一種帶勢壘層結(jié)構(gòu)的砷化銦熱光伏電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種光伏電池，具體涉及一種帶勢皇層結(jié)構(gòu)的砷化銦熱光伏電池。
【背景技術(shù)】
[0002]熱光伏電池能夠?qū)彷椛潴w發(fā)出的光或者是太陽光譜中的紅外光通過半導(dǎo)體P-N結(jié)的光伏效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能[1-5]。其原理與太陽能電池相似，只是利用的輻射源不同而已。太陽能電池利用的光源是太陽光中的可見光波段，而熱光伏電池利用的輻射源既可以是太陽光中的紅外波段(太陽輻射光譜中約有43%的輻射能量在紅外光譜區(qū))，也可以是人為制造的溫度在1000°C左右的熱輻射體。由于熱輻射體的溫度遠(yuǎn)低于太陽溫度，發(fā)射的大部分都是低能量紅外光子，因此需要選擇窄禁帶半導(dǎo)體材料與之匹配。
[0003]砷化銦(InAs)為II1- V族窄禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下的禁帶寬度為0.354eV，其禁帶寬度正好位于1000°c溫區(qū)對應(yīng)的紅外輻射能量范圍，是帶隙最為匹配的半導(dǎo)體材料之
O
[0004]傳統(tǒng)的光伏電池設(shè)計為P-1-N結(jié)構(gòu)[6，7]，如圖2所示。這種設(shè)計結(jié)構(gòu)的熱光伏電池在室溫下工作的缺陷是會產(chǎn)生較大的暗電流，從而降低了電池的效率和最終的輸出功率。傳統(tǒng)P-1-N結(jié)構(gòu)探測器的暗電流主要由三種電流分量組成，分別為①反向擴(kuò)散電流:起源于耗盡區(qū)邊緣P區(qū)電子和N區(qū)空穴產(chǎn)生的少數(shù)載流子的擴(kuò)散。②產(chǎn)生-復(fù)合電流:起源于耗盡區(qū)中熱激發(fā)的載流子在電場下向勢皇區(qū)兩邊的漂移運(yùn)動以及材料中的缺陷、雜質(zhì)、位錯等禁帶中的深能級捕獲或發(fā)射載流子形成的復(fù)合電流。③表面漏電流:與表面態(tài)相關(guān)的各種漏電流[8，9]。
[0005]本發(fā)明專利設(shè)計了一種帶勢皇層的光伏電池結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)的P-1-N結(jié)構(gòu)中增加了一層寬禁帶阻擋層材料，如圖3(a)，3(b)所示:3(a)中的阻擋層阻擋了來自P區(qū)的電子擴(kuò)散電流和表面電流，而3(b)中的阻擋層阻擋了來自N區(qū)的空穴擴(kuò)散電流和表面電流。上述帶勢皇層的光伏電池結(jié)構(gòu)有效抑制了該結(jié)構(gòu)器件的暗電流，從而最終提高了熱光伏電池的量子效率。
[0006]文獻(xiàn):
[0007]1.R.R.Siergiejj S.SiNharoyj T.Valkoj R.J.Wehrerj B.WerNsmaNj S.D.1iNkj R.1 Schultz, aNd R.J.Messham.AIP CoNf.Proc.738，480 (2004).
[0008]2.JiaN YiN aNd Roberto Paiella.APPlied PhysicsLetters.98,041103(2011).
[0009]3.ANdreev V Mj Khvostikov V P, Khvostikova O A et al.31th IEEEPhotovoltaic SPecialist CoNfereNce aNd Exhibit1Nj OrlaNdoj JaNuary 3-7(2005).
[0010]4.ANdreev V Mj Khvostikov V Pj Khvostikova 0 A et al.ThermoPhotovoltaicGeNerat1N of Electricity:6th NREL CoNfereNce:Freiburg, JuNej 2004[C].AIP CoNf.Proc.738,96(2004).
