CN106653925A - 一种两结激光电池外延层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种两结激光电池外延层及其制备方法，包括从下至上依次设置在GaAs衬底上的GaAs缓冲层、第一隧道结、第一GaAs电池、第二隧道结、第二GaAs电池和cap层，其制备方法包括：采用金属有机化学气相沉积技术在GaAs衬底上沉积GaAs缓冲层；在GaAs缓冲层上依次生长第一隧道结、第一GaAs子电池、第二隧道结、第二GaAs子电池和cap层。该两结激光电池采用两个子电池串联减小总电流，可以减小串联电阻引起的功率损失，提高转换效率，该电池的制备方法采用金属有机化学气相沉积技术，生长过程可以得到精确控制，形成的晶体质量好。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，尤其是涉及一种两结激光电池外延层及其制备方法。
背景技术
目前，激光电池在空间无线能量传输领域有很大的应用前景，适合在空间无线传输中(高轨的空间飞行器太阳电池阵实现太阳能转换为电能，电能再转换为激光，借助激光电池实现激光对地面激光电池阵供能、激光对临近空间的无人机供能、激光对低轨的空间飞行器供能)，作为能量接收器使用或信号接收器使用。然而目前国内还没有任何公司或者研究所研究出相关的商用产品，对多结激光电池的研究尚属空白。
以GaAs为代表的III-V族化合物具有许多优点，例如它具有直接带隙的能带结构，光吸收系数大，还具有良好的抗辐照性能和较小的温度系数，是作为激光电池的理想材料。对于功率较高的激光来说，采用多结的GaAs太阳电池可以减小总电流，从而可以减小串联电阻引起的功率损失，提高转换效率。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种两结激光电池外延层及其制备方法，其晶体质量较好，稳定性强，易于制作，并可在将来作为完整的电池直接应用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种两结激光电池外延层，包括从下至上依次设置在GaAs衬底上的GaAs缓冲层、第一隧道结、第一GaAs电池、第二隧道结、第二GaAs电池和cap层。
技术方案中，优选的，GaAs缓冲层使用n型掺杂剂，掺杂剂的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，GaAs缓冲层的厚度为100nm-4000nm。
技术方案中，优选的，第一隧道结包括依次设置的n型掺杂剂掺杂的n+-GaInP层和p型掺杂剂掺杂的p+-AlGaAs层，n+-GaInP层的厚度为10nm-100nm，掺杂浓度为1×1018-1×1021cm-3，p+-AlGaAs层的厚度为10nm-100nm，掺杂浓度为1×1018-1×1021cm-3。
技术方案中，优选的，第一GaAs电池包括依次设置的n型掺杂剂掺杂的n-GaAs发射区层和p型掺杂剂掺杂的p-GaAs基区层，发射区层的厚度为50nm-1000nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，基区层的厚度为500nm-5000nm，掺杂浓度为1×1015-1×1018cm-3。
技术方案中，优选的，第二隧道结包括依次设置的n型掺杂剂掺杂的n+-GaInP层和p型掺杂剂掺杂的p+-AlGaAs层，n+-GaInP层的厚度为10nm-100nm，掺杂浓度为1×1018-1×1021cm-3，p+-AlGaAs层的厚度为10nm-100nm，掺杂浓度为1×1018-1×1021cm-3。
技术方案中，优选的，第二GaAs电池包括依次设置的n型掺杂剂掺杂的n-GaAs发射区层和p型掺杂剂掺杂的p-GaAs基区层，发射区层的厚度为50nm-1000nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，基区层的厚度为500nm-5000nm，掺杂浓度为1×1015-1×1018cm-3。
技术方案中，优选的，cap层为n型掺杂剂掺杂的n+-Ga1-xInxAs，其中0.01≤x≤0.4，掺杂浓度为1×1018-1×1021cm-3，厚度为50nm-1000nm。
技术方案中，优选的，p型掺杂剂为Zn、Mg或C。
技术方案中，优选的，n型掺杂剂为Si、Se或Te。
一种制备两结激光电池外延层的方法，包括以下步骤：采用金属有机化学气相沉积技术在GaAs衬底上沉积GaAs缓冲层；在GaAs缓冲层上依次生长第一隧道结、第一GaAs子电池、第二隧道结、第二GaAs子电池和cap层。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、该两结激光电池采用两个子电池串联减小总电流，从而可以减小串联电阻引起的功率损失，提高转换效率。
2、本发明的一种两结激光电池外延层的制备方法，采用金属有机化学气相沉积技术，生长过程可以得到精确控制，形成的晶体质量好。
3、本发明的两结激光电池外延层易于生长，后续工艺流程成熟，产品电池稳定性好，具有大批生产的潜力。
附图说明
图1为本发明一种两结激光太阳电池结构示意图。
图中：
1、GaAs衬底 2、GaInAs缓冲层 3、第一隧道结
4、GaAs子电池 5、第二隧道结 6、GaAs子电池
7、cap层
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：
一种两结激光太阳电池，包括砷化镓衬底，从下至上依次为GaAs缓冲层、第一隧道结、(AlGa)1-xInxAs渐变缓冲层、GaAs电池、第二隧道结、GaAs电池和cap层。其制作过程为：
1.采用金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)在砷化镓衬底上面沉积GaAs缓冲层；
GaAs缓冲层，其n型掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，反应室压力为50-200mbar，生长温度为600–700℃，厚度范围为100-4000nm；
