CN109920874A - 一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构及其制备方法，结构包括依次设置的金属薄膜衬底、高反射率金属层、介质层、薄型四结外延层；方法包括采用金属有机化学气相沉积技术制备薄型四结外延层；在外延片表面制备全方位反射器，采用等离子体增强化学气相沉积技术生长介质层，在介质层上腐蚀出周期性的微孔，在外延片表面蒸镀上高反射率的金属材料；采用电镀技术在全方位反射器表面制备金属薄膜衬底；通过化学腐蚀分别去掉砷化镓衬底和GaInP腐蚀停止层。本发明的有益效果：四个子电池的厚度大幅度减薄，大幅度降低了带电粒子辐射对四结电池的损失，减少了缺陷密度，提高了四结电池的抗辐照能力，从而促进四结电池在航天领域的应用。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池领域，尤其是涉及一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构及其制备方法。
背景技术
高效化是星用太阳电池的必然发展方向。高效太阳电池，可以在不明显增加电池阵重量的基础上提高输出功率，从而可以在卫星上添加更多的有效载荷，提高卫星利用率。但是，由于空间环境并非如地面环境一样温和，存在着紫外、等离子体等苛刻的条件，这些环境条件会对电池的正常工作产生显著的影响。尽管电池采用玻璃盖片进行防护，可以阻挡粉尘，原子氧，低能质子的影响，但是对于高能质子和高能电子，玻璃盖片未能完全屏蔽。这些高能粒子将造成电池电性能的衰降，从而影响电池的稳定性和使用寿命。
虽然基于“带隙匹配”设计思想的晶格失配四结太阳电池，通过优化子电池带隙在太阳光谱中的分布，相比于三结太阳电池提高了光电转换效率，但是晶格失配结构也使得电池的辐照损伤更为严重。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构及其制备方法，通过减薄四结太阳电池各子电池的厚度，减少辐照对电池造成的损伤，通过布拉格反射器(DBR)与全方位反射器(ODR)相结合的方法进行光控管理，避免减薄厚度对电性能的影响，产品制备工艺简单、成本较低，电性能参数符合太阳电池的使用要求，使太阳电池的抗辐照能力得到较大提升。
本发明的技术方案为：一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构，其特征在于包括依次设置的金属薄膜衬底、高反射率金属层、介质层、薄型四结外延层。
进一步地，所述薄型四结外延层包括依次设置的帽层、薄型GaInP电池、(AlGa)1- xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR、第一隧穿结、薄型GaAs电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAsDBR、渐变缓冲层、第二隧穿结、薄型第一结InxGa1-xAs电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAsDBR、渐变缓冲层、第三隧穿结、薄型第二结InxGa1-xAs电池。
进一步地，介质层为包括SiO2、MgF、ZnO、TiO2中的一种或多种组合的厚度范围为50nm～500nm的层状结构。
进一步地，介质层具有周期性的微孔，所述微孔直径为0.5um～5um，间距5um～20um，所述微孔在介质层上周期性分布。
进一步地，所述高反射率金属层为包括Au、Ag、Al中的一种的厚度范围为100nm～2000nm。
进一步地，所述金属薄膜衬底为包括Cu、Ti、Al、Zn中的一种生物厚度范围为10um～50um的层状结构。
一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、采用金属有机化学气相沉积技术，在砷化镓衬底上依次生长GaInP腐蚀停止层、冒层、薄型GaInP电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR、第一隧穿结、薄型GaAs电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR、渐变缓冲层、第二隧穿结、薄型第一结InxGa1-xAs电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR、渐变缓冲层、第三隧穿结、薄型第二结InxGa1-xAs电池；
步骤2、在薄型四结外延层表面制备全方位反射器，采用等离子体增强化学气相沉积技术生长介质层，通过光刻、化学腐蚀技术，在介质层上腐蚀出周期性的微孔，采用电子束蒸发技术在薄型四结外延层表面蒸镀上高反射率的金属材料；
步骤3、采用电镀技术在全方位反射器表面制备金属薄膜衬底；
步骤4、通过化学腐蚀分别去掉砷化镓衬底和GaInP腐蚀停止层。
步骤1采用金属有机化学气相沉积技术中中在砷化镓衬底上依次生长各层如下：
GaInP腐蚀停止层为厚度100nm～300nm本征GaInP层，生长温度为550～700℃；
帽层为n型掺杂的n+-GaAs，掺杂浓度为1×1018～1×1021cm-3，厚度范围为50nm～1000nm，生长温度为550–700℃；
薄型GaInP电池包括n型掺杂的n-GaInP发射区层和p型掺杂的p-GaInP基区层。其中，n-GaInP发射区的掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，厚度范围为10nm～100nm。p-GaInP基区层的掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3，厚度范围为200nm～1000nm，生长温度为550～700℃；
(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR，其中0.01≤x≤0.4和0.01≤y≤0.4，使用Zn、Mg或C作为p型掺杂剂，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，周期数的范围为5～30个，每个周期内，(AlGa)1-xInxAs的厚度范围为30nm～300nm，(AlGa)1-yInyAs的厚度范围为30nm～300nm，生长温度为550～700℃；
