光伏技術(shù)是將高溫?zé)彷椛潴w發(fā)出的光子通過半導(dǎo)體p-n結(jié)的光伏效應(yīng)直接轉(zhuǎn) 換成電能的技術(shù)，它具有輸出電功率密度高、可以通過光譜控制實現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效 率、靜音、攜帶輕便、無機(jī)械結(jié)構(gòu)、構(gòu)造簡單、不宜發(fā)生故障、單位體積或單位重 量的發(fā)電功率比高等優(yōu)點。完整的熱光伏系統(tǒng)主要包括熱輻射體、光學(xué)濾波器、熱 光伏電池、熱回收器和輔助組件，熱輻射體和熱光伏電池是系統(tǒng)的核心組件。目前 最常用的熱輻射體材料SiC的輻射特性與黑體相似，根據(jù)黑體輻射的普朗克定律， 熱輻射體的溫度越低，其輻射光功率密度譜的峰位對應(yīng)的光子能量越低，輻射光子 分布在波長越長的區(qū)域，要有效吸收利用這些長波段的光子，熱光伏電池需要選擇 禁帶寬度更窄的半導(dǎo)體。出于材料性能和安全原因，目前能夠控制的熱輻射器的溫 度低于150CTC，對應(yīng)單結(jié)電池獲得最高效率的禁帶寬度低于0.7eV，熱輻射體的溫 度越低，TPV系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全系數(shù)越高，應(yīng)用領(lǐng)域越廣泛，對應(yīng)半導(dǎo)體的最佳 禁帶寬度也越低。
基于上述原因，應(yīng)用于低溫?zé)彷椛潴w熱光伏系統(tǒng)的窄禁帶半導(dǎo)體熱光伏電池成 為近年來的一個研究熱點。目前所報道的熱光伏電池大多是異型同質(zhì)結(jié)器件，美國 Bechtel Bettis公司的Bernard Wernsman等人在lnP襯底上制備了同質(zhì)結(jié)lnGaAs熱 光伏電池，在禁帶寬度為0.6eV,工作在熱輻射器溫度為95(TC并具有光譜控制系統(tǒng)的 熱光伏系統(tǒng)中，電池的工作溫度為52'C時，所獲得的最高系統(tǒng)效率(定義為電池的 輸出電功率密度與其吸收的光功率密度之比)和最高輸出電功率密度分別為22%和 0.32w/cm2。四元半導(dǎo)體GaxliVxAsLySby在與GaSb襯底晶格匹配時通過調(diào)節(jié)組分可 獲得0.296-0.72eV范圍的禁帶寬度，容易制作晶格匹配的高性能異質(zhì)結(jié)光電器件， 適合制備應(yīng)用于低溫?zé)彷椛潴w熱光伏系統(tǒng)的熱光伏電池，目前應(yīng)用于低溫?zé)彷椛淦?熱光伏系統(tǒng)的同質(zhì)結(jié)Gaxln^As^Sby熱光伏電池己有大量報道，其中美國MIT林肯 實驗室的C.A.Wang和Lockheed Martin公司的Michael W Dashiell等人合作所做的 工作最具有代表性，他們所制備的異型同質(zhì)結(jié)Gaxln^As^Sby熱光伏電池在禁帶寬
4度為0.53eV，工作在熱輻射器溫度為95(TC并具有光譜控制系統(tǒng)的熱光伏系統(tǒng)中時， 所獲得的最高系統(tǒng)效率和最高輸出電功率密度在電池工作溫度為27'C時分別為 19.9。/。和0.58w/cm2，電池工作溫度為50。C時分別為16.9。/。和0.52w/cm2，電池的工 作溫度為7(TC時分別為14.6yo和0.45w/cm2，計算得到工作溫度為27t:時的理論最 高系統(tǒng)效率和輸出電功率密度為28y。和0.85w/cm2。雖然lnGaAs熱光伏電池的效率 較高，但由于其禁帶寬度較大，其輸出電功率密度大大低于Gaxln^As^Sby熱光伏 電池，導(dǎo)致其單位體積或單位重量的發(fā)電功率比低于GaJn^As^Sby熱光伏電池， 而在實際應(yīng)用中尤其是在交通工具、航天器等領(lǐng)域迫切需要單位體積或單位重量的 發(fā)電功率比高的供能系統(tǒng)。
