CN112713205A - 一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。本发明提供的一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池，该太阳电池包括由下至上依次设置Ge衬底、外延层、射线吸收层和减反膜层；其中，所述射线吸收层由CdSe/ZnS组成，CdSe/ZnS采用的粒径为5‑15nm。该层在紫外区有强吸收现象，可以吸收高能的导电粒子，从而可以有效的减少宇宙空间射线对太阳电池的损伤，增强太阳电池的抗辐照能力。

Description

一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池及其制备方法。
背景技术
近年来，我国的太阳能电池技术得到迅猛的发展。砷化镓太阳能电池，具有较高的转换效率和优异的可靠性等优势，被广泛用于空间飞行器，例如导航卫星、通讯卫星，空间站和空间探测器等。飞行器在轨飞行期间要经历复杂恶劣的空间环境，太阳电池暴露于外部空间，必然会遭到宇宙空间射线的作用。空间射线主要由高能带电粒子组成，会对材料表面结构造成很大的损伤，严重影响飞行器在轨飞行的可靠性和使用寿命。因此开发出具有高抗辐照能力的太阳电池非常重要。
发明内容
基于此，本发明的一个方面是提供一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池，本发明通过在太阳电池结构中增加射线吸收层来增强其抗辐照能力。该射线吸收层由CdSe/ZnS组成，在紫外区有强吸收现象，可以吸收高能的导电粒子，从而可以有效的减少宇宙空间射线对太阳电池的损伤，增强太阳电池的抗辐照能力。射线吸收层在吸收高能的导电粒子后内部的电子和空穴会发生辐射复合，发射出波长在可见光区的荧光，有效的减少了能量远大于禁带宽度的入射光子在跃迁后产生的热量，降低了太阳电池的温度，进一步提高了太阳电池的可靠性。
本发明的另一个方面是提供一种基于上述砷化镓太阳电池的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明的第一方面提供一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池，该太阳电池包括由下至上依次设置的以下结构：
Ge衬底；
外延层；
射线吸收层；
减反膜层；
其中，所述射线吸收层由CdSe/ZnS组成，所述CdSe/ZnS是以CdSe为芯材，ZnS为壳材的核壳结构，CdSe/ZnS采用的粒径为5-15nm。
作为可选的技术方案，所述的太阳电池还包括下电极和上电极，所述下电极设置于所述Ge衬底背光一侧；所述上电极设置于所述外延层受光一侧。
作为可选的技术方案，所述减反膜层采用双层结构，包括TiO2为原料制备的内减反层和Al2O3为原料制备的外减反层，所述内减反层紧邻所述射线吸收层设置，所述外减反层远离所述射线吸收层设置。
作为可选的技术方案，所述内减反层和所述外减反层的厚度均为λ/4n，其中n为各自材料的折射率，λ为太阳光光波波长。
作为可选的技术方案，所述Ge衬底采用P型Ge衬底。
作为可选的技术方案，所述上电极由金属材料Au/AuGeNi/Au/Ag/Au复合而成，所述下电极由金属材料Pd/Ag/Au复合而成。
作为可选的技术方案，所述外延层采用三结砷化镓太阳电池结构，其包括依次设置的Ge底电池、InGaAs中电池、GaInP顶电池和GaAs接触层，其中Ge底电池紧邻所述Ge衬底设置。
本发明另一方面提供一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池的制备方法，如前所述太阳电池，其制备方法包括以下步骤：
步骤1）：在Ge衬底上生长三结砷化镓太阳电池的外延层得到带衬底的外延片；
步骤2）：在所述带衬底的外延片两个表面分别制作上电极和下电极，其中所述下电极设置于所述衬底层一侧，所述上电极设置于所述外延层一侧；
步骤3）：旋涂光刻胶制作电极保护掩膜图形，腐蚀掉电极区域之外的接触层，旋涂光刻胶制作主电极掩膜保护图形；
步骤4）：以CdSe/ZnS为原料在背离下电极的表面制作得到射线吸收层；
步骤5）：采用lift-off方式去除主电极掩膜保护图形，接着蒸镀减反膜层；
步骤6）：将电池半成品放入合金炉进行合金处理，然后用自动切割机将其切穿，进行端面腐蚀后得到砷化镓太阳电池。
作为可选的技术方案，步骤3）的具体步骤采用：在背离下电极一侧的表面旋涂负性光刻胶，经过曝光显影后，上电极区域被光刻胶覆盖保护，利用化学溶液腐蚀掉上电极区域以外的外延接触层材料，在上电极表面再次旋涂负性光刻胶，经过曝光显影后在主电极上方留下掩膜保护图形。