第一隧穿结包括n型的GaInP层和p型的AlxGa1-xAs层，其中n型的GaInP层掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1019～1×1021cm-3，厚度范围为10nm～100nm，p型的AlxGa1-xAs层掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1019～1×1021cm-3，0.2≤x≤0.5，厚度范围为10nm～100nm，生长温度为550～700℃；
薄型GaAs电池包括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发射区的掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，厚度范围为10nm～100nm。p-GaAs基区层的掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3，厚度范围为200nm～1000nm，生长温度为550～700℃；
渐变缓冲层为Inx(AlyGa1-y)1-xAs渐变层,包括晶格渐变的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层，其中0.01≤x≤0.6，0.4≤y≤0.9，厚度为500nm～5000nm，P型掺杂，掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，生长温度为550～700℃。
第二隧穿结包括n型的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层和p型的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层，其中0.2≤x≤0.5，0.5≤y≤0.7，掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3，n型掺杂剂为Si、Se或Te，p型掺杂剂为Zn、Mg或C，厚度范围为10nm～100nm，生长温度为550～700℃；
薄型第一结InxGa1-xAs电池包括n型掺杂的n-InxGa1-xAs发射区以及p型掺杂的p-InxGa1-xAs基区、其中0.2≤x≤0.5，0.5≤y≤0.7，n-InxGa1-xAs发射区厚度范围为10nm～100nm，掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，p-InxGa1-xAs基区厚度范围为200nm～1000nm，掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3，生长温度为550～700℃；
第三隧穿结包括n型的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层和p型的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层，其中0.2≤x≤0.6，0.4≤y≤0.9，掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3，n型掺杂剂为Si、Se或Te，p型掺杂剂为Zn、Mg或C，厚度范围为10nm～100nm，生长温度为550～700℃；
薄型第二结InxGa1-xAs电池包括n型掺杂的n-InxGa1-xAs发射区以及p型掺杂的p-InxGa1-xAs基区、其中0.2≤x≤0.6，0.4≤y≤0.9，n-InxGa1-xAs发射区厚度范围为10nm～100nm，掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，p-InxGa1-xAs基区厚度范围为200nm～1000nm，掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3，生长温度为550～700℃；。
进一步地，步骤2中用等离子体增强化学气相沉积技术生长介质层，所述介质层为包括SiO2、MgF、ZnO、TiO2中的一种或多种组合的厚度范围为50nm～500nm的层状结构。
进一步地，步骤2中光刻是指通过正胶光刻在介质层表面绘制出周期性的微孔模型，光刻胶厚度0.5um～2um，微孔直径为0.5um～5um，间距5um～20um，周期性分布；
优选地，步骤2中化学腐蚀是指通过用化学腐蚀液将介质层腐蚀出微孔，再用丙酮去掉光刻胶，化学腐蚀液的配比为HF：H2O＝1:1,腐蚀温度为常温，腐蚀时间为10s～60s；
优选地，步骤2中采用电子束蒸发技术在薄型四结外延层表面蒸镀上高反射率的金属材料形成高反射率金属层，高反射率的金属材料包括Au、Ag、Al中的一种，厚度范围为100nm
进一步地，步骤3中采用电镀技术在全方位反射器(ODR)表面制备金属薄膜衬底，金属薄膜衬底包括Cu、Ti、Al、Zn中的一种，厚度范围为10um～50um。
进一步地，步骤4中通过化学腐蚀分别去掉砷化镓衬底和GaInP腐蚀停止层具体是包括通过配比为H2SO4:H2O2:H2O＝1:1:5化学腐蚀液去掉砷化镓衬底，腐蚀液温度范围为25℃～40℃，腐蚀时间为60min～120min；
通过配比为HCl：H2O＝1:1化学腐蚀液去掉GaInP腐蚀停止层，腐蚀温度为常温，腐蚀时间为30s～120s。
本发明具有的优点和积极效果为：通过减薄四结太阳电池各子电池的厚度，减少辐照对电池造成的损伤，通过布拉格反射器(DBR)与全方位反射器(ODR)相结合的方法进行光控管理，避免减薄厚度对电性能的影响，产品制备工艺简单、成本较低，电性能参数符合太阳电池的使用要求，使太阳电池的抗辐照能力得到较大提升。
附图说明
图1是本发明的一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构的薄型四结外延层结构的结构示意图；
图2是本发明的在薄型四结外延层表面制备全方位反射器的结构示意图；
