CN203071094U

CN203071094U - 一种激光光纤供能电池及激光光纤供能系统

Info

Publication number: CN203071094U
Application number: CN2012207449997U
Authority: CN
Inventors: 刘守华; 高倩; 温成龙; 吕辉; 王双保
Original assignee: WUHAN AOWEI ENERGY TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: WUHAN AOWEI ENERGY TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2022-12-31

Abstract

本实用新型公开了一种激光光纤供能系统，包括激光器，传能光纤和光伏电池，其中光伏电池包括半绝缘衬底和盖帽层，该激光光纤供能电池的电极结构从下到上依次为N电极导电层、背反射层、基极层、发射极层和P电极导电层；N电极导电层外延生长在半绝缘衬底上，盖帽层在P电极导电层之上，半绝缘衬底采用未掺杂的锗基底。本实用新型中采用锗材料制作光伏电池，由于锗材料硬度且在900nm到1800nm都有比较高的量子效率，因此可以直接使用980纳米、1310纳米和1550纳米的激光器和普通多模光纤，传输损耗更低，并且在工艺制作过程中不易碎。

Description

一种激光光纤供能电池及激光光纤供能系统

技术领域

本实用新型涉及太阳能聚光电池技术领域，尤其涉及一种激光光纤供能电池及激光光纤供能系统。

背景技术

由于光纤具有绝缘，抗腐蚀，非易燃易爆的特点，因此相比较传统电力铜缆，使用光纤来传递能量能够更为可靠，并且在一些例如高压，易爆，易腐蚀或者太空领域的常规电力铜缆无法正常使用的场合，激光光纤供能则能够发挥更大的作用。

激光光纤供能系统一般由激光器，传能光纤，光伏电池三部分组成，高效率的光伏电池是系统中的核心，它是利用光生伏特效应将高密度的入射单色光直接转换为电能给负载进行供电。为了尽量获取更多的电力，高效率是光供能电池最重要的指标之一，由于入射光谱正好位于电池最大外量子效率点，因此相比较常规的广谱太阳能电池来说，光供能电池能够提供更高的光电转换效率。

砷化镓材料是激光光纤供能电池最常用的材料，这个主要是因为砷化镓是直接带隙半导体材料，吸收系数高，温度系数低，禁带宽度大，并且砷化镓太阳能电池能够无缺陷直接外延在半绝缘的砷化镓材料上，因此在激光光纤供能电池中得到广泛应用。但是砷化镓材料相比较其它半导体材料，其成本较高，并且砷化镓材料本身非常易碎，因此在制作中需要额外注意。

此外，相对于砷化镓材料的最大吸收峰值在830nm附近，因此在此类光供能系统中，激光器一般采用830nm大功率激光器，而对应的激光器往往采用铝镓砷/砷化镓异质结激光器，或者采用多光束的阵列激光器或者固体激光器，而此类激光器的成本较高，从而导致整个系统的造价上升。

另外对于传能光纤来说，尽管830nm正好位于光通信损耗较小的第一窗口，但是相比较损耗更小的第二窗口1310nm和第三窗口1550nm来说，830nm的光能损耗依旧接近其它两个窗口的两倍，而对于砷化镓材料来说由于其截止波长在870nm附近，因而不能够直接使用损耗更小的第二和第三窗口，导致这样的砷化镓光供能系统在长距离能源传输中受限比较大。

为了解决这个问题，也有人提出采用禁带宽度更小的磷化铟材料来制作光供能电池，从而能够在光纤传输损耗更小的第二窗口使用，但是由于磷化铟材料的禁带宽度较小，因而开路电压较低，因此需要额外更多数量的电池串联来达到负载需求，并且这样会导致系统制作工艺复杂，从而成本进一步增加。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于针对现有技术中砷化镓材料制成的激光光纤供能电池成本较高，采用的激光器造价高导致整个激光光纤供能系统的造价上升的缺陷，提供一种激光光纤供能电池及激光光纤供能系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种激光光纤供能电池，包括半绝缘衬底和盖帽层，所述的半绝缘衬底采用未掺杂的锗基底。

按上述方案，所述激光光纤供能电池的电极结构从下到上依次为N电极导电层、背反射层、基极层、发射极层和P电极导电层；N电极导电层外延生长在半绝缘衬底上，盖帽层在P电极导电层之上。

按上述方案，所述激光光纤供能电池的半绝缘衬底厚度为100um到700um； N电极导电层厚度为0.5um到5um；背反射层在N电极导电层之上，厚度为002um到0.2um；基极层在背反射层之上，厚度为0.5um到3um；发射极层在基极层之上，厚度为0.05um到1um；P电极导电层在发射极层之上，厚度为0.5um到5um；盖帽层在P电极导电层之上，厚度为0.2um到0.5um。

