一种等离激元增强GaAs基多结太阳电池及其制备方法与流程

本发明涉及太阳电池领域，特别涉及一种等离激元增强GaAs基多结太阳电池及其制备方法。

背景技术：

GaAs基化合物太阳电池，因其较高的光电转换效率，良好的抗辐照性能和空间稳定性等优势近年来获得了飞速发展，是目前太空航天器的主要供电来源。目前多结太阳电池研究较多的体系是InGaP/GaAs/Ge结构电池，传统多结太阳电池虽可以提高器件的光电转换效率，然而随着层数的增加多结电池也存在一些新的问题。首先，InGaP/GaAs/Ge太阳电池带隙排布为1.84/1.42/0.67eV，底电池和中间子结电池较大的带隙失配导致Ge子电池中的光生电流大于其他子结中的电流，而多结叠层太阳电池的电流取决于子结中最小的光生电流，因此电流失配将导致部分光生电流损失进而影响器件效率；其次，多结叠层太阳电池对材料组分要求严格，器件在设计制备及测试等环节的复杂性和成本均大幅上升，器件的制备成本高昂也正是III-V族太阳电池无法真正实现民用的主要原因。因此研究如何在保持器件高的光电转换效率的同时有效简化器件的制备工艺成本，具有十分重要的意义。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种等离激元增强GaAs基多结太阳电池，光电转换效率高且成本低。

本发明的另一目的在于提供上述等离激元增强GaAs基多结太阳电池的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种等离激元增强GaAs基多结太阳电池，由下至上依次包括底电极、In_0.3Ga_0.7As底电池、隧穿结、GaAs顶电池和顶电极；所述In_0.3Ga_0.7As底电池由下至上依次包括p-In_0.3Ga_0.7As薄膜、第一n-In_0.3Ga_0.7As薄膜、Ag/Al合金纳米颗粒层和第二n-In_0.3Ga_0.7As薄膜。

所述p-In_0.3Ga_0.7As薄膜的厚度为60-600纳米，掺杂浓度为2×10¹⁷-5×10¹⁷cm^-3；所述第一n-In_0.3Ga_0.7As薄膜的厚度为20-80纳米，掺杂浓度为2×10¹⁷～5×10¹⁷cm^-3；所述Ag/Al合金纳米颗粒层中的Ag/Al纳米金属颗粒平均高度为10-20纳米，平均直径为10-30纳米；所述第二n-In_0.3Ga_0.7As薄膜的厚度为80-250纳米；掺杂浓度为2×10¹⁷～5×10¹⁷cm^-3。

所述隧穿结为重掺GaAs遂穿结，由下至上依次包括n-GaAs薄膜和p-GaAs薄膜，所述n-GaAs薄膜厚度为3-8纳米，掺杂浓度为1×10¹⁸～5×10¹⁸cm^-3；所述p-GaAs薄膜的厚度为3-8纳米，掺杂浓度为1×10¹⁸～5×10¹⁸cm^-3。

所述GaAs顶电池由下至上依次包括p-GaAs薄膜和n-GaAs薄膜；所述p-GaAs薄膜厚度为100-800纳米，掺杂浓度为1.5×10¹⁷-4×10¹⁸cm^-3；所述n-GaAs薄膜的厚度为2-5微米，掺杂浓度为1×10¹⁷-3×10¹⁷cm^-3。

所述底电极为AuGeNi薄膜，厚度为300-600纳米。

所述顶电极为Au薄膜，厚度为300-600纳米。

所述的等离激元增强GaAs基多结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)In_0.3Ga_0.7As底电池的制备：

(1-1)p-In_0.3Ga_0.7As薄膜的制备：利用分子束外延系统在衬底上生长p-In_0.3Ga_0.7As薄膜，生长温度为400-600℃，生长时间为0.5-2小时，镓源炉温度为800-1000℃，砷源炉温度为200-400℃，In源炉温度为600-800℃，Zn源炉温度为300-800℃；

(1-2)第一n-In_0.3Ga_0.7As薄膜的制备：利用分子束外延方法在p-In_0.3Ga_0.7As薄膜上制备第一n-In_0.3Ga_0.7As薄膜，生长温度为400-600℃，生长时间为20分钟-1小时，镓源炉温度为800-1000℃，砷源炉温度为200-400℃，In源炉温度为600-800℃，Si源炉温度为500-1200℃；

(1-3)Ag/Al合金纳米颗粒层的制备：采用电子束蒸发方法在第一n-In_0.3Ga_0.7As薄膜上生长Al/Ag纳米颗粒，生长功率为200-400瓦，生长时间为20-200秒；