图3是本发明的一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构结构示意图。
图1中，101、砷化镓衬底；102、GaInP腐蚀停止层；103、帽层；104、薄型GaInP电池；105、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR；106、第一隧穿结；107、薄型GaAs电池；108、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR；109、渐变缓冲层；110、第二隧穿结；111、薄型第一结InxGa1-xAs电池；112、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR；113、渐变缓冲层；114、第三隧穿结；115、薄型第二结InxGa1-xAs电池；
图2中，201、砷化镓衬底；202、薄型四结外延层；203、介质层；204、高反射率金属层；
图3中，301、金属薄膜衬底；302、高反射率金属层；303、介质层；304、薄型四结外延层；
具体实施方式
下面结合附图对本发明所提供的具体说明。
一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构，包括依次设置的金属薄膜衬底、高反射率金属层、介质层、薄型四结外延层。
进一步地，所述薄型四结外延层包括依次设置的帽层、薄型GaInP电池、(AlGa)1- xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR、第一隧穿结、薄型GaAs电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAsDBR、渐变缓冲层、第二隧穿结、薄型第一结InxGa1-xAs电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAsDBR、渐变缓冲层、第三隧穿结、薄型第二结InxGa1-xAs电池。
进一步地，介质层为包括SiO2、MgF、ZnO、TiO2中的一种或多种组合的厚度范围为50nm～500nm的层状结构。
进一步地，介质层具有周期性的微孔，所述微孔直径为0.5um～5um，间距5um～20um，所述微孔在介质层上周期性分布。
进一步地，所述高反射率金属层为包括Au、Ag、Al中的一种的厚度范围为100nm～2000nm。
进一步地，所述金属薄膜衬底为包括Cu、Ti、Al、Zn中的一种生物厚度范围为10um～50um的层状结构。
一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、采用金属有机化学气相沉积技术，在砷化镓衬底上依次生长GaInP腐蚀停止层、冒层、薄型GaInP电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR、第一隧穿结、薄型GaAs电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR、渐变缓冲层、第二隧穿结、薄型第一结InxGa1-xAs电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR、渐变缓冲层、第三隧穿结、薄型第二结InxGa1-xAs电池；
步骤2、在薄型四结外延层表面制备全方位反射器，采用等离子体增强化学气相沉积技术生长介质层，通过光刻、化学腐蚀技术，在介质层上腐蚀出周期性的微孔，采用电子束蒸发技术在薄型四结外延层表面蒸镀上高反射率的金属材料；
步骤3、采用电镀技术在全方位反射器表面制备金属薄膜衬底；
步骤4、通过化学腐蚀分别去掉砷化镓衬底和GaInP腐蚀停止层。
步骤1采用金属有机化学气相沉积技术中中在砷化镓衬底上依次生长各层如下：
GaInP腐蚀停止层为厚度100nm～300nm本征GaInP层，生长温度为550～700℃；
帽层为n型掺杂的n+-GaAs，掺杂浓度为1×1018～1×1021cm-3，厚度范围为50nm～1000nm，生长温度为550–700℃；
薄型GaInP电池包括n型掺杂的n-GaInP发射区层和p型掺杂的p-GaInP基区层。其中，n-GaInP发射区的掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，厚度范围为10nm～100nm。p-GaInP基区层的掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3，厚度范围为200nm～1000nm，生长温度为550～700℃；
(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR，其中0.01≤x≤0.4和0.01≤y≤0.4，使用Zn、Mg或C作为p型掺杂剂，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，周期数的范围为5～30个，每个周期内，(AlGa)1-xInxAs的厚度范围为30nm～300nm，(AlGa)1-yInyAs的厚度范围为30nm～300nm，生长温度为550～700℃；
第一隧穿结包括n型的GaInP层和p型的AlxGa1-xAs层，其中n型的GaInP层掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1019～1×1021cm-3，厚度范围为10nm～100nm，p型的AlxGa1-xAs层掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1019～1×1021cm-3，0.2≤x≤0.5，厚度范围为10nm～100nm，生长温度为550～700℃；
薄型GaAs电池包括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发射区的掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，厚度范围为10nm～100nm。p-GaAs基区层的掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3，厚度范围为200nm～1000nm，生长温度为550～700℃；