[0011]5.Frass L M，MiNkiN LeoNid.ThermoPhotovoltaic GeNerat1N ofElectricity:7th NREL CoNfereNce:Madrid, SePtember 25, (2006).
[0012]6.V.A.Gevorkyan, V.M.Arout1unian, Κ.M.Gambaryan, 1.A.Andreev, L.V.Golubev and Yu.P.Yakovlev.Technical Physics Letters.Vol.34, Nol, 69-71(2008).
[0013]7.V.P.Khvostikov, V.D.Rumyantsev, 0.A.Khvostikova, Μ.Z.Shvarts, P.Y.Gazaryan, S.V.Sorokina, N.A.Kaluzhniy, V.M.Andreev.Presented at 6th Conferenceon Thermophotovolatic Generat1n of Electricity.Freiburg, June 2004.
[0014]8.S.MaimoN aNd G.W.Wicks.Applied Physics Letters 89, 151109(2006).
[0015]9.李成，李好斯白音，李耀耀，王凱，顧溢，張永剛?！栋雽?dǎo)體光電》2009年12月第30卷第6期。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種帶勢皇層結(jié)構(gòu)的砷化銦熱光伏電池:在傳統(tǒng)的P-1-N結(jié)構(gòu)中增加一層寬禁帶阻擋層材料，起到抑制光伏電池結(jié)構(gòu)中的暗電流，從而提高熱光伏電池的量子效率的作用。
[0017]本發(fā)明中帶勢皇層結(jié)構(gòu)的砷化銦熱光伏電池包括襯底、阻擋層、吸收層和表面層，其中:
[0018]所述的光伏電池的結(jié)構(gòu)為:在襯底上依次為寬禁帶的阻擋層、砷化銦的吸收層、砷化銦的表面層；兩個電極分別做在腐蝕后臺面的襯底上以及砷化銦表面層上；
[0019]所述的襯底是P型砷化銦或N型砷化銦襯底；
[0020]所述的寬禁帶的阻擋層是厚度為100-200納米的銦砷銻磷四元合金薄膜層，合金室溫禁帶寬度為0.50eV ；
[0021]所述的砷化銦的吸收層的厚度為3-5微米；
[0022]所述的砷化銦的表面層為N型砷化銦或P型砷化銦，厚度為100-200納米。
【附圖說明】
[0023]圖1為熱光伏電池結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為傳統(tǒng)熱光伏電池能帶結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖3為本發(fā)明專利中帶阻擋層的熱光伏電池能帶結(jié)構(gòu)示意圖，(a)中的阻擋層阻擋來自P區(qū)的電子擴(kuò)散電流和表面電流，(b)中的阻擋層阻擋來自N區(qū)的空穴擴(kuò)散電流和表面電流。
[0026]圖4為熱光伏電池制備方法示意圖.