(1-4)第二n-In_0.3Ga_0.7As薄膜的制备：利用分子束外延方法在p-In_0.3Ga_0.7As薄膜上制备第二n-In_0.3Ga_0.7As薄膜，生长温度为400-600℃，生长时间为1-3小时，镓源炉温度为800-1000℃，砷源炉温度为200-400℃，In源炉温度为600-800℃，Si源炉温度为500-1200℃；

(2)GaAs隧穿结的制备：利用分子束外延方法在第二n-In_0.3Ga_0.7As薄膜上生长n-GaAs薄膜，生长温度为400-600℃，生长时间为2分钟-5分钟，镓源炉温度为800-1000℃，砷源炉温度为200-400℃，Si源炉温度为500-1200℃；

利用分子束外延方法在n-GaAs薄膜表面生长p-GaAs薄膜，生长温度为400-600℃，生长时间为2分钟-5分钟，镓源炉温度为800-1000℃，砷源炉温度为200-400℃，Zn源炉温度为300-800℃；

(3)GaAs顶电池的制备：

(3-1)p-GaAs薄膜的制备：利用分子束外延系统生长p-GaAs薄膜，生长温度为300-600℃，生长时间为1-5小时，镓源炉温度为800-1000℃，砷源炉温度为200-400℃，Zn源炉温度为300-800℃；

(3-2)n-GaAs薄膜的制备：利用分子束外延系统生长n-GaAs薄膜，生长温度为300-600℃，生长时间为5-10小时，镓源炉温度为800-1000℃，砷源炉温度为200-400℃，Si源炉温度为500-1200℃；

(4)底电极的制备：首先采用激光衬底剥离方法将In_0.3Ga_0.7As底电池与衬底进行剥离，激光能量密度为200-3000mJ/cm²，剥离时间为10-20分钟；

采用电子束蒸发方法在In_0.3Ga_0.7As底电池的底面制备底电极，生长功率为200-400瓦，生长时间为20-200分钟生长底电极；生长完底电极后进行退火，退火温度为200-400℃，退火时间为10-60分钟；

(5)顶电极的制备：采用电子束蒸发方法在制备顶电极，生长功率为100-300瓦，生长时间为30-100分钟；生长完顶电极后进行退火，退火温度为200-400℃，退火时间为10-60分钟。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明通过在In_0.3Ga_0.7As子电池内部引入Al/Ag合金纳米颗粒，利用合金颗粒的散射截面增强对太阳光的散射效应，同时利用纳米颗粒周围强的局域场增强太阳电池的光吸收，最终实现电池高的光电转换效率。

(2)本发明通过金属表面等离激元增强III-V族GaAs基太阳电池的光电转换效率，实现低成本高效GaAs基太阳电池的制备。通过采用1eV的In_0.3Ga_0.7As与GaAs构建双结太阳电池，既能有效拓宽对太阳光谱的利用范围，同时子结电池间满足带隙匹配条件且每层均具有较高的晶体质量，最终有效提高电池的光电效率。

(3)本发明的制备方法简单有效，器件制备工艺成本明显降低，电池光电转换效率增强效果明显。

附图说明

图1为本发明的实施例的等离激元增强GaAs基多结太阳电池的结构示意图。

图2为本发明的实施例的等离激元增强GaAs基多结太阳电池的扫描电子显微镜照片。

图3为本发明的实施例的Al/Ag纳米颗粒的吸收谱。

图4为本发明的实施例的等离激元增强GaAs基多结太阳电池在引入Ag/Al纳米颗粒前后的电流-电压关系曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例的等离激元增强GaAs基多结太阳电池，由下至上依次包括底电极1、In_0.3Ga_0.7As底电池2、隧穿结3、GaAs顶电池4和顶电极5。

本实施例的等离激元增强GaAs基多结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)In_0.3Ga_0.7As底电池的制备：

(1-1)p-In_0.3Ga_0.7As薄膜的制备：利用分子束外延系统在衬底上生长p-In_0.3Ga_0.7As薄膜，生长温度为590℃，生长时间为2小时，镓源炉温度为950℃，砷源炉温度为285℃，In源炉温度为710℃，Zn源炉温度为400℃；