由此可見，Gaxln^As^Sby熱光伏電池應(yīng)用于低溫?zé)彷椛淦鳠峁夥到y(tǒng)具有更 大的優(yōu)勢，但是窄禁帶半導(dǎo)體自身的缺陷影響同質(zhì)結(jié)電池的性能當(dāng)半導(dǎo)體的禁帶 寬度降低時，少子的俄歇復(fù)合速率增加，導(dǎo)致開路電壓降低，影響電池的效率和輸 出電功率密度，若對材料施行重?fù)诫s，可以提高同質(zhì)結(jié)的內(nèi)建電場，從而提高開路 電壓，但是重?fù)诫s會導(dǎo)致俄歇復(fù)合速率進(jìn)一步增加，嚴(yán)重影響器件的性能。
美國MIT林肯實驗室的Robin K.Huang等人采用引入GaxAI^As仁ySby/ Gaxlrw.xAs^Sby異型異質(zhì)結(jié)的方法提高GaxIn^cAsy-ySby熱光伏電池的開路電壓， 異型異質(zhì)結(jié)中寬禁帶和窄禁帶半導(dǎo)體的費米能級之差較大，無需對材料進(jìn)行重?fù)诫s 便能獲得較高的內(nèi)建電場，他們制備的工作波長為2.3pm (禁帶寬度為0.54eV)的 熱光伏電池的開路電壓在短路電流密度為2.7A/cmS時達(dá)到了 0.36V。但是含Al材 料的生長比較困難，特別是采用能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的MOCVD技術(shù)難以獲得滿足 器件要求的高質(zhì)量含A|化合物半導(dǎo)體，上述Robin K. Huang等人報道的器件采用 了造價昂貴的MBE設(shè)備進(jìn)行制備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于低溫輻射器熱光伏系統(tǒng)時能量轉(zhuǎn)換效率和輸出 電功率密度高的Gaxln^As^Sby異質(zhì)結(jié)構(gòu)熱光伏電池。
本發(fā)明所述的Gaxln^As^Sby異質(zhì)結(jié)構(gòu)熱光伏電池，結(jié)構(gòu)由下至上依次包括 背電極、N型襯底、N型寬禁帶GaJn"7As7^Slv有源層、輕摻雜的P—型窄禁帶 Gax2lnk2As^2Sby2有源層、重?fù)诫s的P+型寬禁帶Gax3lrw-x3As7-y3Sby3限制層、柵 條形上電極。
前面所述光伏電池的N型襯底可以是GaSb材料，也可以是在GaAs或InP材料上面外延生長N型GaSb緩沖層后形成的復(fù)合襯底，襯底的N型施主摻雜濃度 可以在1017~1018 cm-s之間，厚度可以在200~800|jm之間。
前面所述光伏電池的三種Gaxln^As^ySby材料選擇為與GaSb襯底晶格匹配 的材料組分，其組分y (包括W、 y2和y3)和x (包括W、 x2和x3)之間滿足關(guān) 系y&(0.915x，+0.085)/(0.048xf+0.952), y2=(0.915x2+0.085)/(0.048x2+0.952)， y3=(0.915x3+0.085)/(0.048x3+0.952); N型寬禁帶Ga^ln^AswSbw有源層的ni 族材料組分在0.9~0.95之間選擇，所對應(yīng)的禁帶寬度在0.6~0.66eV之間，其 施主摻雜濃度在5"016~1017071-3之間，厚度可以在0.2~0.5|jm之間；P—型窄禁帶 Gax2ln"2AswSby2有源層的m族材料組分x2在0.70~0.80之間選擇，所對應(yīng)的禁 帶寬度在0.45~0.5 eV之間，其受主摻雜濃度在1016 10"cm—s之間，厚度可以在 3~6pm之間；P+型寬禁帶Gax3ln"3ASf-y3Sby3限制層的III族材料組分在 0.86~0.90之間選擇，所對應(yīng)的禁帶寬度在0.55~0.6eV之間，其受主摻雜濃度在 1018~10190^3之間，厚度可以在0.1~0.2nm之間。
為了優(yōu)化前面所述光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率，可以在電池的P+型寬禁帶 Gax3ln^3As^3Sby3限制層和上電極間引入P+型GaSb窗口鈍化層，其受主摻雜濃 度在1018~1020011-3之間，厚度可以在0.1~0.2|jm之間。
為了優(yōu)化前面所述光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率，可以在電池的N型寬禁帶 Ga^n^AswSlv有源層和N型襯底間增加N+型GaSb背面限制層，N+型GaSb 背面限制層的N型施主摻雜濃度在1018~102()cm-3之間，厚度可以在0.1~0.2|jm之 間。