【具體實施方式】
[0027]實施例1
[0028]電池結(jié)構(gòu)為:P型砷化銦襯底上依次為厚度100納米的銦砷銻磷四元合金阻擋層、厚度3微米的砷化銦吸收層、厚度為100納米的N型砷化銦表面層。兩個電極分別做在腐蝕后臺面的P型砷化銦襯底上以及N型砷化銦表面層上。
[0029]實施例2
[0030]電池結(jié)構(gòu)為:N型砷化銦襯底上依次為厚度200納米的銦砷銻磷四元合金阻擋層、厚度5微米的砷化銦吸收層、厚度為200納米的P型砷化銦表面層。兩個電極分別做在腐蝕后臺面的N型砷化銦襯底上以及P型砷化銦表面層上。
[0031]實施例3
[0032]電池結(jié)構(gòu)為:P型砷化銦襯底上依次為厚度150納米的銦砷銻磷四元合金阻擋層、厚度4微米的砷化銦吸收層、厚度為150納米的N型砷化銦表面層。兩個電極分別做在腐蝕后臺面的P型砷化銦襯底上以及N型砷化銦表面層上。
[0033]上述實施例中的熱光伏電池的制備方法采用液相外延方法制備，具體步驟如下:
[0034](I)外延生長溫度和生長源組分的確定
[0035]根據(jù)砷化銦二元化合物相圖和銦砷銻磷四元合金相圖確定外延生長溫度點為550-555°C，砷化銦生長源中銦的摩爾百分比范圍為0.8-0.9，砷的摩爾百分比為0.2-0.1 ；銦砷銻磷生長源中磷的摩爾百分比小于范圍為0.001-0.0013,砷的摩爾百分比為0.01，銻的摩爾百分比范圍為0.4-0.4217，銦的摩爾百分比范圍為0.589-0.567。
[0036](2)銦砷銻磷四元合金摻雜類型的確定
[0037]阻擋P區(qū)電子擴(kuò)散電流的阻擋層銦砷銻磷四元合金的摻雜類型為Zn摻雜的P型；阻擋N區(qū)空穴擴(kuò)散電流的阻擋層銦砷銻磷四元合金的摻雜類型為Te摻雜的N型。
[0038](3)熱光伏電池結(jié)構(gòu)的生長
[0039]稱量各生長源；打開石英管，將相應(yīng)尺寸的砷化銦襯底，銦、銻金屬以及砷化銦，磷化銦顆?？焖俜湃胧巯鄳?yīng)的襯底槽和生長源槽中；生長源裝好后，在氫氣氣氛650°C下恒溫2小時使生長源充分溶解和均勻混合；恒溫結(jié)束后，開始執(zhí)行降溫生長程序:降溫速率為2°C /min,降溫至557-562°C時，隨后爐溫以0.2°C /min的速率緩慢降至電池結(jié)構(gòu)的實際生長溫度550-555°C時，快速拉動裝有砷化銦襯底的石墨舟托板與各個生長源接觸:其中吸收層的生長時間100-150秒，阻擋層的生長時間為10-30秒，N型或P型表面層的生長時間為10-30秒。生長完畢后襯底拉離生長源位置；爐體斷電并退出石英管，開啟電風(fēng)扇冷卻石英管。
【主權(quán)項】
1.一種帶勢皇層結(jié)構(gòu)的砷化銦熱光伏電池，包括襯底、阻擋層、吸收層和表面層，其特征在于: 所述的光伏電池的結(jié)構(gòu)為:在襯底上依次為寬禁帶的阻擋層、砷化銦的吸收層、砷化銦的表面層；兩個電極分別做在腐蝕后臺面的襯底上以及砷化銦表面層上； 所述的襯底是P型砷化銦或N型砷化銦襯底； 所述的寬禁帶的阻擋層是厚度為100-200納米的銦砷銻磷四元合金薄膜層，合金室溫禁帶寬度為0.50eV ； 所述的砷化銦的吸收層的厚度為3-5微米； 所述的砷化銦的表面層為N型砷化銦或P型砷化銦，厚度為100-200納米。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種帶勢壘層結(jié)構(gòu)的砷化銦熱光伏電池，電池的結(jié)構(gòu)為:在P型砷化銦或N型砷化銦襯底上，依次為寬禁帶阻擋層、砷化銦吸收層、N型砷化銦表面層或P型砷化銦表面層。電極分別做在腐蝕后臺面的砷化銦襯底上以及N型(P型)砷化銦表面層上。本發(fā)明的優(yōu)點在于：利用寬禁帶勢壘層阻擋PN結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生的擴(kuò)散暗電流，從而最終提高熱光伏電池的量子效率。
【IPC分類】H01L31-0725, H01L31-02, H01L31-0735
【公開號】CN104868008
【申請?zhí)枴緾N201510295810
【發(fā)明人】胡淑紅, 王洋, 呂英飛, 孫艷, 戴寧
【申請人】中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年6月2日