2.在GaAs缓冲层上生长第一隧道结，包括依次生长n型掺杂的n+-GaInP层和p型掺杂的p+-AlGaAs层，其中n+-GaInP层的掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1018-1×1021cm-3，厚度范围为10nm-100nm，生长温度为550–650℃；其中p+-AlGaAs层的掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1018-1×1021cm-3，厚度范围为10nm-100nm，生长温度为550–650℃；
3.在第一隧道结上生长第一GaAs子电池，包括依次生长n型掺杂的n-GaAs发射区层和p型掺杂的p-GaAs基区层，其中n-GaAs发射区层的掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，厚度范围为50nm-1000nm，生长温度为600–700℃；其中p-GaAs基区层的掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1015-1×1018cm-3，厚度范围为500nm-5000nm，生长温度为600–700℃；
4.在第一GaAs子电池上生长第二隧道结，包括依次生长n型掺杂的n+-GaInP层和p型掺杂的p+-AlGaAs层，其中n+-GaInP层的掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1018-1×1021cm-3，厚度范围为10nm-100nm，生长温度为550–650℃；其中p+-AlGaAs层的掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1018-1×1021cm-3，厚度范围为10nm-100nm，生长温度为550–650℃；
5.在第二隧道结上生长第二GaAs子电池，包括依次生长n型掺杂的n-GaAs发射区层和p型掺杂的p-GaAs基区层，其中n-GaAs发射区层的掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，厚度范围为50nm-1000nm，生长温度为600–700℃；其中p-GaAs基区层的掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1015-1×1018cm-3，厚度范围为500nm-5000nm，生长温度为600–700℃；
6.在第二子电池上生长cap层；
帽层为n型掺杂的n+-Ga1-xInxAs，其中0.01≤x≤0.4，掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1018-1×1021cm-3，厚度范围为50nm-1000nm，生长温度为550–700℃。
上述各层材料生长之后，总时间为1-3小时，之后的器件工序和正向匹配三结太阳电池完全相同，是公知的技术。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种两结激光电池外延层，其特征在于：包括从下至上依次设置在GaAs衬底上的GaAs缓冲层、第一隧道结、第一GaAs电池、第二隧道结、第二GaAs电池和cap层。
2.根据权利要求1所述的两结激光电池外延层，其特征在于：所述GaAs缓冲层使用n型掺杂剂，所述掺杂剂的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，所述GaAs缓冲层的厚度为100nm-4000nm。
3.根据权利要求1所述的两结激光电池外延层，其特征在于：所述第一隧道结包括依次设置的n型掺杂剂掺杂的n+-GaInP层和p型掺杂剂掺杂的p+-AlGaAs层，所述n+-GaInP层的厚度为10nm-100nm，掺杂浓度为1×1018-1×1021cm-3，所述p+-AlGaAs层的厚度为10nm-100nm，掺杂浓度为1×1018-1×1021cm-3。
4.根据权利要求1所述的两结激光电池外延层，其特征在于：所述第一GaAs电池包括依次设置的n型掺杂剂掺杂的n-GaAs发射区层和p型掺杂剂掺杂的p-GaAs基区层，所述发射区层的厚度为50nm-1000nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，所述基区层的厚度为500nm-5000nm，掺杂浓度为1×1015-1×1018cm-3。
5.根据权利要求1所述的两结激光电池外延层，其特征在于：所述第二隧道结包括依次设置的n型掺杂剂掺杂的n+-GaInP层和p型掺杂剂掺杂的p+-AlGaAs层，所述n+-GaInP层的厚度为10nm-100nm，掺杂浓度为1×1018-1×1021cm-3，所述p+-AlGaAs层的厚度为10nm-100nm，掺杂浓度为1×1018-1×1021cm-3。
6.根据权利要求1所述的两结激光电池外延层，其特征在于：所述第二GaAs电池包括依次设置的n型掺杂剂掺杂的n-GaAs发射区层和p型掺杂剂掺杂的p-GaAs基区层，所述发射区层的厚度为50nm-1000nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，所述基区层的厚度为500nm-5000nm，掺杂浓度为1×1015-1×1018cm-3。
7.根据权利要求1所述的两结激光电池外延层，其特征在于：所述cap层为n型掺杂剂掺杂的n+-Ga1-xInxAs，其中0.01≤x≤0.4，掺杂浓度为1×1018-1×1021cm-3，厚度为50nm-1000nm。
8.根据权利要求2-6任一所述的两结激光电池外延层，其特征在于：所述p型掺杂剂为Zn、Mg或C。
9.根据权利要求3-7任一所述的两结激光电池外延层，其特征在于：所述n型掺杂剂为Si、Se或Te。
10.一种制备如权利要求1-7任一所述两结激光电池外延层的方法，其特征是包括以下步骤：采用金属有机化学气相沉积技术在所述GaAs衬底上沉积所述GaAs缓冲层；在所述GaAs缓冲层上依次生长所述第一隧道结、所述第一GaAs子电池、所述第二隧道结、所述第二GaAs子电池和所述cap层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170510 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |