CN103268893B - Npn结构的激光光伏电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种NPN结构的激光光伏电池，所述光伏电池包括依次形成于半绝缘衬底上反向P/N结、P型导电层、P/N结电池、N型窗口层和N型接触层，所述反向P/N结包括依次形成于所述半绝缘衬底上的N型层和P型层，所述P/N结电池包括沿远离半绝缘衬底方向依次设置的P型吸收层和N型吸收层。本发明还公开了一种激光光伏电池的制备方法。本发明有效地解决了半绝缘衬底光照下导致的漏电问题，制作的光伏电池具有并联电阻高、漏电小和转换效率高的优点，同时降低了器件对GaAs衬底绝缘性能的要求。

Description

NPN结构的激光光伏电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于反向结技术的NPN结构激光光伏电池及其制备方法，具体涉及一种高效的激光光伏电池，尤其是以在半绝缘GaAs衬底上以GaAs同质PN结为光电转换层的光电池及其制备方法。

背景技术

激光供能系统是一个创新的能量传递系统，凭借这个系统，将激光光源发出的光通过光纤输送到激光光伏电池上，可以提供稳定的电源输出。通过光纤传导光转化为电比传统的金属线和同轴电缆电力传输技术有更多的优点，可以应用在需要消除电磁干扰或需要将电子器件与周围环境隔离的情况下，在无线电通信、工业传感器、国防、航空、医药、能源等方向有重要应用。激光光伏电池的工作原理与太阳能电池类似，只是可以获得更高的转换效率，更大的输出电压，能传递更多的能量，光源采用适合光纤传输的790nm-850nm波长的激光。

GaAsPN结电池可以用于将808nm的激光能量转换为电能，用作激光供能系统中的激光电池，但是GaAs电池的开路电压只有为1V，不能够直接用于电子器件电路中的电源。早期的激光光伏电池是将GaAsPN结电池生长在半绝缘GaAs衬底上，通过刻蚀隔离沟槽的方式将单位面积的电池芯片进行隔离，再通过引线的方式将几个单结电池单元串联得到高电压输出。由于半绝缘GaAs衬底在光照下电阻明显变小，在光电池工作时的并联电导显著增加，即光电池PN结漏电严重，结构示意图和等效电路图如图1。这使得I-V曲线变形，最终导致光伏电池的填充因子减小和转换效率急剧降低，如图2，单节电池IV特性表现良好，双结串联表现明显漏电现象。

有鉴于此，有必要提供一种新型的激光光伏电池。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种基于反向结技术的NPN结构激光光伏电池及其制备工艺，其可有效增大激光光伏电池的并联电阻，增加其转换效率，从而获得高效激光光伏电池。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请公开了一种NPN结构的激光光伏电池，其中，所述光伏电池包括依次形成于半绝缘衬底上反向P/N结、P型导电层、P/N结电池、N型窗口层和N型接触层，所述反向P/N结包括依次形成于所述半绝缘衬底上的N型层和P型层，所述P/N结电池包括沿远离半绝缘衬底方向依次设置的P型吸收层和N型吸收层。