渐变缓冲层为Inx(AlyGa1-y)1-xAs渐变层,包括晶格渐变的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层，其中0.01≤x≤0.6，0.4≤y≤0.9，厚度为500nm～5000nm，P型掺杂，掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，生长温度为550～700℃。
第二隧穿结包括n型的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层和p型的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层，其中0.2≤x≤0.5，0.5≤y≤0.7，掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3，n型掺杂剂为Si、Se或Te，p型掺杂剂为Zn、Mg或C，厚度范围为10nm～100nm，生长温度为550～700℃；
薄型第一结InxGa1-xAs电池包括n型掺杂的n-InxGa1-xAs发射区以及p型掺杂的p-InxGa1-xAs基区、其中0.2≤x≤0.5，0.5≤y≤0.7，n-InxGa1-xAs发射区厚度范围为10nm～100nm，掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，p-InxGa1-xAs基区厚度范围为200nm～1000nm，掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3，生长温度为550～700℃；
第三隧穿结包括n型的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层和p型的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层，其中0.2≤x≤0.6，0.4≤y≤0.9，掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3，n型掺杂剂为Si、Se或Te，p型掺杂剂为Zn、Mg或C，厚度范围为10nm～100nm，生长温度为550～700℃；
薄型第二结InxGa1-xAs电池包括n型掺杂的n-InxGa1-xAs发射区以及p型掺杂的p-InxGa1-xAs基区、其中0.2≤x≤0.6，0.4≤y≤0.9，n-InxGa1-xAs发射区厚度范围为10nm～100nm，掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，p-InxGa1-xAs基区厚度范围为200nm～1000nm，掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3，生长温度为550～700℃。
进一步地，步骤2中用等离子体增强化学气相沉积技术生长介质层，所述介质层为包括SiO2、MgF、ZnO、TiO2中的一种或多种组合的厚度范围为50nm～500nm的层状结构。
进一步地，步骤2中光刻是指通过正胶光刻在介质层表面绘制出周期性的微孔模型，光刻胶厚度0.5um～2um，微孔直径为0.5um～5um，间距5um～20um，周期性分布；
优选地，步骤2中化学腐蚀是指通过用化学腐蚀液将介质层腐蚀出微孔，再用丙酮去掉光刻胶，化学腐蚀液的配比为HF：H2O＝1:1,腐蚀温度为常温，腐蚀时间为10s～60s；
优选地，步骤2中采用电子束蒸发技术在薄型四结外延层表面蒸镀上高反射率的金属材料形成高反射率金属层，高反射率的金属材料包括Au、Ag、Al中的一种，厚度范围为100nm。
进一步地，步骤3中采用电镀技术在全方位反射器(ODR)表面制备金属薄膜衬底，金属薄膜衬底包括Cu、Ti、Al、Zn中的一种，厚度范围为10um～50um。
进一步地，步骤4中通过化学腐蚀分别去掉砷化镓衬底和GaInP腐蚀停止层具体是包括通过配比为H2SO4:H2O2:H2O＝1:1:5化学腐蚀液去掉砷化镓衬底，腐蚀液温度范围为25℃～40℃，腐蚀时间为60min～120min；
通过配比为HCl：H2O＝1:1化学腐蚀液去掉GaInP腐蚀停止层，腐蚀温度为常温，腐蚀时间为30s～120s。
实施例1
图3是本发明的一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构结构示意图，一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构，、包括依次设置的金属薄膜衬底、高反射率金属层、介质层、薄型四结外延层。
图1是本发明的一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构的薄型四结外延层结构的结构示意图；所述薄型四结外延层包括依次设置的帽层、薄型GaInP电池、(AlGa)1- xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR、第一隧穿结、薄型GaAs电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAsDBR、渐变缓冲层、第二隧穿结、薄型第一结InxGa1-xAs电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAsDBR、渐变缓冲层、第三隧穿结、薄型第二结InxGa1-xAs电池。
GaInP腐蚀停止层为厚度100nm～300nm本征GaInP层，生长温度为550～700℃；
帽层为n型掺杂的n+-GaAs，掺杂浓度为1×1018～1×1021cm-3，厚度范围为50nm～1000nm，生长温度为550–700℃；