按上述方案，所述的N电极导电层采用高掺杂浓度并且具有一定厚度的材料。

按上述方案，所述的背反射层采用高禁带宽度和高掺杂浓度的材料。

按上述方案，所述的背反射层采用稼铟磷或者铝稼砷。

按上述方案，其特征在于，该激光光纤供能电池是将多个子电池串联在同一个半绝缘衬底上

根据上述激光光纤供能电池，本实用新型还提供一种激光光纤供能系统，其技术方案为：

一种激光光纤供能系统，包括激光器，传能光纤和光伏电池，所述光伏电池包括半绝缘衬底和盖帽层，其特征在于，所述的半绝缘衬底采用未掺杂的锗基底。

按上述方案，所述光伏电池的电极结构从下到上依次为N电极导电层、背反射层、基极层、发射极层和P电极导电层，N电极导电层外延生长在半绝缘衬底上，盖帽层在P电极导电层之上。

按上述方案，所述光伏电池的半绝缘衬底厚度为100um到700um； N电极导电层厚度为0.5um到5um；背反射层在N电极导电层之上，厚度为002um到0.2um；基极层在背反射层之上，厚度为0.5um到3um；发射极层在基极层之上，厚度为0.05um到1um；P电极导电层在发射极层之上，厚度为0.5um到5um；盖帽层在P电极导电层之上，厚度为0.2um到0.5um。

按上述方案，所述光伏电池的N电极导电层采用高掺杂浓度并且具有一定厚度的材料。

按上述方案，所述光伏电池的背反射层采用高禁带宽度和高掺杂浓度的材料。

按上述方案，所述光伏电池的背反射层采用稼铟磷或者铝稼砷。

按上述方案，所述光伏电池是将多个子电池串联在同一个半绝缘衬底上。

按上述方案，所述的激光器为大功率980nm泵浦激光器。

本实用新型产生的有益效果是：

1. 砷化镓材料本身非常易碎，锗材料硬度比砷化镓要高，因此在工艺制作过程中不易碎。

2. 相对砷化镓材料，其截至波长在950nm附近，因而对于砷化镓光供能电池是不能直接使用损耗更低的1310窗口和1550窗口；锗材料在900nm到1800nm都有比较高的量子效率，因此可以直接使用1310nm和1550nm的低损耗窗口，这样就避免了需要不同窗口使用不同材料电池的问题，具有一定的窗口兼容性

3. 由于锗材料在980nm附近也有比较高的量子效率，因此，供能系统能够直接使用已经非常成熟的大功率980nm泵浦激光器，与830nm的铝镓砷/砷化镓异质结激光器相比，大功率980nm泵浦激光器广泛用于光纤通信系统光放大器，不仅成本更为便宜，而且长期可靠性更高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是激光光纤供能系统示意图；

图2是砷化镓电池的外量子效率；

图3是锗电池的外量子效率；

图4是多模光纤传输损耗图；

图5是本实用新型所提出的锗激光电池结构图；

图6是本实用新型所提出的锗激光电池串联侧面结构图；

图7是本实用新型所提出的锗激光电池表面电极图；

其中，1是未掺杂的锗衬底，2是N型Ge导电层，3是背面反射层，4是电池基极，5是电池发射极，6是P极导电层，7是Ge盖帽层，8是金属电极，9是二氧化硅钝化层，10是聚酰亚胺绝缘层。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型明。

在本实施例中，如图1所示，激光光纤供能系统由大功率激光器，传能光纤，光伏电池三部分组成。

为了保证光供能电池的最大转换效率，大功率激光器的波长选择一般在光供能电池的最大外量子效率点附近，对于常用的砷化镓光供能电池，其最大外量子效率点在800nm左右，因而一般采用输出波长在830nm的铝镓砷/砷化镓异质结激光器。图2给出了砷化镓电池的量子效率，可以看出对于砷化镓材料，其截至波长在950nm附近，因而对于砷化镓光供能电池是不能直接使用损耗更低的1310窗口和1550窗口。

为了解决这个问题，我们提出一种以锗材料为基础的光供能电池，锗材料的禁带宽度是0.67ev，经常使用在三结聚光太阳能电池GaInP/GaAs/Ge中的最下一结，用来吸收能量更低的长波。锗材料硬度比砷化镓要高，因此在工艺制作中不易碎。

如图3所示，锗材料在900nm到1800nm都有比较高的量子效率，因此可以直接使用1310nm和1550nm的低损耗窗口，这样就避免了需要不同窗口使用不同材料电池的问题，具有一定的窗口兼容性。

另外，由于锗材料在980nm附近也有比较高的量子效率，因此，能够直接使用已经非常成熟的大功率980nm泵浦激光器，与830nm的铝镓砷/砷化镓异质结激光器相比，大功率980nm泵浦激光器广泛用于光纤通信系统光放大器，已经产品化多年，市场规模大，稳定性和可靠性满足20年以上要求，在成本方面则更为便宜。