作为本发明的进一步改进，还包括位于所述P型导电层和P/N结电池之间的势垒层。

优选的，所述势垒层为P型的AlGaAs((Al)GaInP)。

作为本发明的进一步改进，所述的半绝缘衬底、P型层、N型层、P型导电层、P型吸收层、N型吸收层以及N型接触层的材料均为GaAs。

作为本发明的进一步改进，所述窗口层的材料为N型的Al_xGa_1-xAs(x≥0.2)或Ga_0.51In_0.49P。

作为本发明的进一步改进，还包括隔离槽，所述隔离槽将所述光伏电池分隔成多个电池单元，电池单元之间串联连接。

优选的，所述的隔离槽分别贯穿所述接触层、窗口层、P/N结电池、P型导电层和反向P/N结。

作为本发明的进一步改进，还包括正电极和负电极，所述正电极形成于所述导电层上，所述负电极与所述接触层接触。

本申请还公开了一种激光光伏电池的制备方法，包括：

（1）在半绝缘衬底上生长N型层和P型层形成反向P/N结；

（2）在上述P型层上依次生长P型导电层，并在该P型导电层上生长P型势垒层；

（3）在上述P型势垒层上依次生长P型吸收层和N型吸收层形成P/N结；

（4）在上述P/N结上生长N型窗口层；

（5）在上述N型窗口层上生长N型接触层用作欧姆接触；

（6）按照电池标准工艺，在由前述步骤形成的光伏电池基体上制备隔离槽、正电极、负电极、减反射层以及电极引线，获得目标产品。

作为本发明的进一步改进，所述导电层为P型掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3以上的GaAs导电层；所述势垒层为掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3以上的P型AlGaAs((Al)GaInP)势垒层；所述N型窗口层为掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3以上的窗口层；所述N型接触层为掺杂浓度在2×10¹⁸cm^-3以上的GaAs接触层。

作为本发明的进一步改进，所述N型窗口层为Al_xGa_1-xAs(x≥0.2)或Ga_0.51In_0.49P。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（6）中，依次刻蚀N型接触层、N型窗口层、P/N结电池、P型势垒层、P型导电层和反向P/N结直至露出半绝缘衬底以形成隔离槽，而后在该隔离槽中填充绝缘材料。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（6）中，通过干法或湿法刻蚀依次刻蚀N型接触层、N型窗口层、P/N结电池、P型势垒层，直至露出P型导电层以形成正电极窗口，而后再经该正电极窗口于P型导电层上制备正电极，在N型接触层上制备负电极。负电极、正电极是通过电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射分别在N型接触层和P型导电层上沉积一层或多层金属并退火形成欧姆接触而制成的。正、负电极通过金属压焊或蒸镀金属的方式实现光伏电池中各单元电池的串联。

作为本发明的进一步改进，窗口层上还形成有减反射膜，减反射膜是通过化学气相淀积技术或镀膜机制备的ZnSe/MgF或TiO₂/SiO₂减反射膜。

作为一种可选用的实施方式,该光伏电池中的各层是采用MOCVD或MBE方法生长形成的，其中MOCVD的N型掺杂原子为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子为Zn、Mg或C；MBE的N型掺杂原子为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子为Be、Mg或C。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明设计的NPN结构光伏电池通过几个电池单元的串联可产生高达数伏的输出电压。

2.本发明设计的NPN结构可以有效地解决了半绝缘衬底光照下导致的漏电问题，大大的提高器件的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为现有技术中光电池的结构示意图（a）和等效电路图（b）；

图2所示为现有技术中的单节电池的I-V曲线图；

图3所示为本发明技术中激光光伏电池的结构示意图（a）和等效电路图（b）；

图4所示为本发明具体实施例中激光光伏电池基体的剖面图；

图5所示为本发明具体实施例中激光光伏电池隔离槽的剖面图；

图6所示为本发明具体实施例中激光光伏电池的剖面图；

图7所示为本发明具体实施例中激光光伏电池的俯视图。

具体实施方式

考虑到现有技术中的诸多不足，如何提高并联电阻、减小串联电阻、增加激光电池的转换效率，并解决相应的生产技术具有重大意义。

为解决上述问题，我们提出在电池与衬底之间设置反向结，结构示意图和等效电路图如图3，以降低电池PN结的并联电导，从而提高光伏电池的转换效率。

具体地，本发明实施例公开了一种NPN结构的激光光伏电池，所述光伏电池包括依次形成于半绝缘衬底上反向P/N结、P型导电层、P/N结电池、N型窗口层和N型接触层，所述反向P/N结包括依次形成于所述半绝缘衬底上的N型层和P型层，所述P/N结电池包括沿远离半绝缘衬底方向依次设置的P型吸收层和N型吸收层。

优选的，所述光伏电池还包括隔离槽，所述隔离槽将所述光伏电池分隔成多个电池单元，电池单元之间串联连接。通过引线连接的两个紧邻电池之间的半绝缘衬底与一个反向P/N结和一个PN结串联后与负极引线处电池并联。通过引线连接的两个紧邻电池之间的半绝缘衬底部分通过串联反向P/N结解决半绝缘衬底光照下导致的漏电问题，改善电池的填充因子，提高转换效率。