前面所述光伏電池的Gaxln^As^Sby材料的P型受主摻雜劑可以是Be、 Mg、 C或Zn; N型施主摻雜劑可以是Se、 Te或Sn。
前面所述光伏電池的柵條形上電極可以是合金和金屬構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)，包括 Au-Pd/Au、Au-Ni/Au、Au-Pt/Au或Au-Zn/Au，所述電極合金層的厚度為40~50nm， 金屬層的厚度為150 250nm，電極在退火爐中進(jìn)行合金化形成歐姆接觸，為了便 于光子入射，上電極做成柵條形狀，可以為圓形柵條型電極結(jié)構(gòu)，亦可以為矩形柵 條型電極結(jié)構(gòu)，電極覆蓋面積占電池上表面面積的5~15%。
前面所述光伏電池的背電極可以采用雙層結(jié)構(gòu)，包括Te/Au、 Ge/Au、 In/Au、 Mn/Au、 Au-Ge-Ni/Au、 Au-Ge-Pd/Au，其中第一層厚度為30~50nm，第二層厚度 為200~300nm;還可以是三層結(jié)構(gòu)，包括Pd-ln/Pt/Au 、 Pd-ln/W/Au 、 Au-Ge-Ni/Pt/Au 、 Au-Ge-Ni/W/Au 、 Au-Ge-Pd/Pt/Au或Au-Ge-Pd/W/Au材料，
6其中第一層的厚度為20~30nm，第二層的厚度為50~100nm，第三層的厚度為 150~200nm，電極在退火爐中進(jìn)行合金化形成歐姆接觸。
本發(fā)明引入N型寬禁帶Gax7ln7-x7As7-WSby7 / P—型窄禁帶Gax2ln7.x2ASf.y2Sby2 異型異質(zhì)結(jié)作為Gaxlrw-xAs^ySby熱光伏電池的有源區(qū)，提高電池的開路電壓，并引 入P+型寬禁帶Gax3lrw-x3As^3Sby3限制層，降低少子的界面復(fù)合幾率，提高電池的 光電轉(zhuǎn)換效率。F型窄禁帶Gax2ln"2As^2Sby2的光子吸收截止波長最長，采用較 厚的p-型窄禁帶Gax2ln"2As^2Sby2有源層作為主要的光吸收區(qū)可以吸收更長波段 的光子，并通過降低摻雜濃度提高其少子的擴(kuò)散長度，提高光生載流子的收集效率， 從而提高電池的光生電流密度，N型寬禁帶GaX7ln7wAs&7Sbw與F型窄禁帶 Gax2ln^2As^2Sby2構(gòu)成異型異質(zhì)結(jié)，與異型同質(zhì)結(jié)相比，異型異質(zhì)結(jié)的P區(qū)和N 區(qū)費米能級之差更大，內(nèi)建電場更高，因此能夠獲得更高的器件開路電壓。由于P 型GaSb與P—型窄禁帶Gax2ln"2AswSkV2有源層會形成II型異質(zhì)結(jié)，GaSb的價 帶能級位置比P—型窄禁帶Gax2ln^2AswSby2有源層高，容易導(dǎo)致其界面附近的能 帶向下彎曲，形成少子-電子的積累層，增加少子在界面復(fù)合的幾率。而P+型寬禁 帶Gax3lnk3As7-y3Sby3限制層與P—型窄禁帶Gax2ln"2AswSby2有源層價帶位置比 較接近，因此以P+型寬禁帶Gax3ln"3As^3Sby3作為限制層，它能夠提供限制F 型窄禁帶Gax2ln"2As^2Sby2有源層少子的正面電場，降低少子在界面復(fù)合的幾率。
本發(fā)明充分利用Gaxln^As^Sby四元半導(dǎo)體可獨立選擇禁帶寬度和晶格常數(shù) 的靈活性，采用晶格匹配的多層異質(zhì)結(jié)提高熱光伏電池的性能，主要特征為電池 的有源區(qū)采用N型寬禁帶GaxJnwAs^Sbw / P—型窄禁帶Gax2ln^2As^2Sby2異 型異質(zhì)結(jié)，能夠提高開路電壓，它比同樣條件下異型同質(zhì)結(jié)器件的開路電壓高出 7%-10%;引入P+型寬禁帶Gax3ln,-x3As^3Sby3作為P-型窄禁帶Gax2ln^2As^2Sby2 有源層的限制層，降低少子在界面復(fù)合的幾率；器件采用晶格匹配的 Gaxln^Ast-ySby材料體系，采用能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的MOCVD外延技術(shù)容易制 備；器件以半絕緣的GaAs或lnP材料作為襯底時，可以直接在襯底上集成，容易 做成多種電池陣列。在具有濾波器的熱光伏系統(tǒng)中，濾波器對能量低于禁帶寬度的 光子的反射率為97%、對能量高于禁帶寬度的光子的反射率為15%、吸收率為2% 時，本發(fā)明Gaxln^cAs7-ySby異質(zhì)結(jié)構(gòu)熱光伏電池在輻射器溫度為950。C，電池的工 作溫度為27'C時，能量轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到35%，輸出電功率密度能達(dá)到1w/cm2。