所述p-In_0.3Ga_0.7As薄膜的厚度为200纳米，掺杂浓度为3×10¹⁷cm^-3；

(1-2)第一n-In_0.3Ga_0.7As薄膜的制备：利用分子束外延方法在p-In_0.3Ga_0.7As薄膜上制备第一n-In_0.3Ga_0.7As薄膜，生长温度为590℃，生长时间为1小时，镓源炉温度为950℃，砷源炉温度为285℃，In源炉温度为710℃，Si源炉温度为600℃；

所述第一n-In_0.3Ga_0.7As薄膜的厚度为50纳米，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3；

(1-3)Ag/Al合金纳米颗粒层的制备：采用电子束蒸发方法在第一n-In_0.3Ga_0.7As薄膜上生长Al/Ag纳米颗粒，生长功率为300瓦，生长时间为60秒；

所述Ag/Al合金纳米颗粒层中的Ag/Al纳米金属颗粒平均高度为15纳米，平均直径为15纳米；

(1-4)第二n-In_0.3Ga_0.7As薄膜的制备：利用分子束外延方法在p-In_0.3Ga_0.7As薄膜上制备第二n-In_0.3Ga_0.7As薄膜，生长温度为590℃，生长时间为3小时，镓源炉温度为950℃，砷源炉温度为285℃，In源炉温度为710℃，Si源炉温度为600℃；

所述第二n-In_0.3Ga_0.7As薄膜的厚度为200纳米；掺杂浓度为3×10¹⁷cm^-3；

(2)GaAs隧穿结的制备：所述隧穿结为重掺GaAs遂穿结，由下至上依次包括n-GaAs薄膜和p-GaAs薄膜，所述n-GaAs薄膜厚度为5纳米，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3；所述p-GaAs薄膜的厚度为5纳米，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3；

利用分子束外延方法在第二n-In_0.3Ga_0.7As薄膜上生长n-GaAs薄膜，生长温度为580℃，生长时间为3分钟，镓源炉温度为950℃，砷源炉温度为285℃，Si源炉温度为600℃；

利用分子束外延方法在n-GaAs薄膜表面生长p-GaAs薄膜，生长温度为580℃，生长时间为3分钟，镓源炉温度为950℃，砷源炉温度为285℃，Zn源炉温度为600℃；

(3)GaAs顶电池的制备：

(3-1)p-GaAs薄膜的制备：利用分子束外延系统生长p-GaAs薄膜，生长温度为580℃，生长时间为3小时，镓源炉温度为950℃，砷源炉温度为285℃，Zn源炉温度为600℃；

所述p-GaAs薄膜厚度为500纳米，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3；

(3-2)n-GaAs薄膜的制备：利用分子束外延系统生长n-GaAs薄膜，生长温度为580℃，生长时间为8小时，镓源炉温度为950℃，砷源炉温度为285℃，Si源炉温度为600℃；

所述n-GaAs薄膜的厚度为3微米，掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3；

(4)底电极的制备：首先采用激光衬底剥离方法将In_0.3Ga_0.7As底电池与衬底进行剥离，激光能量密度为2000mJ/cm²，剥离时间为15分钟；

采用电子束蒸发方法在In_0.3Ga_0.7As底电池的底面制备底电极，生长功率为300瓦，生长时间为30分钟生长底电极；生长完底电极后进行退火，退火温度为400℃，退火时间为10分钟；所述底电极为AuGeNi薄膜，厚度为200纳米；

(5)顶电极的制备：采用电子束蒸发方法在制备顶电极，生长功率为100瓦，生长时间为30分钟；生长完顶电极后进行退火，退火温度为400℃，退火时间为10分钟；所述顶电极为Au薄膜，厚度为300纳米。

图2为本实施例的Ag/Al纳米颗粒的扫描电子显微镜照片，从图中可以看出Al/Ag纳米颗粒的分布十分均匀，颗粒的平均直径约为15纳米。图3为Al/Ag纳米颗粒的吸收谱，可以看出纳米颗粒在450-650纳米范围内有明显的吸收峰，因此通过纳米颗粒的吸收和散射作用可以明显提高太阳电池的光吸收效果。从图4的太阳电池电流-电压关系曲线中可以看出，单纯的GaAs基多结太阳电池的效率为28.50％，通过Ag/Al纳米颗粒的引入，由于电池的开路电压提高，填充因子得以改善，电池的光电转换效率提高到32.46％。