本发明实施例还公开了一种NPN结构的激光光伏电池的制备方法，包括：

（1）在半绝缘衬底上生长N型层和P型层形成反向P/N结；

（2）在上述P型层上依次生长P型导电层，并在该P型导电层上生长势垒层；

（3）在上述P型势垒层上依次生长P型吸收层和N型吸收层形成P/N结；

（4）在上述P/N结上生长N型窗口层；

（5）在上述N型窗口层上生长N型接触层用作欧姆接触；

（6）按照电池标准工艺，在由前述步骤形成的光伏电池基体上制备隔离槽、正电极、负电极、减反射层以及电极引线，获得目标产品。

本发明基于反向结技术的NPN结构激光光伏电池以半绝缘GaAs作为基底，该电池通过P型导电层将GaAsP\N结电池与反向P/N结连接，实现几个单元电池的串联连接，实现每个电池元件有几伏的输出电压，反向P/N结有效地避免了衬底漏电的产生，从而获得了高效的激光电池。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参图4至图7所示，基于反向结技术的NPN结构激光光伏电池的制作工艺包括下列步骤：

一、应用MOCVD方法生长NPN结构的激光光伏电池

1、采用半绝缘GaAs衬底01，厚度在200至500微米左右，作为衬底同质生长GaAs材料；

2、进入MOCVD或MBE生长室，先生长2500-3500nm的N型的掺杂浓度为5×10¹⁶-1×10¹⁸cm^-3的GaAs层02，作为反向P/N结的N区，再生长100-600nm的P型掺杂浓度为1×10¹⁷-4×10¹⁸cm^-3的GaAs层03，作为反向P/N结的P区；形成一个反向P/N结10；

3、在反向P/N结10上生长一层1000nm-5000nm的P型GaAs导电层04，掺杂浓度高达1×10¹⁸-1×10¹⁹cm^-3；

4、在导电层04上生长掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3以上的P型AlGaAs((Al)GaInP)势垒层05，并作为GaAs电池的背场层；

5、在势垒层05上生长2500-3500nm的P型掺杂浓度为1×10¹⁷-4×10¹⁸cm^-3的GaAs吸收层06，作为GaAs太阳能电池的基区；再生长100-600nm的N型的掺杂浓度为5×10¹⁶-1×10¹⁸cm^-3的GaAs吸收层07，作为GaAs太阳能电池的发射区，形成一个PN结11；

6、在PN结11上生长1000-3000nm的掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3以上的N型的Al_xGa_1-xAs(x30.2)或Ga_0.51In_0.49P窗口层08；

7、在窗口层08上生长100-300nm的掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3以上的N型的GaAs接触层10，用来做欧姆接触，至此制得光伏电池基体。

二、应用标准工艺制备NPN结构的激光光伏电池

1、在光伏电池基体上通过干法或湿法刻蚀依次刻蚀N型接触层09、N型窗口层08、P/N结11、P型势垒层05、P型导电层04、反向P/N结10、直至半绝缘GaAs衬底01，再通过填胶或氧化硅电绝缘等材料进行隔离，形成隔离槽13；

2、通过干法或湿法刻蚀依次刻蚀N型接触层09、N型窗口层08、P/N结11、P型势垒层05、直至P型GaAs导电层04，形成正电极窗口；

3、通过电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射等方式制备Pd/Zn/Pd/Au＝5/10/20/200nm，Ag=1μm和Au=100nm金属材料的正电极14形成欧姆接触；

4、通过电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射等方式制备AuGe/Ni/Au＝35/10/100nm，Ag=1μm和Au=100nm金属材料的负电极15形成欧姆接触；

5、通过湿法刻蚀将除金属电极下面以外的接触层09去除；

6、通过化学气相淀积技术或镀膜机制备减反射层16，应用ZnSe/MgF或TiO₂/SiO₂等减反射材料；

7、制备电极引线17，实现电池串联，如图7。

本发明的激光电池通过几个电池单元串联以获得所需的输出电压，其中GaAs电池的开路电压约为1V，这样每个电池元件有几个单元串联就有约几伏的输出电压(如6V)。激光电池生长在半绝缘GaAs衬底上以便在随后的电池加工工艺中实现每个单元之间电学隔离，然后将一个电池的正极与另一个电池的负极相连而制作几个单元的串联连接。激光电池主要生长在半绝缘衬底上，但是半绝缘衬底在光照下的电阻变小会导致电池单元的并联电阻减低，即表现为PN结漏电，通过此方法可以很好的解决衬底漏电的问题，提高电池的性能。