本發(fā)明提出的異質(zhì)結(jié)GaJn^As^Sby熱光伏電池，采用了晶格匹配的 Gaxlrw-xAs^ySby材料體系，可以采用容易實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的MOCVD外延技術(shù)進(jìn)行制備。本發(fā)明可以應(yīng)用于低溫輻射器熱光伏系統(tǒng)，穩(wěn)定性好，安全系數(shù)高，可以應(yīng) 用于航天、軍事、工業(yè)、生活等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣泛。


圖1:本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)構(gòu)Gaxln[xAsLySby熱光伏電池的結(jié)構(gòu)示意圖2:本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)構(gòu)Gaxln^As^Sby熱光伏電池在熱平衡態(tài)時的能帶結(jié)構(gòu)
示意圖3 (a):本發(fā)明矩形異質(zhì)結(jié)構(gòu)Gaxlr^As^Sby熱光伏電池的柵條型上電極示意圖。
圖3 (b):本發(fā)明圓形異質(zhì)結(jié)構(gòu)Gaxln"As^Sby熱光伏電池的柵條型上電極示意圖。
如圖1所示，本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)構(gòu)GaxlrVxAs，-ySby熱光伏電池。包括N型襯底 1; N+型GaSb背面限制層2; N型寬禁帶Ga^ln^AswSb^有源層3; F型窄禁 帶Gax2ln^2AswSby2有源層4; P+型寬禁帶Gax3ln^3As^3Sby3限制層5; P+型 GaSb窗口鈍化層6。在電池的上表面有歐姆接觸柵條型上電極7;在電池的背面有 N型GaSb襯底的歐姆接觸背電極8;輻射器發(fā)出的光子9從電池的上表面入射。
如圖2所示，本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)構(gòu)Gaxln^As7-ySby熱光伏電池在熱平衡態(tài)時的 能帶結(jié)構(gòu)。包括價帶10、導(dǎo)帶11、費米能級12， 13、 14、 15、 16、 17和18分別 對應(yīng)圖1中N型襯底1 、 N+型GaSb背面限制層2、 N型寬禁帶Gaxfln^As^wSbyJ 有源層3、F型窄禁帶Gax2lna2AswSby2有源層4、P+型寬禁帶Gadn^aAs^SI^ 限制層5和P+型GaSb窗口層鈍層6的能帶。N型寬禁帶GaXfln"7AstWSbw有源 層3與F型窄禁帶Gax2ln^2As^2Sby2有源層4所對應(yīng)的能帶15與16之間的彎曲 較大，內(nèi)建電場高，可以獲得高器件開路電壓；N+型GaSb背面限制層2的能帶 14向上彎曲，提供背面電場，將N區(qū)少子-空穴限制在有源區(qū)，降低背面復(fù)合幾率； P+型寬禁帶Gax3ln"3Asf-y3Sby3限制層5的禁帶寬度比P—型窄禁帶 Gax2ln7-2^As^2Sby2有源層的禁帶寬度大，且重?fù)诫s使其能帶17向下彎曲，限制P 區(qū)少子-電子，降低其界面復(fù)合幾率；P+型GaSb窗口鈍化層6的禁帶寬度18大， 作為窗口層具有鈍化作用。