本发明在GaAs基多结太阳电池的In_0.3Ga_0.7As子结电池中引入Al/Ag纳米颗粒，由于纳米颗粒的局域表面等离子体效应，一方面可以增强对入射太阳光的散射作用，提高太阳光在有源区内部的传播距离从而提高光吸收。同时，Al/Ag纳米颗粒的局域表面等离激元被激发后，在颗粒周围会形成强的局域电场，根据费米黄金规则，这种强的局域电场可以提高电池入射光子的吸收速率，因此本发明制备的一种等离激元增强GaAs基多结太阳电池的光电转换效率得到明显的提高。

实施例2

本实施例的等离激元增强GaAs基多结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)In_0.3Ga_0.7As底电池的制备：

(1-1)p-In_0.3Ga_0.7As薄膜的制备：利用分子束外延系统在衬底上生长p-In_0.3Ga_0.7As薄膜，生长温度为400℃，生长时间为0.5小时，镓源炉温度为800℃，砷源炉温度为200℃，In源炉温度为600℃，Zn源炉温度为300℃；

所述p-In_0.3Ga_0.7As薄膜的厚度为60纳米，掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3；

(1-2)第一n-In_0.3Ga_0.7As薄膜的制备：利用分子束外延方法在p-In_0.3Ga_0.7As薄膜上制备第一n-In_0.3Ga_0.7As薄膜，生长温度为400℃，生长时间为20分钟，镓源炉温度为800℃，砷源炉温度为200℃，In源炉温度为600℃，Si源炉温度为500℃；

所述第一n-In_0.3Ga_0.7As薄膜的厚度为20纳米，掺杂浓度为3×10¹⁷cm^-3；

(1-3)Ag/Al合金纳米颗粒层的制备：采用电子束蒸发方法在第一n-In_0.3Ga_0.7As薄膜上生长Al/Ag纳米颗粒，生长功率为200瓦，生长时间为20秒；

所述Ag/Al合金纳米颗粒层中的Ag/Al纳米金属颗粒平均高度为10纳米，平均直径为10纳米；

(1-4)第二n-In_0.3Ga_0.7As薄膜的制备：利用分子束外延方法在p-In_0.3Ga_0.7As薄膜上制备第二n-In_0.3Ga_0.7As薄膜，生长温度为400℃，生长时间为1小时，镓源炉温度为800℃，砷源炉温度为200℃，In源炉温度为600℃，Si源炉温度为500℃；

所述第二n-In_0.3Ga_0.7As薄膜的厚度为200纳米；掺杂浓度为3×10¹⁷cm^-3；

(2)GaAs隧穿结的制备：所述隧穿结为重掺GaAs遂穿结，由下至上依次包括n-GaAs薄膜和p-GaAs薄膜，所述n-GaAs薄膜厚度为3纳米，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3；所述p-GaAs薄膜的厚度为3纳米，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3；

利用分子束外延方法在第二n-In_0.3Ga_0.7As薄膜上生长n-GaAs薄膜，生长温度为400℃，生长时间为2分钟，镓源炉温度为800℃，砷源炉温度为200℃，Si源炉温度为500℃；

利用分子束外延方法在n-GaAs薄膜表面生长p-GaAs薄膜，生长温度为400℃，生长时间为2分钟，镓源炉温度为800℃，砷源炉温度为200℃，Zn源炉温度为300℃；

(3)GaAs顶电池的制备：

(3-1)p-GaAs薄膜的制备：利用分子束外延系统生长p-GaAs薄膜，生长温度为300℃，生长时间为1小时，镓源炉温度为800℃，砷源炉温度为200℃，Zn源炉温度为300℃；

所述p-GaAs薄膜厚度为100-800纳米，掺杂浓度为1.5×10¹⁷-4×10¹⁸cm^-3；

(3-2)n-GaAs薄膜的制备：利用分子束外延系统生长n-GaAs薄膜，生长温度为300℃，生长时间为5小时，镓源炉温度为800℃，砷源炉温度为200℃，Si源炉温度为500℃；

所述n-GaAs薄膜的厚度为2微米，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3；

(4)底电极的制备：首先采用激光衬底剥离方法将In_0.3Ga_0.7As底电池与衬底进行剥离，激光能量密度为200mJ/cm²，剥离时间为10分钟；

采用电子束蒸发方法在In_0.3Ga_0.7As底电池的底面制备底电极，生长功率为200瓦，生长时间为20分钟生长底电极；生长完底电极后进行退火，退火温度为200℃，退火时间为10分钟；所述底电极为AuGeNi薄膜，厚度为300纳米；

(5)顶电极的制备：采用电子束蒸发方法在制备顶电极，生长功率为100瓦，生长时间为30分钟；生长完顶电极后进行退火，退火温度为200℃，退火时间为10分钟；所述顶电极为Au薄膜，厚度为300纳米。