薄型GaInP电池包括n型掺杂的n-GaInP发射区层和p型掺杂的p-GaInP基区层。其中，n-GaInP发射区的掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，厚度范围为10nm～100nm。p-GaInP基区层的掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3，厚度范围为200nm～1000nm，生长温度为550～700℃；
(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR，其中0.01≤x≤0.4和0.01≤y≤0.4，使用Zn、Mg或C作为p型掺杂剂，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，周期数的范围为5～30个，每个周期内，(AlGa)1-xInxAs的厚度范围为30nm～300nm，(AlGa)1-yInyAs的厚度范围为30nm～300nm，生长温度为550～700℃；
第一隧穿结包括n型的GaInP层和p型的AlxGa1-xAs层，其中n型的GaInP层掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1019～1×1021cm-3，厚度范围为10nm～100nm，p型的AlxGa1-xAs层掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1019～1×1021cm-3，0.2≤x≤0.5，厚度范围为10nm～100nm，生长温度为550～700℃；
薄型GaAs电池包括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发射区的掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，厚度范围为10nm～100nm。p-GaAs基区层的掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3，厚度范围为200nm～1000nm，生长温度为550～700℃；
渐变缓冲层为Inx(AlyGa1-y)1-xAs渐变层,包括晶格渐变的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层，其中0.01≤x≤0.6，0.4≤y≤0.9，厚度为500nm～5000nm，P型掺杂，掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，生长温度为550～700℃。
第二隧穿结包括n型的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层和p型的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层，其中0.2≤x≤0.5，0.5≤y≤0.7，掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3，n型掺杂剂为Si、Se或Te，p型掺杂剂为Zn、Mg或C，厚度范围为10nm～100nm，生长温度为550～700℃；
薄型第一结InxGa1-xAs电池包括n型掺杂的n-InxGa1-xAs发射区以及p型掺杂的p-InxGa1-xAs基区、其中0.2≤x≤0.5，0.5≤y≤0.7，n-InxGa1-xAs发射区厚度范围为10nm～100nm，掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，p-InxGa1-xAs基区厚度范围为200nm～1000nm，掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3，生长温度为550～700℃；
第三隧穿结包括n型的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层和p型的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层，其中0.2≤x≤0.6，0.4≤y≤0.9，掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3，n型掺杂剂为Si、Se或Te，p型掺杂剂为Zn、Mg或C，厚度范围为10nm～100nm，生长温度为550～700℃；
薄型第二结InxGa1-xAs电池包括n型掺杂的n-InxGa1-xAs发射区以及p型掺杂的p-InxGa1-xAs基区、其中0.2≤x≤0.6，0.4≤y≤0.9，n-InxGa1-xAs发射区厚度范围为10nm～100nm，掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，p-InxGa1-xAs基区厚度范围为200nm～1000nm，掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3，生长温度为550～700℃。
进一步地，介质层为包括SiO2、MgF、ZnO、TiO2中的一种或多种组合的厚度范围为50nm～500nm的层状结构。
进一步地，介质层具有周期性的微孔，所述微孔直径为0.5um～5um，间距5um～20um，所述微孔在介质层上周期性分布。
所述高反射率金属层为包括Au、Ag、Al中的一种的厚度范围为100nm～2000nm。
所述金属薄膜衬底为包括Cu、Ti、Al、Zn中的一种生物厚度范围为10um～50um的层状结构。
一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)制备薄型四结外延层结构，在砷化镓衬底上依次生长GaInP腐蚀停止层、帽层、薄型GaInP电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAsDBR、第一隧穿结、薄型GaAs电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR、渐变缓冲层、第二隧穿结、薄型第一结InxGa1-xAs电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR、渐变缓冲层、第三隧穿结、薄型第二结InxGa1-xAs电池；图1是本发明的一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构的薄型四结外延层结构的结构示意图