如圖3 (a)，本發(fā)明矩形異質(zhì)結(jié)構(gòu)GaxlrVxAs^ySby熱光伏電池的一種柵條型上 電極結(jié)構(gòu)，收集電極19的寬度約為100|jm、柵條電極20的寬度約為10|jm、柵條 間隔21的寬度約為100ym，電極覆蓋面積約占總面積的10%。如圖3 (b)，本發(fā)明圓形異質(zhì)結(jié)構(gòu)GaxlrVxAs^ySby熱光伏電池的一種柵條型上 電極結(jié)構(gòu)，其中收集電極22的寬度約為100ym、柵條電極23的寬度約為10jjm、 柵條間隔24的寬度約為100|jm，電極覆蓋面積約占總面積的10%。
具體實施方式
實施例1:
以摻Te的N型GaSb拋光單晶片為襯底，凈施主濃度為5x1017cnV3，晶向為 (100)，制備結(jié)構(gòu)為N型GaSb襯底/N+型GaSb背面限制層/N型 Ga0.95ln0.05As0.04Sb0.96有源層/P-型Ga0.8ln0.2As0.18Sb0.82有源層/P+型 Ga0.9lnaiAsa09Sba91限制層/P+型GaSb窗口鈍化層的異質(zhì)結(jié)Gaxln^xAsvySby熱光
伏電池。
多層材料結(jié)構(gòu)的生長在低壓金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)系統(tǒng)中進(jìn)行。 生長所用Ga、 ln、 Sb和As源分別為三甲基鎵(TMGa)、三甲基銦(TMIn)、三 甲基銻(TMSb)和經(jīng)氫氣(H2)稀釋至10%(體積百分比)的砷烷(ASH3)，金屬有 機(jī)源均置于高精度控溫冷阱中，源溫分別為TMGa: -12°C，TMIn: 17。C，TMSb: -10°C。材料摻雜所用N型摻雜源為在H2中稀釋至50ppm的二乙基硒(DESn); P型摻雜源為二乙基鋅(DEZn)，置于高精度控溫冷阱中，冷阱溫度0'C。鈀合金 擴(kuò)散氫氣用作載氣運載金屬有機(jī)源的飽和蒸汽進(jìn)入反應(yīng)室。Gaxln^As^^Sby熱光伏 電池各層材料的詳細(xì)生長參數(shù)列于表1。 N型GaSb襯底在硝酸、鹽酸和冰醋酸的 混合液(HN03:HCL:CH3COOH=1毫升:10毫升:50毫升)中腐蝕10分鐘后，立即 用去離子水沖洗、高純氮氣吹干放入MOCVD反應(yīng)室中。按照表1給出的生長條件， 在GaSb襯底上依次外延生長N+型GaSb背面限制層/ N型Gaa95lnao5Asa04Sb0.96 有源層/ P-型Ga0.8lna2As0.i8Sba82有源層/P+型Gaa9lnaiAs0.09Sba91限制層/P+型 GaSb窗口鈍化層。生長獲得的Gaxln^As^Sby多層結(jié)構(gòu)外延片各層的基本材料參 數(shù)列于表2。
表1:異質(zhì)結(jié)構(gòu)Gaxln^As^Sby熱光伏電池各外延層的生長參數(shù)_
生長參數(shù) N+型GaSb N 型 F 型P+ 型p+型GaSb
背面限制 Gaa95lno.o5A Gaa8lnQ.2Asa Gaogln^Aso. 窗口鈍化層
生長溫度rc) 生長時間(分
層S0.04Sbo鄰有18Sb0.82有源09Sb091限制
源層層層
580560560560580
3~48~10120~2403~43~4TMGa流量(摩8.1x1(T67.46x1(T67.09" (T68.1X10-6
爾/分鐘)
TMIn流量(摩01.63x10-61.00xl(T60
爾/分鐘)
TMSb流量(摩9.7"0-61.07x10—51,03"0-5
爾/分鐘)
AsH3流量(摩00.42" 0"61.53x10"60.42x10"60
爾/分鐘)
DEZn流量(摩0004.33"(T78x10-7
爾/分鐘)
DESn流量(升/0.050.005000
分鐘)
總氫氣流量(升4.54.54.54.54.5
/分鐘)
表2:異質(zhì)結(jié)構(gòu)GaxlnLxAsLvSbv熱光伏電池各外延層的基本材料參數(shù)基本材料參數(shù)N 型N+型 N型 P—型P+型 P+ 型
GaSbGaSb背 Gao.95lno.05 Ga0.sln0.2A Ga。.9lno.iAs GaSb窗
襯底面限制Asow'Sb。.g s。.i8Sb。.1B2 t).O9Sb0.91限 口鈍化
層 6有源層 有源區(qū)制層層
厚度(pm)5000.1 0.2-0.3 3-50.10.1
載流子濃度5x10171018 10177x101610181019