作为可选的技术方案，步骤4）的具体步骤采用：将CdSe/ZnS充分分散在正己烷溶液中，然后将混合液滴在背离下电极一侧的表面，通过旋涂的方式在表面留下一层薄膜；将其放到烘箱内100℃烘烤10min，使薄膜固化形成射线吸收层。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：本发明通过在太阳电池结构中增加射线吸收层来增强其抗辐照能力。该射线吸收层由CdSe/ZnS组成，通过特定粒径的CdSe/ZnS制成的射线吸收层在吸收高能的导电粒子后内部的电子和空穴会发生辐射复合，发射出波长在可见光区的荧光，有效的减少了能量远大于禁带宽度的入射光子在跃迁后产生的热量，在三结砷化镓太阳电池中应用，具有很好的抗辐照作用，降低了太阳电池的温度，进一步提高了太阳电池的可靠性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例所提供的高抗辐照三结砷化镓太阳电池结构示意图；
图2为射线吸收层的吸收光谱；
附图标记：1-下电极；2-Ge衬底；3-内减反层；4-外减反层；5-射线吸收层；7-外延层；8-上电极；11-减反膜层。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本申请的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
以下结合附图1-2对本申请进行详细说明。图1为本发明提供一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池，该太阳电池包括由下至上依次设置的以下结构：
Ge衬底2；
外延层7；
射线吸收层5；
减反膜层11；
其中，所述射线吸收层5由CdSe/ZnS组成，CdSe/ZnS是以CdSe为芯材，ZnS为壳材的核壳结构，CdSe/ZnS采用的粒径为5-15nm。
在本发明中，射线吸收层5由CdSe/ZnS组成，其中，CdSe/ZnS的含义是指CdSe和ZnS之间复合而成，该射线吸收层5由CdSe/ZnS组成，在紫外区有强吸收现象，可以吸收高能的导电粒子，从而可以有效的减少宇宙空间射线对太阳电池的损伤，增强太阳电池的抗辐照能力。根据一些具体实施方式，本发明中的应用的CdSe/ZnS，例如可采用以下制备方法：将硒粉溶于三正辛基膦制备硒前驱液，将醋酸锌和硫粉溶于油酸制备锌和硫混合前驱液，将氧化镉和十八烯加入到三口烧瓶内混合搅拌，抽真空然后回填氮气，除去三口烧瓶内的氧气和水分；将温度升至300℃，通过注射器将硒前驱液快速注入到三口烧瓶内，将温度降至280℃，保持10min，然后缓慢将锌和硫混合前驱液滴入到三口烧瓶内，继续反应120min，经后处理得到CdSe/ZnS。
本发明通过在太阳电池结构中增加射线吸收层5来增强其抗辐照能力。该射线吸收层5由CdSe/ZnS组成，CdSe/ZnS是以CdSe为芯材，ZnS为壳材的核壳结构，粒径在5-15nm，粒子的尺寸接近其激子波尔半径，电子和空穴的运动将受限，导致动能增加，原来连续的能带结构变成准分立能级，使得CdSe的有效带隙增加，相应的吸收光谱发生蓝移。体相CdSe的带隙为1.7eV，对应的吸收峰为730nm，射线吸收层的吸收光谱如图2所示，吸收峰在500nm，发生了非常明显的蓝移。当波长小于480nm，其吸收作用激增，可以吸收高能的导电粒子，从而可以有效的减少宇宙空间射线对太阳电池的损伤，增强太阳电池的抗辐照能力。三结砷化镓太阳电池中顶电池的带隙最大，为1.9eV，对应的吸收波长为653nm，当入射光子的能量远大于顶电池的禁带宽度时，很多能量会转换成热量使得太阳电池的温度升高，影响太阳电池的可靠性。射线吸收层5的吸收峰在500nm，可以吸收能量大于顶电池禁带宽度的光子，有效的减少了能量远大于禁带宽度的入射光子在跃迁后产生的热量，降低了太阳电池的温度，进一步提高了太阳电池的可靠性。此外，射线吸收层5对波长大于525nm的光几乎没有吸收，不会影响顶电池对太阳光的吸收，保证了太阳电池的效率不会受到影响。
本发明对所述上电极8和下电极1的材料并无特殊限定，可以为本领域技术人员熟知的适用于太阳电池的上电极8或下电极1。在本发明的某些具体实施例中，所述上电极8和所述下电极1为金属材料，所述金属材料选自Au、Ag、Al、Ti、Pt、Be、Ni、Ge和Pd中的一种或多种；在本发明的优选实施例中，所述上电极8的金属材料为Au/AuGeNi/Au/Ag/Au复合而成，所述下电极1为Pd/Ag/Au复合而成。