GaInP腐蚀停止层为厚度100nm～300nm本征GaInP层，生长温度为550～700℃；
帽层为n型掺杂的n+-GaAs，掺杂浓度为1×1018～1×1021cm-3，厚度范围为50nm～1000nm，生长温度为550–700℃；
薄型GaInP电池包括n型掺杂的n-GaInP发射区层和p型掺杂的p-GaInP基区层。其中，n-GaInP发射区的掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，厚度范围为10nm～100nm。p-GaInP基区层的掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3，厚度范围为200nm～1000nm，生长温度为550～700℃；
(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR，其中0.01≤x≤0.4和0.01≤y≤0.4，使用Zn、Mg或C作为p型掺杂剂，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，周期数的范围为5～30个，每个周期内，(AlGa)1-xInxAs的厚度范围为30nm～300nm，(AlGa)1-yInyAs的厚度范围为30nm～300nm，生长温度为550～700℃；
第一隧穿结包括n型的GaInP层和p型的AlxGa1-xAs层，其中n型的GaInP层掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1019～1×1021cm-3，厚度范围为10nm～100nm，p型的AlxGa1-xAs层掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1019～1×1021cm-3，0.2≤x≤0.5，厚度范围为10nm～100nm，生长温度为550～700℃；
薄型GaAs电池包括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发射区的掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，厚度范围为10nm～100nm。p-GaAs基区层的掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3，厚度范围为200nm～1000nm，生长温度为550～700℃；
渐变缓冲层为Inx(AlyGa1-y)1-xAs渐变层,包括晶格渐变的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层，其中0.01≤x≤0.6，0.4≤y≤0.9，厚度为500nm～5000nm，P型掺杂，掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，生长温度为550～700℃。
第二隧穿结包括n型的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层和p型的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层，其中0.2≤x≤0.5，0.5≤y≤0.7，掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3，n型掺杂剂为Si、Se或Te，p型掺杂剂为Zn、Mg或C，厚度范围为10nm～100nm，生长温度为550～700℃；
薄型第一结InxGa1-xAs电池包括n型掺杂的n-InxGa1-xAs发射区以及p型掺杂的p-InxGa1-xAs基区、其中0.2≤x≤0.5，0.5≤y≤0.7，n-InxGa1-xAs发射区厚度范围为10nm～100nm，掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，p-InxGa1-xAs基区厚度范围为200nm～1000nm，掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3，生长温度为550～700℃；
第三隧穿结包括n型的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层和p型的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层，其中0.2≤x≤0.6，0.4≤y≤0.9，掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3，n型掺杂剂为Si、Se或Te，p型掺杂剂为Zn、Mg或C，厚度范围为10nm～100nm，生长温度为550～700℃；
薄型第二结InxGa1-xAs电池包括n型掺杂的n-InxGa1-xAs发射区以及p型掺杂的p-InxGa1-xAs基区、其中0.2≤x≤0.6，0.4≤y≤0.9，n-InxGa1-xAs发射区厚度范围为10nm～100nm，掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，p-InxGa1-xAs基区厚度范围为200nm～1000nm，掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3，生长温度为550～700℃。
(2)采用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)，在外延片表面生长介质层。介质层包括SiO2、MgF、ZnO、TiO2中的一种或多种组合，厚度范围为50nm～500nm；图2是本发明的在薄型四结外延层表面制备全方位反射器的结构示意图；
(3)通过正胶光刻，在介质层表面绘制出周期性的微孔模型，光刻胶厚度0.5um～2um，微孔直径为0.5um～5um，间距5um～20um，周期性分布；
