CN103337548B - 含Bi热光伏电池的结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其是提供一种热光伏电池的结构，其包括生长在InP衬底上并与所述InP衬底晶格匹配的InxGa1‑xAs1‑yBiy电池，所述InxGa1‑xAs1‑yBiy电池的禁带宽度为0.21～0.73eV。本发明还提供这种热光伏电池的制备方法。本发明采用与InP晶格匹配的InGaAsBi作为有源区材料；InGaAsBi覆盖禁带宽度为0.21～0.73eV，可针对特定的辐射源，优化带隙，获得更高的转换效率，能够满足热光伏系统的要求。

Description

含Bi热光伏电池的结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其是一种含Bi的热光伏电池的结构及其制备方法。
背景技术
热光伏电池(TPV)是将高温热发射体发出的红外辐射能通过半导体材料直接转化为电能的一种电池。早在1956年，美国麻省理工大学(MIT)的H.H.Kolm博士就设计制造出了一个应用硅电池的热光伏系统，并推断出其理论输出功率可达到1W。1989年，GaSb太阳能电池的研制使得热光伏系统的优越性得到了进一步验证，使得基于III-V化合物的热光伏电池也逐渐发展了起来。20世纪末，G.D.Cody曾做出推断，对工作在1000～1800℃的红外发射体，禁带宽度在0.25～0.5eV的材料能使热光伏电池获得最高工作效率和最大功率密度。GaSb等III-V族半导体材料具有较低的禁带宽度，适合作为制备热光伏电池的材料。目前，对III-V族半导体材料热光伏电池的研究主要集中在GaSb电池、InGaAsSb/GaSb电池、InGaAs/InP电池和InAsSbP/InAs电池等。GaSb材料体系主要存在价格昂贵，均匀性差的问题。与GaSb材料相比，晶格匹配的In0.53Ga0.47As/InP材料具有更好的晶体质量，但由于其禁带宽度约为0.73eV转换效率比较低。与InP衬底晶格失配的InGaAs材料的禁带宽度达0.5～0.6eV，甚至更低，但随着失配程度的增加，也会引入更多的失配缺陷。虽在InP衬底上生长一层InAsP材料做为缓冲层，可以实现晶格常数的过渡，实现无残余应力的InGaAs材料，但是，InGaAs内的位错密度在106/cm2限制了器件的性能。
发明内容
针对现有热光伏电池的不足，本发明的目的之一在于提出一种新型的热光伏电池器件，能有效提高转化效率。
为达到上述目的，本发明提供一种含Bi热光伏电池的结构，包括生长在InP衬底上并与所述InP衬底晶格匹配的InxGa1-xAs1-yBiy电池，所述InxGa1-xAs1-yBiy电池的禁带宽度为0.21～0.73eV。
优选地，所述InxGa1-xAs1-yBiy电池为单结电池结构，包括按照远离所述InP衬底方向依次生长的InP缓冲层、InxGa1-xAs1-yBiy子电池及欧姆接触层。
优选地，所述InxGa1-xAs1-yBiy子电池包括按照远离所述InP衬底方向依次生长的InP背场层、InxGa1-xAs1-yBiy基区、InxGa1-xAs1-yBiy发射区、InP窗口层。
优选地，所述InxGa1-xAs1-yBiy电池为双结电池结构，包括按照远离所述InP衬底的方向依次生长的InP缓冲层、第一InxGa1-xAs1-yBiy子电池、隧道结、第二InxGa1-xAs1-yBiy子电池以及欧姆接触层；所述第一InxGa1-xAs1-yBiy子电池的禁带宽度小于第二InxGa1-xAs1-yBiy子电池的禁带宽度。
优选地，所述第一InxGa1-xAs1-yBiy子电池和/或第二InxGa1-xAs1-yBiy子电池分别包括按照远离所述InP衬底方向依次生长的InGaAsP或InP背场层、InxGa1-xAs1-yBiy基区、InxGa1-xAs1-yBiy发射区、InGaAsP或InP窗口层。
优选地，所述InxGa1-xAs1-yBiy电池中，0≤x≤0.53，0＜y≤0.34。
进一步地，所述InxGa1-xAs1-yBiy电池中更优选的x、y范围是：0≤x≤0.48，0＜y≤0.34。
优选地，还包括分别设置在所述InP衬底底部、所述InxGa1-xAs1-yBiy电池顶部的背电极、栅电极，以及设置在所述栅电极上的抗反膜。
本发明的另一目的在于提出这种含Bi热光伏电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤A：采用有机金属化合物化学气相沉积或分子束外延法，在InP衬底上与所述InP衬底晶格匹配的InxGa1-xAs1-yBiy电池，使所述InxGa1-xAs1-yBiy电池的禁带宽度为0.21～0.73eV；
步骤B：分别在所述InP衬底底部、所述InxGa1-xAs1-yBiy电池顶部设置背电极、栅电极，以及在所述栅电极表面蒸镀抗反膜。
本发明的特点优势在于：采用与InP晶格匹配的InGaAsBi材料制作单结或双结热光伏电池的有源区；该InGaAsBi覆盖禁带宽度达到0.21～0.73eV。获得单结热光伏电池，InGaAsBi与InP晶格匹配，相比与InP基晶格失配的InGaAs的热光伏电池，能更好地保证电池器件的性能；相比昂贵的GaSb基热光伏电池具有更高的性价比。获得双结热光伏电池则能在单结热光伏电池的基础上可针对特定的辐射源，优化带隙，获得更高的转换效率，能够满足热光伏系统的要求。
附图说明
图1为本发明实施例1的热光伏电池结构示意图。
图2为本发明实施例2的热光伏电池结构示意图。
图3为本发明实施例3的热光伏电池结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作详细说明。凡采用本发明的理念，针对不同的辐射源，优化单结或双/多结热电池禁带宽度以达到最大效率输出的电池结构均落在本发明的保护范围之内。
实施例1
以禁带宽度为0.6eV的热光伏InxGa1-xAs1-yBiy电池为应用实例，其中，预设x＝0.48，y＝0.035，形成基区禁带宽度为0.6eV的In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035子电池。
如图1所示，本实施例的热光伏电池为单结电池结构，其包括在InP衬底110上按照远离所述InP衬底110方向依次生长的InP缓冲层120、In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035子电池130及欧姆接触层140。在所述InP衬底110底部、所述欧姆接触层140顶部还分别设有背电极150、栅电极160，所述栅电极160表面蒸镀有抗反膜170。
所述In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035子电池130包括依次远离所述InP衬底110、在所述InP缓冲层120上生长的InP背场层131、In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035基区132、In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035发射区133、InP窗口层134。在其他实施例中，可以调整In、Bi组分比例来获得不同禁带宽度的InxGa1-xAs1-yBiy电池，满足实际应用需要。
下面结合图1介绍这种热光伏电池的制备方法，
本实施例的生长步骤均采用MOCVD(Metal Organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)或MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)。若采用MOCVD法，则各外延层的N型掺杂原子为As或P，其余层N型掺杂原子为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子为Zn、Mg或C；
若采用MBE法，则各外延层的N型掺杂原子为As或P，其余层N型掺杂原子为Si、Se、S、Sn或Te，P型掺杂原子为Be、Mg或C。
本实施例中，N+、N++分别表示掺杂浓度为1.0×1018～9.0×1018/cm2、9.0×1018～1.0×1020/cm2；P-、P++分别表示掺杂浓度为1.0×1015～1.0×1018/cm2、9.0×1018～1.0×1020/cm2。
具体步骤如下：
步骤A：采用MOCVD法在P型InP衬底110上，生长100～300nm的P型InP缓冲层120。然后按照远离所述InP衬底110的方向，依次生长50nm的P++InP背场层131、2.5μm的P-In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035基区132(禁带宽度为0.6eV)、100nm的N+In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035发射区133、20～50nm的N++InP窗口层134，最后生长200～900nm的N++InGaAs作为欧姆接触层140。
步骤B：在所述InP衬底110底部、欧姆接触层140顶部分别蒸镀背电极150、栅电极160。然后在所述栅电极160上蒸镀抗反膜170，获得单结的热光伏电池。
实施例2
以温度为1500k黑体辐射光源为例，实现热光伏电池将辐射光源的能量转化为电能。
本实施例的热光伏电池是双结电池结构，其中，在一组子电池中预设x＝0.32，y＝0.125，获得基区禁带宽度为0.42eV的第一In0.32Ga0.68As0.875Bi0.125子电池；在另一组子电池中预设x＝0.48，y＝0.035，获得基区禁带宽度为0.6eV的第二In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035子电池。同样地，调整In、Bi组分比例可获得不同第一或第二InxGa1-xAs1-yBiy子电池禁带宽度。
如图2所示，本实施例的热光伏电池包括在InP衬底210上按照远离所述InP衬底210方向依次生长的InP缓冲层220、第一In0.32Ga0.68As0.875Bi0.125子电池230、隧道结240、第二In0.48Ga0.52As0.965子电池250及欧姆接触层260。在所述InP衬底210底部、所述欧姆接触层260顶部还分别设有背电极270、栅电极280，所述栅电极80表面蒸镀有抗反膜290。
下面结合图2介绍这种热光伏电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤A：在采用MOCVD法在P型InP衬底210上，生长100～300nm的P型InP缓冲层220。然后在所述InP缓冲层220上生长第一In0.32Ga0.68As0.875Bi0.125子电池230，即按照远离所述InP衬底210的方向，在InP缓冲层220上依次生长50nm的P++InP背场层231、2.5μm的P-In0.32Ga0.68As0.875Bi0.125基区232(禁带宽度为0.42eV)、100nm的N+In0.32Ga0.68As0.875Bi0.125发射区233、20～50nm的N++InP窗口层234。
然后在所述InP窗口层234上依次生长15～30nm的N++InP241、10～25nm的P++InP242形成隧道结240。
在所述隧道结240上生长第二In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035子电池250，即按照远离所述InP衬底210的方向，隧道结240上依次生长50nm的P++InP背场层251、2.5μm的P-In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035基区252(禁带宽度为0.6eV)、100nm的N+In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035发射区253、20～50nm的N++InP窗口层254。最后在所述InP窗口层254上生长200～900nm的N++InGaAs作为欧姆接触层260。
步骤B：在所述InP衬底210底部、欧姆接触层260顶部分别蒸镀背电极270、栅电极280，然后在所述栅电极280上蒸镀抗反膜290，获得目标的热光伏电池。
在其他实施例中，可调整In、Bi的组分来获得不同禁带宽度的InxGa1-xAs1-yBiy电池。
实施例3
本实施例的热光伏电池结构与实施例1的类似，不同的是通过调整In、Bi的组分比例，令x＝0，y＝0.34，获得基区禁带宽度为0.21eV的GaAs0.66Bi0.34单结热光伏电池，可以吸收较低温辐射体的能量。
下面结合图3介绍本实施例GaAs0.66Bi0.34单结热光伏电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤A：采用MBE法在P型InP衬底310上，生长100～300nm的P型InP缓冲层320。然后在所述InP缓冲层320上生长GaAs0.66Bi0.34子电池330，即按照远离所述InP衬底310的方向，依次生长50nm的P++InGaAs背场层331、2.5μm的P-GaAs0.66Bi0.34基区332(禁带宽度为0.21eV)、100nm的N+GaAs0.66Bi0.34发射区333、20～50nm的N++InP窗口层334。最后在GaAs0.66Bi0.34子电池330上生长200～900nm的N++InGaAs作为欧姆接触层340。
步骤B：在所述InP衬底310底部、欧姆接触层340顶部分别蒸镀背电极350、栅电极360。然后在所述栅电极360上蒸镀抗反膜370，获得单结的热光伏电池。

Claims (5)

1.一种含Bi热光伏电池的结构，其特征在于，包括生长在InP衬底上并与所述InP衬底晶格匹配的InxGa1-xAs1-yBiy电池，所述InxGa1-xAs1-yBiy电池的禁带宽度为0.21～0.73eV；
所述InxGa1-xAs1-yBiy电池中，0≤x≤0.53，0＜y≤0.34；所述InxGa1-xAs1-yBiy电池中，0≤x≤0.48，0＜y≤0.34；
所述InxGa1-xAs1-yBiy电池为双结电池结构，包括按照远离所述InP衬底的方向依次生长的InP缓冲层、第一InxGa1-xAs1-yBiy子电池、隧道结、第二InxGa1-xAs1-yBiy子电池以及欧姆接触层；所述第一InxGa1-xAs1-yBiy子电池的禁带宽度小于第二InxGa1-xAs1-yBiy子电池的禁带宽度；
所述第一InxGa1-xAs1-yBiy子电池和/或第二InxGa1-xAs1-yBiy子电池分别包括按照远离所述InP衬底方向依次生长的InGaAsP或InP背场层、InxGa1-xAs1-yBiy基区、InxGa1-xAs1-yBiy发射区、InGaAsP或InP窗口层。
2.根据权利要求1所述含Bi热光伏电池的结构，其特征在于，所述InxGa1-xAs1-yBiy电池为单结电池结构，包括按照远离所述InP衬底方向依次生长的InP缓冲层、InxGa1-xAs1-yBiy子电池及欧姆接触层。
3.根据权利要求2所述含Bi热光伏电池的结构，其特征在于，所述InxGa1-xAs1-yBiy子电池包括按照远离所述InP衬底方向依次生长的InP背场层、InxGa1-xAs1-yBiy基区、InxGa1-xAs1-yBiy发射区、InP窗口层。
4.根据权利要求1或2所述含Bi热光伏电池的结构，其特征在于，还包括分别设置在所述InP衬底底部、所述InxGa1-xAs1-yBiy电池顶部的背电极、栅电极，以及设置在所述栅电极上的抗反膜。
5.制备根据权利要求1～4任一项所述含Bi热光伏电池的结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：采用有机金属化合物化学气相沉积或分子束外延法，在InP衬底上与所述InP衬底晶格匹配的InxGa1-xAs1-yBiy电池，使所述InxGa1-xAs1-yBiy电池的禁带宽度为0.21～0.73eV；
步骤B：分别在所述InP衬底底部、所述InxGa1-xAs1-yBiy电池顶部设置背电极、栅电极，以及在所述栅电极表面蒸镀抗反膜。
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