(cm-3)
禁帶寬度(eV)0.720.72 0.660.50.60.72
制備Gaxln^As^Sby熱光伏電池的工藝流程如下
1. 清洗用去離子水清洗燒杯，烘箱烘干，把前面采用MOCVD技術(shù)制備的 Gaxln^As7-ySby外延片放入；力B CCW，超聲清洗5 10min，廢液倒出，重 復(fù)一次；加丙酮，超聲清洗5~10min，廢液倒出，重復(fù)一次；加酒精，超 聲清洗5 10min，廢液倒出，重復(fù)一次；取出外延片用N2吹干；
2. 烘烤將上述的Gaxln^As，-ySby在8CTC烘箱烘烤20分鐘；
3. 蒸鍍上電極在上述GaJn^As^Sby外延片上表面電子束蒸發(fā) Au-Pb(50nm)/Au(200nm)上電極，并采用標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)將上電極做成如 圖3 (a)所示的柵條型；
4. 腐蝕用標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)對上述Gaxln^As^Sby外延片進(jìn)行臺面光刻，腐 蝕液采用碘化鉀/碘混合溶液,將Gaxln，-xAs^Sby外延片腐蝕成1cmx1cm的 正方形臺面；5. 減薄采用粗砂(303)將上述GalnAsSb外延片背面襯底研磨至 350~380|jm，改用細(xì)砂研磨至250|jm，用金剛砂拋光；
6. 蒸鍍背電極在上述Gaxln^ASf-ySby外延片N型GaSb襯底背面電子束蒸 發(fā)Au-Ge-Ni (40nm) /Au (250nm)背電極；
7. 電極合金化將上述Gaxln，-xAs^ySby外延片放入退火爐，通入氮氣，在 295t:條件下進(jìn)行60秒的合金化處理，形成歐姆接觸的上電極和背電極。
權(quán)利要求
1、一種基于GaxIn1-xAs1-ySby四元半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)熱光伏電池，其特征在于a)由下至上依次包括背電極(8)、N型襯底(1)、N型寬禁帶Gax1In1-x1As1-y1Sby1有源層(3)、輕摻雜的P-型窄禁帶Gax2In1-x2As1-y2Sby2有源層(4)、重?fù)诫s的P+型寬禁帶Gax3In1-x3As1-y3Sby3限制層(5)、柵條形上電極(7)；b)y1＝(0. 915x1+0.085)/(0.048x1+0.952)，x1＝0.90～0.95，y2＝(0. 915x2+0.085)/(0.048x2+0.952)，x2＝0.70～0.80，y3＝(0. 915x3+0.085)/(0.048x3+0.952)，x3＝0.86～0.90；c)N型寬禁帶Gax1In1-x1As1-y1Sby1有源層(3)的施主摻雜濃度為5×1016～1017cm-3，P-型窄禁帶Gax2In1-x2As1-y2Sby2有源層(4)的受主摻雜濃度為1016～1017cm-3，P+型寬禁帶Gax3In1-x3As1-y3Sby3限制層(5)的受主摻雜濃度為1018～1019cm-3。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種基于GaxlnkAs7-ySby四元半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)熱光伏 電池，其特征在于N型寬禁帶Ga^lrv^AsrwSlv有源層(3)的厚度為 0.2~0.5Mm，之間；P-型窄禁帶Gax2lnk2As&2Sby2有源層(4)的厚度為 3~6|jm， P+型寬禁帶Gax3ln^3As^3Sby3限制層(5)的厚度為0.1~0.2|jm。
3、 如權(quán)利要求2所述的一種基于Gaxlrw-xAs^Sby四元半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)熱光伏 電池，其特征在于在P+型寬禁帶Gax3ln"3As^3Sby3限制層(5)和柵條 形上電極(7)間增加P+型GaSb窗口鈍化層(6)，其受主摻雜濃度為 1018~1020cm-3，厚度為0.1~0.2|jm。