(4)用化学腐蚀液将介质层腐蚀出微孔，再用丙酮去掉光刻胶。
化学腐蚀液的配比为HF：H2O＝1:1,腐蚀温度为常温，腐蚀时间为10s～60s；
(5)采用电子束蒸发技术在外延片表面蒸镀上高反射率的金属材料，高反射率的金属材料包括Au、Ag、Al中的一种，厚度范围为100nm～2000nm；
(6)采用电镀技术在全方位反射器(ODR)表面制备金属薄膜衬底，金属薄膜衬底包括Cu、Ti、Al、Zn中的一种，厚度范围为10um～50um；图3是本发明的一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构结构示意图。
(7)通过配比为H2SO4:H2O2:H2O＝1:1:5化学腐蚀液去掉砷化镓衬底，腐蚀液温度范围为25℃～40℃，腐蚀时间为60min～120min
(8)通过配比为HCl：H2O＝1:1化学腐蚀液去掉GaInP腐蚀停止层，腐蚀温度为常温，腐蚀时间为30s～120s；
与现有技术相比，四个子电池的厚度大幅度减薄，从而大幅度的降低了带电粒子辐射对四结电池的损失，减少了缺陷密度，提高了四结电池的抗辐照能力，从而促进四结电池在航天领域的应用；
在四结太阳电池中加入布拉格反射器(DBR)与全方位反射器(ODR)结构，通过布拉格反射器(DBR)与全方位反射器(ODR)相结合的方法进行光控管理，使得不被四个子电池吸收的光充分反射，弥补因子电池厚度大幅度减薄所造成的光吸收能力降低的问题。
以上对本发明的一个实例进行了详细说明，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 (11)
1.一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构，包括依次设置的金属薄膜衬底、高反射率金属层、介质层、薄型四结外延层。
2.根据权利要求1所述的一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构，其特征在于所述薄型四结外延层包括依次设置的帽层、薄型GaInP电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAsDBR、第一隧穿结、薄型GaAs电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR、渐变缓冲层、第二隧穿结、薄型第一结InxGa1-xAs电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR、渐变缓冲层、第三隧穿结、薄型第二结InxGa1-xAs电池。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构，其特征在于所述介质层为包括SiO2、MgF、ZnO、TiO2中的一种或多种组合的厚度范围为50nm～500nm的层状结构；
介质层具有周期性的微孔，所述微孔直径为0.5um～5um，间距5um～20um，所述微孔在介质层上周期性分布。
4.根据权利要求1或2所述的一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构，其特征在于所述高反射率金属层为包括Au、Ag、Al中的一种的厚度范围为100nm～2000nm。
5.根据权利要求1或2所述的一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构，其特征在于所述金属薄膜衬底为包括Cu、Ti、Al、Zn中的一种生物厚度范围为10um～50um的层状结构。
6.一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、采用金属有机化学气相沉积技术，在砷化镓衬底上依次生长GaInP腐蚀停止层、冒层、薄型GaInP电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR、第一隧穿结、薄型GaAs电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR、渐变缓冲层、第二隧穿结、薄型第一结InxGa1-xAs电池、(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR、渐变缓冲层、第三隧穿结、薄型第二结InxGa1-xAs电池；
步骤2、在外延片表面制备全方位反射器，采用等离子体增强化学气相沉积技术生长介质层，通过光刻、化学腐蚀技术，在介质层上腐蚀出周期性的微孔，采用电子束蒸发技术在外延片表面蒸镀上高反射率的金属材料；
步骤3、采用电镀技术在全方位反射器表面制备金属薄膜衬底；
步骤4、通过化学腐蚀分别去掉砷化镓衬底和GaInP腐蚀停止层。
7.根据权利要求6所述的一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构的制备方法，其特征在于步骤1采用金属有机化学气相沉积技术中在砷化镓衬底上依次生长各层如下：
GaInP腐蚀停止层为厚度100nm～300nm本征GaInP层，生长温度为550～700℃；
帽层为n型掺杂的n+-GaAs，掺杂浓度为1×1018～1×1021cm-3，厚度范围为50nm～1000nm，生长温度为550–700℃；
薄型GaInP电池包括n型掺杂的n-GaInP发射区层和p型掺杂的p-GaInP基区层，其中，n-GaInP发射区的掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，厚度范围为10nm～100nm。p-GaInP基区层的掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3，厚度范围为200nm～1000nm，生长温度为550～700℃；
(AlGa)1-xInxAs/(AlGa)1-yInyAs DBR，其中0.01≤x≤0.4和0.01≤y≤0.4，使用Zn、Mg或C作为p型掺杂剂，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，周期数的范围为5～30个，每个周期内，(AlGa)1-xInxAs的厚度范围为30nm～300nm，(AlGa)1-yInyAs的厚度范围为30nm～300nm，生长温度为550～700℃；