易于想到的是，在其他实施例中，激光光伏电池也可通过隔离槽分隔成任意数量的电池单元，比如通过一道隔离槽形成2个电池单元，2道交叉的隔离槽形成4个电池单元等。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (13)

1.一种NPN结构的激光光伏电池，其特征在于：所述光伏电池包括依次形成于半绝缘衬底上的反向P/N结、P型导电层、P/N结电池、N型窗口层和N型接触层，所述反向P/N结包括依次形成于所述半绝缘衬底上的N型层和P型层，所述P/N结电池包括沿远离半绝缘衬底方向依次设置的P型吸收层和N型吸收层。

2.根据权利要求1所述的NPN结构的激光光伏电池，其特征在于：还包括位于所述P型导电层和P/N结电池之间的势垒层。

3.根据权利要求2所述的NPN结构的激光光伏电池，其特征在于：所述势垒层为P型的AlGaAs或P型的GaInP或P型的AlGaInP。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的NPN结构的激光光伏电池，其特征在于：所述的半绝缘衬底、P型层、N型层、P型导电层、P型吸收层、N型吸收层以及N型接触层的材料均为GaAs。

5.根据权利要求1所述的NPN结构的激光光伏电池，其特征在于：所述N型窗口层的材料为N型的Al_xGa_1-xAs或Ga_0.51In_0.49P，其中x≥0.2。

6.根据权利要求1所述的NPN结构的激光光伏电池，其特征在于：还包括隔离槽，所述隔离槽将所述激光光伏电池分隔成多个电池单元，电池单元之间串联连接。

7.根据权利要求6所述的NPN结构的激光光伏电池，其特征在于：所述的隔离槽分别贯穿所述N型接触层、N型窗口层、P/N结电池、P型导电层和反向P/N结。

8.根据权利要求1所述的NPN结构的激光光伏电池，其特征在于：还包括正电极和负电极，所述正电极形成于所述P型导电层上，所述负电极与所述N型接触层接触。

9.权利要求2所述的NPN结构的激光光伏电池的制备方法，其特征在于，包括：

（1）在半绝缘衬底上生长N型层和P型层形成反向P/N结；

（2）在上述P型层上生长P型导电层，并在该P型导电层上生长P型势垒层；

（3）在上述P型势垒层上依次生长P型吸收层和N型吸收层形成P/N结电池；

（4）在上述P/N结电池上生长N型窗口层；

（5）在上述N型窗口层上生长N型接触层用作欧姆接触；

（6）在由前述步骤形成的光伏电池基体上制备隔离槽、正电极、负电极、减反射层以及电极引线，获得目标产品。

10.根据权利要求9所述的NPN结构的激光光伏电池的制备方法，其特征在于：所述P型导电层为掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3以上的P型GaAs导电层；所述P型势垒层为掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3以上的P型AlGaAs或P型的GaInP或P型的AlGaInP势垒层；所述N型窗口层为掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3以上的窗口层；所述N型接触层为掺杂浓度在2×10¹⁸cm^-3以上的GaAs接触层。

11.根据权利要求9所述的NPN结构的激光光伏电池的制备方法，其特征在于：所述N型窗口层为Al_xGa_1-xAs或Ga_0.51In_0.49P，其中x≥0.2。

12.根据权利要求9所述的NPN结构的激光光伏电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（6）中，依次刻蚀N型接触层、N型窗口层、P/N结电池、P型势垒层、P型导电层和反向P/N结直至露出半绝缘衬底以形成隔离槽，而后在该隔离槽中填充绝缘材料。

13.根据权利要求9所述的NPN结构的激光光伏电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（6）中，依次刻蚀N型接触层、N型窗口层、P/N结电池、P型势垒层，直至露出P型导电层以形成正电极窗口，而后再经该正电极窗口于P型导电层上制备正电极，在N型接触层上制备负电极。