此外，图4给出了多模光纤传输百公里损耗，可以看出尽管在光纤传输中980nm损耗依旧高于第二窗口和第三窗口损耗，但是与常规850nm的砷化镓激光光纤供能电池相比的损耗则降低了很多，由此可见，更宽的窗口兼容性，成本更低并且更可靠的激光光源，更低的传输损耗，这些优点使得我们所提出的基于锗材料的激光光纤供能系统有更多优势。

图5给出了本发明所提的锗激光光纤供能电池的一种结构，可以采用PPNN的结构。从下到上依次为，半绝缘衬底，N电极导电层，背反射层，基极层，发射极层，P电极导电层和盖帽层。其中，半绝缘衬底为最底层，典型厚度为100um到700um；重掺杂的N电极导电层外延生长在半绝缘衬底上，典型厚度为0.5um到5um；背反射层在N电极导电层之上，典型厚度为002um到0.2um；基极层在背反射层之上，典型厚度为0.5um到3um；发射极层在基极层之上，典型厚度为0.05um到1um；P电极导电层在发射极层之上，典型厚度为0.5um到5um；盖帽层在P电极导电层之上，典型厚度为0.2um到0.5um。

所述的锗激光光纤供能电池结构中的半绝缘衬底可以采用未掺杂的锗基底，这样一方面基底材料和外延材料可以保证晶格匹配，另外，由于锗材料的高硬度性，因而可以使得电池制作过程中不易碎裂；N电极导电层需要高掺杂浓度并且需要一定厚度，这样在电流传导时可以保证阻抗最小；背反射层一般为高禁带宽度和高掺杂浓度的材料，本发明中可以采用稼铟磷或者铝稼砷，这层的作用有两个，一是可以利用内部势垒差将部分没有完全吸收的光生载子反射回去，另外一个是在采用湿法刻蚀时可以作为刻蚀停止层；高浓度高厚度的基极层和薄厚度的发射极层构成了P/N结，用来分离和收集光生载子；顶层的高掺杂浓度盖帽层则可以保证金属电极和外延层的接触阻抗最小。

为了保证有足够的输出电压，本发明所提出的电池结构还要对多个子电池进行串联，图6给出了侧面结构，利用微电子工艺将多个电池串联在同一个半绝缘衬底上，可以保证激光光纤供能电池有效收光面积最大，并且这样的结构设计可以保证电池有足够的散热，从而提高了光电转换效率。

图7给出了本发明一个实例的表面电极图形，为了保证激光电池输出高的光电转换效率，电极设计需要考虑遮挡面积和接触阻抗，考虑到输入光斑为一典型高斯分布，因而可以设计内密外疏的电极分布，保证电流匹配。需要说明的是，不同电极图案只是表面图形有所区别，但还符合本专利所保护的范围。

利用这样的锗激光光纤供能电池，可以与980nm泵浦激光器构成一种低成本、高可靠性的激光光纤供能系统，并且可以扩展到多个其它窗口。

本发明中基于锗衬底的激光电池的制作工艺可以采取如下步骤，分为电池外延制作和电池后工艺制作两个部分：

一、电池外延制作可采用MOCVD或者MBE来生长其外延结构，分下面几个步骤：

1）采用半绝缘未掺杂的锗衬底1，典型厚度在100um到700um之间，来作为衬底同质生长锗外延材料。

2）首先生长一层典型厚度在1um到5um的N型Ge导电层2，掺杂浓度大于1x1019cm-3;

3) 在N极Ge导电层2上再生长典型厚度在0.02um到0.2um之间的N型GaxIn(1-x)P背面反射层3，其掺杂浓度大于1x1018cm-3，作为激光电池的背电场,X的取值可以在0.2到0.6之间；

4）在GaxIn(1-x)P背面反射层3上再生长一层典型厚度在0.5um到3um之间的N型Ge吸收层，作为激光电池基极4，掺杂浓度大于1x1017cm-3，再在其之上生长典型厚度为0.05um到1um之间的P型Ge吸收层，作为激光电池发射极5，该层的掺杂浓度大于1x1018cm-3，这两层结构形成电池的P/N结；

5）在电池发射极5上再生长一层典型厚度为1um到5um，掺杂浓度大于1x1018cm-3的P型GaxIn(1-x)P材料，作为P极导电层6，该X的取值可以在0.2到0.6之间；

6）最后在P极导电层6之上再生长一层掺杂浓度大于1x1019cm-3的P型Ge盖帽层7，用来与金属电极形成低阻抗的欧姆接触。

以上步骤完成锗激光电池材料的外延生长，下一步骤是对电池的后工艺制作。

二、为了满足实际负载的电压需求，电池后工艺制作需要串联多个电池以便达到需求电压，其基本步骤如下：

1）在锗激光电池基体上制作N极台面，可以通过湿法或者干法依次从上到下刻蚀盖帽层7，P极导电层6，Ge电池发射极5，Ge基极4，背面反射层3后露出N型导电层2，可以采用光刻胶或者二氧化硅作为掩模，根据刻蚀时间来确定刻蚀深度，而根据材料刻蚀选择比不同而得到需要台面；

2）通过干法或者湿法来刻蚀深隔离槽，所需刻蚀的典型深度应该大于电池的外延厚度，在1步骤的基础上从上到下刻蚀N型导电层2直到锗衬底1上，然后生长二氧化硅钝化膜防止侧面复合效率，并旋涂一层聚酰亚胺绝缘层来实现电气隔离；

3）利用光刻来制作表面电极图形掩模层，并通过电子束蒸发，溅射等方式制作Ti/Pt/Au金属电极，由于是在大功率高辐射强度的激光条件下使用，因此金属电极需要尽量增厚，从而减少接触电阻，典型厚度在1um到4um之间，最后利用lift-off工艺对表面电极进行剥离，实现表面电极图形化；

4）利用湿法对表面盖帽层进行选择性腐蚀，露出电池发射极5；

5）对电池表面进行单波长增镀抗反膜，可以选择TiO2/SiO2；

6）利用金丝键合工艺对各个子电池进行串联，为了保证大电流的低阻抗传输，金丝直径应该大于10um；

7）最后可以将制作好的锗激光光纤供能电池封装在TO管芯上，实现最终产品。

根据上述制作流程，可以实现本发明所提出的一种基于锗材料的激光光纤供能电池。

上述基于锗材料的激光光纤供能电池的N电极导电层可采用高掺杂浓度并且具有一定厚度的材料。

上述基于锗材料的激光光纤供能电池的背反射层采用高禁带宽度和高掺杂浓度的材料。这种材料可以是采用稼铟磷或铝稼砷。

利用这样的锗激光光纤供能电池，可以与980nm泵浦激光器，传能光纤共同构成一种低成本、高可靠性的激光光纤供能系统，并且可以扩展到多个其它窗口。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种激光光纤供能电池，其特征在于，包括半绝缘衬底和盖帽层，所述半绝缘衬底采用未掺杂的锗基底。

2.根据权利要求1所述的激光光纤供能电池，其特征在于，所述激光光纤供能电池的电极结构从下到上依次为N电极导电层、背反射层、基极层、发射极层和P电极导电层；N电极导电层外延生长在半绝缘衬底上，盖帽层在P电极导电层之上。

3.根据权利要求2所述的激光光纤供能电池，其特征在于，所述半绝缘衬底厚度为100um到700um； N电极导电层厚度为0.5um到5um；背反射层在N电极导电层之上，厚度为002um到0.2um；基极层在背反射层之上，厚度为0.5um到3um；发射极层在基极层之上，厚度为0.05um到1um；P电极导电层在发射极层之上，厚度为0.5um到5um；盖帽层在P电极导电层之上，厚度为0.2um到0.5um。

4.根据权利要求2所述的激光光纤供能电池，其特征在于，所述N电极导电层采用高掺杂浓度并且具有一定厚度的材料。

5.根据权利要求2所述的激光光纤供能电池，其特征在于，所述背反射层采用高禁带宽度和高掺杂浓度的材料。

6.根据权利要求5所述的激光光纤供能电池，其特征在于，所述背反射层采用稼铟磷或者铝稼砷。

7.根据权利要求1所述的激光光纤供能电池，其特征在于，该激光光纤供能电池是将多个子电池串联在同一个半绝缘衬底上。

8.一种激光光纤供能系统，包括激光器，传能光纤和光伏电池，所述光伏电池包括半绝缘衬底和盖帽层，其特征在于，所述的半绝缘衬底采用未掺杂的锗基底。

9.根据权利要求8所述的激光光纤供能系统，其特征在于，所述光伏电池的的电极结构从下到上依次为N电极导电层、背反射层、基极层、发射极层和P电极导电层；N电极导电层外延生长在半绝缘衬底上，盖帽层在P电极导电层之上。

10.根据权利要求9所述的激光光纤供能系统，其特征在于，所述光伏电池半绝缘衬底厚度为100um到700um； N电极导电层厚度为0.5um到5um；背反射层在N电极导电层之上，厚度为002um到0.2um；基极层在背反射层之上，厚度为0.5um到3um；发射极层在基极层之上，厚度为0.05um到1um；P电极导电层在发射极层之上，厚度为0.5um到5um；盖帽层在P电极导电层之上，厚度为0.2um到0.5um。