4、 如權(quán)利要求2所述的一種基于Gaxln^As^ySby四元半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)熱光伏 電池，其特征在于在N型襯底(1)和N型寬禁帶Gax，ln^As^Sbw 有源層(3)間增加N+型GaSb背面限制層(2)，其施主摻雜濃度為 1018~1020cm-3，厚度為0.1~0.2|jm。
5、 如權(quán)利要求1所述的一種基于GaxlrvxAs^Sby四元半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)熱光伏 電池，其特征在于N型襯底(1)是N型GaSb、或是在GaAs材料上面 外延生長的N型GaSb緩沖層后形成的復(fù)合襯底、或是在InP材料上面外 延生長的N型GaSb緩沖層后形成的復(fù)合襯底。
6、 如權(quán)利要求1 5任何一項所述的一種基于Gaxln^As7-ySby四元半導(dǎo)體的異 質(zhì)結(jié)熱光伏電池，其特征在于P型受主摻雜劑為Be、 Mg、 C或Zn; N 型施主摻雜劑為Se、 Te或Sn。
7、 如權(quán)利要求1 5任何一項所述的一種基于Gaxln^As^ySby四元半導(dǎo)體的異 質(zhì)結(jié)熱光伏電池，其特征在于柵條形上電極(9)是合金和金屬構(gòu)成的雙 層結(jié)構(gòu)，為Au-Pd/Au、 Au-Ni/Au、 Au-Pt/Au或Au-Zn/Au。
8、 如權(quán)利要求7所述的一種基于GaJn^As^ySby四元半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)熱光伏 電池，其特征在于合金層的厚度為40~50nm，金屬層的厚度為 150~250nm，電極覆蓋面積占電池上表面面積的5~15%。
9、 如權(quán)利要求1 5任何一項所述的一種基于Gaxln^As^Sby四元半導(dǎo)體的異 質(zhì)結(jié)熱光伏電池，其特征在于背電極(8)為Te/Au、 Ge/Au、 In/Au、 Mn/Au、 Au-Ge-Ni/Au、 Au-Ge-Pd/Au之一的雙層結(jié)構(gòu)，或為Pd-ln/Pt/Au、 Pd-ln/W/Au、 Au-Ge-Ni/Pt/Au 、 Au-Ge-Ni/W/Au 、 Au-Ge-Pd/Pt/Au 、 Au-Ge-Pd/W/Au之一的三層結(jié)構(gòu)。
10、 如權(quán)利要求9所述的一種基于GaxlrVxASf-ySby四元半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)熱光伏 電池，其特征在于雙層結(jié)構(gòu)電極第一層的厚度為30 50nm，第二層的厚 度為200~300nm;三層結(jié)構(gòu)電極第一層的厚度為20~30nm，第二層的厚 度為50~100nm，第三層的厚度為150~200nm。
全文摘要
本發(fā)明屬于熱光伏技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于晶格匹配的Ga_xIn_1-xAs_1-ySb_y四元半導(dǎo)體的高轉(zhuǎn)換效率的異質(zhì)結(jié)熱光伏電池，由下至上依次包括背電極、N型襯底、N型寬禁帶Ga_x1In_1-x1As_1-y1Sb_y1有源層、輕摻雜的P^-型窄禁帶Ga_x2In_1-x2As_1-y2Sb_y2有源層、重?fù)诫s的P⁺型寬禁帶Ga_x3In_1-x3As_1-y3Sb_y3限制層和柵條形上電極。進(jìn)一步，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。應(yīng)用于低溫輻射器熱光伏系統(tǒng)的熱光伏電池，穩(wěn)定性好，安全系數(shù)高，可以應(yīng)用于航天、軍事、工業(yè)、生活等領(lǐng)域。
文檔編號H01L31/0735GK101521238SQ20091006678
公開日2009年9月2日 申請日期2009年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月9日
發(fā)明者張寶林, 彭新村, 杜國同, 鑫 董, 趙曉薇, 偉 鄭, 欣 郭 申請人:吉林大學(xué)