本实施例的等离激元增强GaAs基多结太阳电池的测试结果与实施例1类似，在此不再赘述。

实施例3

本实施例的等离激元增强GaAs基多结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)In_0.3Ga_0.7As底电池的制备：

(1-1)p-In_0.3Ga_0.7As薄膜的制备：利用分子束外延系统在衬底上生长p-In_0.3Ga_0.7As薄膜，生长温度为600℃，生长时间为2小时，镓源炉温度为1000℃，砷源炉温度为400℃，In源炉温度为800℃，Zn源炉温度为800℃；

所述p-In_0.3Ga_0.7As薄膜的厚度为600纳米，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3；

(1-2)第一n-In_0.3Ga_0.7As薄膜的制备：利用分子束外延方法在p-In_0.3Ga_0.7As薄膜上制备第一n-In_0.3Ga_0.7As薄膜，生长温度为600℃，生长时间为1小时，镓源炉温度为1000℃，砷源炉温度为400℃，In源炉温度为800℃，Si源炉温度为1200℃；

所述第一n-In_0.3Ga_0.7As薄膜的厚度为80纳米，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3；

(1-3)Ag/Al合金纳米颗粒层的制备：采用电子束蒸发方法在第一n-In_0.3Ga_0.7As薄膜上生长Al/Ag纳米颗粒，生长功率为400瓦，生长时间为200秒；

所述Ag/Al合金纳米颗粒层中的Ag/Al纳米金属颗粒平均高度为20纳米，平均直径为30纳米；

(1-4)第二n-In_0.3Ga_0.7As薄膜的制备：利用分子束外延方法在p-In_0.3Ga_0.7As薄膜上制备第二n-In_0.3Ga_0.7As薄膜，生长温度为600℃，生长时间为3小时，镓源炉温度为1000℃，砷源炉温度为400℃，In源炉温度为800℃，Si源炉温度为1200℃；

所述第二n-In_0.3Ga_0.7As薄膜的厚度为250纳米；掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3；

(2)GaAs隧穿结的制备：所述隧穿结为重掺GaAs遂穿结，由下至上依次包括n-GaAs薄膜和p-GaAs薄膜，所述n-GaAs薄膜厚度为8纳米，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3；所述p-GaAs薄膜的厚度为8纳米，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3；

利用分子束外延方法在第二n-In_0.3Ga_0.7As薄膜上生长n-GaAs薄膜，生长温度为600℃，生长时间为5分钟，镓源炉温度为1000℃，砷源炉温度为400℃，Si源炉温度为1200℃；

利用分子束外延方法在n-GaAs薄膜表面生长p-GaAs薄膜，生长温度为600℃，生长时间为5分钟，镓源炉温度为1000℃，砷源炉温度为400℃，Zn源炉温度为800℃；

(3)GaAs顶电池的制备：

(3-1)p-GaAs薄膜的制备：利用分子束外延系统生长p-GaAs薄膜，生长温度为600℃，生长时间为5小时，镓源炉温度为1000℃，砷源炉温度为400℃，Zn源炉温度为800℃；

所述p-GaAs薄膜厚度为800纳米，掺杂浓度为4×10¹⁸cm^-3；

(3-2)n-GaAs薄膜的制备：利用分子束外延系统生长n-GaAs薄膜，生长温度为600℃，生长时间为10小时，镓源炉温度为1000℃，砷源炉温度为400℃，Si源炉温度为1200℃；

所述n-GaAs薄膜的厚度为5微米，掺杂浓度为3×10¹⁷cm^-3；

(4)底电极的制备：首先采用激光衬底剥离方法将In_0.3Ga_0.7As底电池与衬底进行剥离，激光能量密度为3000mJ/cm²，剥离时间为20分钟；

采用电子束蒸发方法在In_0.3Ga_0.7As底电池的底面制备底电极，生长功率为400瓦，生长时间为200分钟生长底电极；生长完底电极后进行退火，退火温度为400℃，退火时间为60分钟；所述底电极为AuGeNi薄膜，厚度为600纳米；

(5)顶电极的制备：采用电子束蒸发方法在制备顶电极，生长功率为300瓦，生长时间为100分钟；生长完顶电极后进行退火，退火温度为400℃，退火时间为60分钟；所述顶电极为Au薄膜，厚度为600纳米。

本实施例的等离激元增强GaAs基多结太阳电池的测试结果与实施例1类似，在此不再赘述。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。