根据一些优选的实施方式，所述的太阳电池还包括下电极1和上电极8，所述下电极1设置于所述Ge衬底2背光一侧；所述上电极8设置于所述外延层7受光一侧。本发明对所述上电极8和下电极1的材料并无特殊限定，可以为本领域技术人员熟知的适用于太阳电池的上电极8或下电极1。在本发明的某些具体实施例中，所述上电极8和所述下电极1为金属材料，所述金属材料选自Au、Ag、Al、Ti、Pt、Be、Ni、Ge和Pd中的一种或多种；在本发明的优选实施例中，所述上电极8的金属材料为Au/AuGeNi/Au/Ag/Au复合而成，所述下电极1为Pd/Ag/Au复合而成。
本发明对减反膜层11的构造并无特殊限定，可以为本领域技术人员熟知太阳电池减反膜层11构造，在本发明的某些具体实施例中，所述减反膜层11采用双层结构，包括TiO2为原料制备的内减反层3和Al2O3为原料制备的外减反层4，所述内减反层3紧邻所述射线吸收层5设置，所述外减反层4远离所述射线吸收层5设置。所述内减反层3和所述外减反层4的厚度均为λ/4n，其中n为各自材料的折射率，λ为太阳光光波波长。
本发明对Ge衬底2的材料并无特殊限定，可以为本领域技术人员熟知适合用于太阳电池的Ge衬底2的材料，在本发明的某些具体实施例中，所述Ge衬底2采用P型Ge衬底2。
本发明对所述外延层7的结构并无特殊限定，可以为本领域技术人员熟知的适用于太阳电池的电池外延层结构，在本发明的某些具体实施例中，所述外延层7采用三结砷化镓太阳电池结构，其包括依次设置的Ge底电池、InGaAs中电池、GaInP顶电池和GaAs接触层，其中Ge底电池紧邻所述Ge衬底2设置。
本发明具体实施例的另一方面在于提供一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池的制备方法，如前所述太阳电池，其制备方法包括以下步骤：
步骤1）：在Ge衬底2上生长三结砷化镓太阳电池的外延层7得到带衬底的外延片；
步骤2）：在所述带衬底的外延片两个表面分别制作上电极8和下电极1，其中所述下电极1设置于所述衬底层一侧，所述上电极8设置于所述外延层7一侧；
步骤3）：旋涂光刻胶制作电极保护掩膜图形，腐蚀掉电极区域之外的接触层，旋涂光刻胶制作主电极掩膜保护图形；
步骤4）：以CdSe/ZnS为原料在背离下电极1的表面制作得到射线吸收层5；
步骤5）：采用lift-off方式去除主电极掩膜保护图形，接着蒸镀减反膜层11；
步骤6）：将电池半成品放入合金炉进行合金处理，然后用自动切割机将其切穿，进行端面腐蚀后得到砷化镓太阳电池。
在上述制备方法中，所采用的上电极8和下电极1的制作方式没有特别的限制，采用本领域常规选用的太阳电池的电极制作方法进行制作即可，本发明未作限定的方案也均可采用太阳电池常见的方法。根据一些具体的实施方式，步骤3）的具体步骤可采用：在背离下电极1一侧的表面旋涂负性光刻胶，经过曝光显影后，上电极8区域被光刻胶覆盖保护，利用化学溶液腐蚀掉上电极8区域以外的外延接触层材料，在上电极8表面再次旋涂负性光刻胶，经过曝光显影后在主电极上方留下掩膜保护图形。根据另一些具体的实施方式，步骤4）的具体步骤可采用：将CdSe/ZnS充分分散在正己烷中，然后将混合液滴在背离下电极1一侧的表面，通过旋涂的方式在表面留下一层薄膜；将其放到烘箱内100℃烘烤10min，使薄膜固化形成射线吸收层5。其中，正己烷的使用量没有特别的限制，能够将CdSe/ZnS较好分散利于后续的旋涂工作即可。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种砷化镓太阳电池的制备方法进行详细描述。
实施例1
本实施例提供一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池，其制备方法包括以下步骤：
1）提供一P型Ge衬底2，在Ge衬底2上依次生长Ge底电池、InGaAs中电池、GaInP顶电池、GaAs接触层进行外延层7制备得到带衬底的外延片；
2）将外延片放入丙酮溶液中超声清洗10min，在异丙醇溶液中超声清洗10min，旋涂负性光刻胶制作电极掩膜图形；
3）蒸镀上电极8金属材料Au/AuGeNi/Au/Ag/Au，采用lift-off剥离工艺得到上电极8；
4）将外延片再次放入到丙酮溶液中超声清洗10min，在异丙醇溶液中超声清洗10min，蒸镀下电极1金属材料Pd/Ag/Au，制得下电极1；
5）在背离下电极1一侧的表面旋涂负性光刻胶，经过曝光显影后，上电极8区域被光刻胶覆盖保护，利用化学溶液腐蚀掉上电极8区域以外的外延接触层材料；
6）在上电极8表面再次旋涂负性光刻胶，经过曝光显影后在主电极（主电极是指上电极两端的黑色部分，主要作为焊盘用来焊线）上方留下掩膜保护图形；
7）将CdSe/ZnS充分分散在正己烷中，然后将混合液滴在背离下电极一侧的表面，通过旋涂的方式在表面留下一层薄膜；
8）将其放到烘箱内100℃烘烤10min，使薄膜固化形成射线吸收层5，去除主电极上方的掩膜保护图形；