第一隧穿结包括n型的GaInP层和p型的AlxGa1-xAs层，其中n型的GaInP层掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1019～1×1021cm-3，厚度范围为10nm～100nm，p型的AlxGa1-xAs层掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1019～1×1021cm-3，0.2≤x≤0.5，厚度范围为10nm～100nm，生长温度为550～700℃；
薄型GaAs电池包括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发射区的掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，厚度范围为10nm～100nm。p-GaAs基区层的掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3，厚度范围为200nm～1000nm，生长温度为550～700℃；
渐变缓冲层为Inx(AlyGa1-y)1-xAs渐变层,包括晶格渐变的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层，其中0.01≤x≤0.6，0.4≤y≤0.9，厚度为500nm～5000nm，P型掺杂，掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，生长温度为550～700℃；
第二隧穿结包括n型的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层和p型的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层，其中0.2≤x≤0.5，0.5≤y≤0.7，掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3，n型掺杂剂为Si、Se或Te，p型掺杂剂为Zn、Mg或C，厚度范围为10nm～100nm，生长温度为550～700℃；
薄型第一结InxGa1-xAs电池包括n型掺杂的n-InxGa1-xAs发射区以及p型掺杂的p-InxGa1-xAs基区、其中0.2≤x≤0.5，0.5≤y≤0.7，n-InxGa1-xAs发射区厚度范围为10nm～100nm，掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，p-InxGa1-xAs基区厚度范围为200nm～1000nm，掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3，生长温度为550～700℃；
第三隧穿结包括n型的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层和p型的Inx(AlyGa1-y)1-xAs层，其中0.2≤x≤0.6，0.4≤y≤0.9，掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3，n型掺杂剂为Si、Se或Te，p型掺杂剂为Zn、Mg或C，厚度范围为10nm～100nm，生长温度为550～700℃；
薄型第二结InxGa1-xAs电池包括n型掺杂的n-InxGa1-xAs发射区以及p型掺杂的p-InxGa1-xAs基区、其中0.2≤x≤0.6，0.4≤y≤0.9，n-InxGa1-xAs发射区厚度范围为10nm～100nm，掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，p-InxGa1-xAs基区厚度范围为200nm～1000nm，掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3，生长温度为550～700℃。
8.根据权利要求6所述的一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构的制备方法，其特征在于步骤2中用等离子体增强化学气相沉积技术生长介质层，所述介质层为包括SiO2、MgF、ZnO、TiO2中的一种或多种组合的厚度范围为50nm～500nm的层状结构。
9.根据权利要求6所述的一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构的制备方法，其特征在于步骤2中光刻是指通过正胶光刻在介质层表面绘制出周期性的微孔模型，光刻胶厚度0.5um～2um，微孔直径为0.5um～5um，间距5um～20um，周期性分布；
优选地，步骤2中化学腐蚀是指通过用化学腐蚀液将介质层腐蚀出微孔，再用丙酮去掉光刻胶，化学腐蚀液的配比为HF：H2O＝1:1,腐蚀温度为常温，腐蚀时间为10s～60s；
优选地，步骤2中采用电子束蒸发技术在外延片表面蒸镀上高反射率的金属材料形成高反射率金属层，高反射率的金属材料包括Au、Ag、Al中的一种，厚度范围为100nm～2000nm。
10.根据权利要求6所述的一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构的制备方法，其特征在于步骤3中采用电镀技术在全方位反射器(ODR)表面制备金属薄膜衬底，金属薄膜衬底包括Cu、Ti、Al、Zn中的一种，厚度范围为10um～50um。
11.根据权利要求6所述的一种具有高抗辐照能力的四结太阳电池结构的制备方法，其特征在于步骤4中通过化学腐蚀分别去掉砷化镓衬底和GaInP腐蚀停止层具体是包括通过配比为H2SO4:H2O2:H2O＝1:1:5化学腐蚀液去掉砷化镓衬底，腐蚀液温度范围为25℃～40℃，腐蚀时间为60min～120min；
通过配比为HCl：H2O＝1:1化学腐蚀液去掉GaInP腐蚀停止层，腐蚀温度为常温，腐蚀时间为30s～120s。
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