9）在射线吸收层5表面蒸镀依次蒸镀TiO2制备内减反层3，Al2O3原料制备外减反层4得到减反膜层11；
10）将电池半成品在380℃下进行合金8min，然后用自动切割机将其切穿，放到化学溶液中浸泡3min进行端面腐蚀，得到高抗辐照三结砷化镓太阳电池。
本实施例中未描述的内容可以参考本申请其余部分的相关描述。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本申请的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，其均应涵盖在本申请请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池，其特征在于，该太阳电池包括由下至上依次设置的以下结构：
Ge衬底；
外延层；
射线吸收层；
减反膜层；
其中，所述射线吸收层由CdSe/ZnS组成，CdSe/ZnS是以CdSe为芯材，ZnS为壳材的核壳结构，CdSe/ZnS采用的粒径为5-15nm。
2.根据权利要求1所述一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池，其特征在于，所述的太阳电池还包括下电极和上电极，所述下电极设置于所述Ge衬底背光一侧；所述上电极设置于所述外延层受光一侧。
3.根据权利要求1所述一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池，其特征在于，所述减反膜层采用双层结构，包括TiO2为原料制备的内减反层和Al2O3为原料制备的外减反层，所述内减反层紧邻所述射线吸收层设置，所述外减反层远离所述射线吸收层设置。
4.根据权利要求1所述一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池，其特征在于，所述内减反层和所述外减反层的厚度均为λ/4n，其中n为各自材料的折射率，λ为太阳光光波波长。
5.根据权利要求1所述一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池，其特征在于，所述Ge衬底采用P型Ge衬底。
6.根据权利要求1所述一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池，其特征在于，所述上电极由金属材料Au/AuGeNi/Au/Ag/Au复合而成，所述下电极由金属材料Pd/Ag/Au复合而成。
7.根据权利要求1所述一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池，其特征在于，所述外延层采用三结砷化镓太阳电池结构，其包括依次设置的Ge底电池、InGaAs中电池、GaInP顶电池和GaAs接触层，其中Ge底电池紧邻所述Ge衬底设置。
8.一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，如权利要求1-7任一项所述的太阳电池，其制备方法包括以下步骤：
步骤1）：在Ge衬底上生长三结砷化镓太阳电池的外延层得到带衬底的外延片；
步骤2）：在所述带衬底的外延片两个表面分别制作上电极和下电极，其中所述下电极设置于所述衬底层一侧，所述上电极设置于所述外延层一侧；
步骤3）：旋涂光刻胶制作电极保护掩膜图形，腐蚀掉电极区域之外的接触层，旋涂光刻胶制作主电极掩膜保护图形；
步骤4）：以CdSe/ZnS为原料在背离下电极的表面制作得到射线吸收层；
步骤5）：采用lift-off方式去除主电极掩膜保护图形，接着蒸镀减反膜层；
步骤6）：将电池半成品放入合金炉进行合金处理，然后用自动切割机将其切穿，进行端面腐蚀后得到砷化镓太阳电池。
9.根据权利要求8所述一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤3）的具体步骤采用：在背离下电极一侧的表面旋涂负性光刻胶，经过曝光显影后，上电极区域被光刻胶覆盖保护，利用化学溶液腐蚀掉上电极区域以外的外延接触层材料，在上电极表面再次旋涂负性光刻胶，经过曝光显影后在主电极上方留下掩膜保护图形。
10.根据权利要求8所述一种高抗辐照三结砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤4）的具体步骤采用：将CdSe/ZnS充分分散在正己烷溶液中，然后将混合液滴在背离下电极一侧的表面，通过旋涂的方式在表面留下一层薄膜；将其放到烘箱内100℃烘烤10min，使薄膜固化形成射线吸收层。
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